特种纳米制造技术 学时wdbPPT课件

1、2021年11月15日13时51分13.1 特种纳米加工简介3.1.1 常规尺度下的传统加工(切削加工)与特种加工3.1.2 纳米尺度下的传统加工与特种加工3.2 电子束加工技术3.3 离子束加工技术3.4 电化学加工技术第1页/共42页2021年11月15日13时51分23.1.1 常规尺度下的传统加工(切削加工)与特种加工3.1 特种纳米加工简介切削加工的本质特点：(1) 刀具硬度 工件硬度；(2) 靠机械能切除工件上的多余材料。切削加工的种类：车、铣、刨、磨、钻等。特种加工的本质特点：(1) 主要依靠能量：电、化学、光、声、热，次要依靠：机械能；(2) 工具硬度 电子质量，离子射线波长

2、电子束；(2) 离子束曝光灵敏度电子束 (一、二个数量级)，曝光时间缩短很多；(3) 无电子束的邻近效应图形线条十分精细聚焦离子束曝光：实验室中已获得10nm分辨率，效率低；投影离子束曝光：最细线宽0.5m，效率高。第18页/共42页2021年11月15日13时51分193. 离子束刻蚀3.3 离子束加工技术4.3.3 离子束加工的应用刻蚀，又称蚀刻、腐蚀，独立于光刻，刻蚀常与光刻配对出现 刻蚀的抗蚀剂膜需要曝光技术形成、光刻之后形成图形结构靠刻蚀得到。微细加工中的刻蚀技术干法刻蚀(利用高能束去除材料)湿法刻蚀湿法化学刻蚀湿法电解刻蚀离子束溅射刻蚀(物理作用为主)等离子体刻蚀(化学反应为主)反

3、应离子束刻蚀(兼有物理化学作用)离子束轰击工件动量传递到工件表面原子传递能量超过原子键合力原子被撞击出来优点：(1)分辨率高，适合刻蚀精细图形，线宽8nm；(2)无侧向腐蚀，图形边界清晰；(3)各种材料：金属、合金、绝缘体、有机物；(4)图形壁角可控调节入射角、旋转基片；(5)能量、束流密度、入射角、工作压强可控。离子束直接引向工件表面发生化学反应生成易挥发、易靠离子动能加工的产物通过离子束溅射作用来刻蚀(亚微米级)集成电路制造的关键工艺之一；目的是完整的将掩膜图形绘制到硅片表面。第19页/共42页2021年11月15日13时51分204. 离子溅射镀膜3.3 离子束加工技术4.3.3 离子束

4、加工的应用原理：气体电离离子向阴极靶运动靶表面溅射出分子或原子沉积在基片上形成薄膜应用：(1)高速钢刀具上镀氮化钛(TiN)硬质膜显著提高刀具寿命(镀膜速度300nm/min)(2)齿轮或轴承上镀二硫化钼(MoS2)润滑膜(厚0.20.6m，摩擦系数0.04)(3)制造薄壁零件(如某管件长15mm，厚63.5m)，不受材料限制第20页/共42页2021年11月15日13时51分215. 离子镀3.3 离子束加工技术4.3.3 离子束加工的应用工件不仅接受靶材溅射来的原子，还同时受到离子的轰击使离子镀具有许多独特的优点主要优点：附着力强，膜层不易脱落；镀膜前，离子冲击基体表面，清洗粘附污物和氧化

5、物；镀膜早期，溅射出来的基材原子因碰撞返回，与膜材原子形成共混膜层(可减少膜材与基材的膨胀系数不同产生的热应力增强结合力)；镀膜后期，随膜层的增厚，膜层变成单纯由膜材原子构成。应用：润滑膜、耐热膜、耐蚀膜、耐磨膜(高速钢刀具镀氮化钛、碳化钛，23m厚)、装饰膜(膜厚可达1.52m)、电气膜。第21页/共42页2021年11月15日13时51分226. 离子注入3.3 离子束加工技术4.3.3 离子束加工的应用工件放入真空靶室中，在几十至几百千伏的电压下，将离子直接注入工件表面。注入离子的含量可达10%40%，深度可达1m，甚至更深。第22页/共42页2021年11月15日13时51分233.1

