纳米加工技术和微电子机械系统

第十六章纳米加工技术和微电子机械系统按照人们的意愿在纳米尺寸的世界中自由地剪裁、安排材料的技术被称为纳米加工技术。包括扫描探针技术和精密加工技术(能量束加工等)。纳米加工技术是纳米科学的重要基础，也包含许多尚未认识清楚的纳米科学问题。一、纳米机械学1.历史由来2.纳米加工技术3.微型机械的发展二、微电子机械系统1.组成和特性2.发展趋势一、纳米机械学1.历史由来纳米技术的灵感来自于美国的理查得•费曼。1959年12月29日，美国著名物理学家、诺贝尔物理学奖获得者理查得•费曼(RichardPhillipsFeynman,1918-1988)在美国物理学会召开的年会上，作了一个题为《在底层还有很大空间》“There'sPlentyofRoomattheBottom”的著名演讲。在演讲中，费曼满怀激情的说：“当我们深入并游荡在原子的周围,我们是按不同的定律活动，我们会遇到许许多多新奇的事情，能以全新的方式生产，完成异乎寻常的工作。如果有一天可以安排一个个原子，将会产生什么样的奇迹?！”费曼给我们描述了这样一幅激动人心的画面：通过人为地操纵单个原子，来构造人们需要的特定功能的物质，这如同用原子来搭积木!费曼在演讲中还说：“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”在演讲中他提到也许有一天人们会造出仅由几千个原子组成的微型机器。但在当时，这句话因为过于超前而没有引起人们的广泛注意。直到1986年，一个专门以展望未来为职业的预言家，美国预见研究所的工程师一埃里克•得雷克斯勒(K.Eric.Drexler)运用了更为通俗和形象的描述才将27年前这个天才的思想表书清楚。他说：我们为什么不制造出成群、肉眼看不到的微型机器人，让它们在地毯上爬行，把灰尘分解成原子，再将这些原子组装成餐巾、肥皂和电视机呢？这些微型机器人不仅是一些只懂得搬原子的建筑“工人”，而且还具有绝妙的自我复制和自我维修能力，由于它们同时工作，因此速度很快而且廉价得让人难以置信。多数主流派科学家对得雷克斯勒的想法不屑一顾，认为是一派胡言。但得雷克斯勒仍然著书立说，阐述自己的观点。有的科学家随后开始进行实验性研究。对于纳米技术，得雷克斯勒认为“：它不是小尺寸技术的延伸，它甚至根本不该被看作是技术，而是一场认知的革命。”从石器时代开始，人类从磨尖箭头到光刻芯片的所有技术，都与一次性地削去或者融合数以亿计的原子以便把物质作成有用的形态有关。费曼质问到，为什么我们不可以从另一个角度出发，从单个的分子甚至原子开始进行组装，以达到我们的要求呢？实际上这一灵感来自于大自然从单个分子、甚至单个原子创造物质的启示。纳米技术就是向大自然学习，力图在纳米尺度精确地操纵原子或分子来制造产品的技术，统称为“由底向上”或“由小到大“的加工技术。纳米加工技术科学技术进步使器件和装置的尺寸越来越小，进入了纳米的范围。与之相适应的加工和制造技术，已成为国际上的研究热点，发展很快。定义按照人们的意愿在纳米尺寸的世界中自由地剪裁、安排材料的技术被称为纳米加工技术。纳米加工技术可分为刻蚀和组装两类，包括扫描探针技术和精密加工技术(能量束加工等)。纳米加工技术将为我们设计和制造出尺寸极小而功能极强的设备。纳米组装技术由于在纳米尺度刻蚀技术已达到极限，组装技术将成为纳米科技的重要手段，日益受到人们的高度重视。组装技术就是通过机械、物理、化学或生物的方法，把原子、分子或者分子的聚集体进行组装，形成有功能的结构单元。纳米组装技术包括分子有序组装技术、扫描探针原子/分子搬迁技术以及生物组装技术。分子有序组装技术科技部2006年公布的“十一五”期间首批启动的国家重大科学研究计划中，纳米研究计划项目“具有重要应用背景的纳米超分子组装体的构筑与功能研究”名列其中，项目首席科学家是南开大学化学学院院长、“长江学者奖励计划”特聘教授刘育。刘育课题组以环糊精的分子识别和组装为突破口，在超分子组装/纳米超分子的研究工作中已取得重大突破。ii)生物组装技术蛋白质、核酸等生物活性大分子的组装要求高密度定取向，这对于制备高性能生物敏感膜、发展生物分子器件，以及研究生物大分子之间的相互作用是十分重要的。 生物大分子n识别组装此外，在长链聚合物分子上的有序组装、桥连自组装技术、有序分子薄膜的应