6、 特种纳米加工简介3.2 电子束加工技术3.3 离子束加工技术3.4 电化学加工技术3.4.1 电化学加工的原理及分类1. 电化学加工的原理2. 电化学加工的分类3.4.2 阳极溶解加工电解加工1. 电解加工的过程2. 电解加工的特点3. 电解加工的应用3.4.3 阴极沉积加工1. 简介2. 电铸3. 电镀4. 定域电化学沉积第23页/共42页2021年11月15日13时51分241. 电化学加工的原理条件事件结果3.4 电化学加工技术4.4.1 电化学加工的原理及分类 i e e i Cu2+ H + Cl - OH - 阴极阴极 阳极阳极 Cu Cu CuCl2水溶液中插入两个铜片加上10

7、V直流电导线和溶液中有电流流过在金属和溶液之间必定存在交换电子的反应电化学反应阳极溶解阴极沉积第24页/共42页2021年11月15日13时51分252. 电化学加工的分类3.4 电化学加工技术4.4.1 电化学加工的原理及分类按其作用原理分三大类：1. 利用电化学阳极溶解来进行加工，如电解加工、电解抛光；2. 利用电化学阴极沉积、涂覆进行加工，如电镀、电铸、涂镀；3. 利用电化学与其它加工方法相结合的电化学复合加工，电解磨削、电解研磨、电解电火花复合加工等第25页/共42页2021年11月15日13时51分263.1 特种纳米加工简介3.2 电子束加工技术3.3 离子束加工技术3.4 电化学

8、加工技术3.4.1 电化学加工的原理及分类1. 电化学加工的原理2. 电化学加工的分类3.4.2 阳极溶解加工电解加工1. 电解加工的过程2. 电解加工的特点3. 电解加工的应用3.4.3 阴极沉积加工1. 简介2. 电铸3. 电镀4. 定域电化学沉积第26页/共42页2021年11月15日13时51分27电解加工示意图电解加工成形原理1. 电解加工的过程3.4 电化学加工技术4.4.2 阳极溶解加工电解加工利用金属在电解液中的电化学阳极溶解，将工件加工成形。直流电源(1020V)工具阴极工件阳极电解液泵0.52MPa电解液NaCl第27页/共42页2021年11月15日13时51分282.

9、电解加工的特点3.4 电化学加工技术4.4.2 阳极溶解加工电解加工优点： 加工范围广不受材料力学性能限制，可加工型面复杂程度高 生产率较高，电火花的510倍，有时高于切削加工； 较好的表面粗糙度(Ra1.250.2)和100m左右的平均加工精度； 不存在机械切削力，没有残余应力和变形，没有毛刺； 工具电极理论上不损耗，可长期使用。缺点： 不易达较高精度和稳定性电场、流场稳定性影响参数多，杂散腐蚀较严重 电极工具的设计修正麻烦，不适于单件生产； 附属设备多，占地面积大，机床要防腐，造价高； 废弃工作液需要无害化处理。纳米加工的可行性： 从机理上看，电解是逐层地“溶解”原子或分子可以控制微量、极

10、薄层去除可以实现纳米级或原子级的加工。 技术上实现还有相当难度影响因素太多，如温度、成分、浓度、材料性能、电流、电压等。 已经开展了广泛研究。第28页/共42页2021年11月15日13时51分293. 电解加工的应用4.4 电化学加工技术4.4.2 阳极溶解加工电解加工土耳其奥斯曼大学M. C. Baykul等，利用电化学腐蚀技术，将直径 0.25mm 的金丝，加工出金探针针尖，尖端半径的变化范围是125500nm第29页/共42页2021年11月15日13时51分303. 电解加工的应用3.4 电化学加工技术4.4.2 阳极溶解加工电解加工英国朴茨矛斯大学，Sophie Kerfriden

11、等人，用直流电化学方法，腐蚀钨电极，大长径比的STM探针，尖端最锋利处的曲率半径为80nm。第30页/共42页2021年11月15日13时51分313. 电解加工的应用3.4 电化学加工技术4.4.2 阳极溶解加工电解加工瑞典皇家理工学院J. Linnros等学者，电化学腐蚀N型硅，直径150500nm，深50m，微孔阵列，长径比100。全貌中部上部下部第31页/共42页2021年11月15日13时51分323.1 特种纳米加工简介3.2 电子束加工技术3.3 离子束加工技术3.4 电化学加工技术3.4.1 电化学加工的原理及分类1. 电化学加工的原理2. 电化学加工的分类3.4.2 阳极溶解

12、加工电解加工1. 电解加工的过程2. 电解加工的特点3. 电解加工的应用3.4.3 阴极沉积加工1. 简介2. 电铸3. 电镀4. 定域电化学沉积第32页/共42页2021年11月15日13时51分331. 简介3.4 电化学加工技术4.4.3 阴极沉积加工电铸、涂镀及复合镀加工在原理和本质上都是属于电镀工艺的范畴。利用电镀液中的金属正离子在电场的作用下，镀覆沉积到阴极表面的过程。第33页/共42页2021年11月15日13时51分34电铸原理图2. 电铸3.4 电化学加工技术4.4.3 阴极沉积加工原理：应用：1. 复制精细的表面轮廓花纹（唱片模、纸币邮票印刷版）2. 复制注塑模、电火花电极

13、3. 制造复杂高精度的空心零件和薄壁零件（波导管、剃须刀网罩）4. 粗糙度样块等特殊零件5. LIGA的关键技术之一Lithographie (光刻照相) + Galvanoformung (电铸成形)+ Abformung (注塑)原模表面处理电铸至指定厚度衬背处理脱模清洗干燥成品第34页/共42页2021年11月15日13时51分352. 电铸3.4 电化学加工技术4.4.3 阴极沉积加工应用：第35页/共42页2021年11月15日13时51分362. 电铸3.4 电化学加工技术4.4.3 阴极沉积加工应用：第36页/共42页2021年11月15日13时51分372. 电铸3.4 电化学

14、加工技术4.4.3 阴极沉积加工应用：第37页/共42页2021年11月15日13时51分383. 电镀3.4 电化学加工技术4.4.3 阴极沉积加工目的：是在基材上镀上金属镀层，改变基材表面性质或尺寸.过程：1 镀层金属阳极 2 镀件阴极 3 用含镀层金属阳离子的电镀液4 通直流电阳极金属氧化反应(失去电子)，溶液正离子在阴极还原(得到电子)成原子并积聚在表层。应用：增强金属的抗腐蚀性、增加硬度、防止磨耗、提高导电性、润滑性、耐热性和表面美观。光刻中关键技术之一移动X射线掩膜曝光法（曝光是光刻的一个步骤）第38页/共42页2021年11月15日13时51分394. 定域电化学沉积3.4 电化

15、学加工技术4.4.3 阴极沉积加工原理：应用：使离子从电极尖移向基体，将材料沉积到基体上。利用极细圆锥状电极尖在指定区域在电解质溶液中通电a)镍柱(10m) b)镍弹簧微细电化学沉积微细结构用电化学STM加工纳米簇半径3.5nm, 高0.8nm铜簇彼此相连纳米导线将对微电子技术带来深刻影响电化学STM技术代表着微细电化学加工的最高水平第39页/共42页2021年11月15日13时51分40小结3.1 特种纳米加工简介3.1.1 常规尺度下的传统加工(切削加工)与特种加工3.1.2 纳米尺度下的传统加工与特种加工3.2 电子束加工技术3.2.1 原理：动能转化为热能去除材料3.2.2 特点：束径可达0.1m3.2.3 应用：电子束热微细加工、电子束化学微细加工(纳米尺度)3.3 离子束加工技术3.3.1 原理：微观的机械撞击能去除或镀覆材料3.3.2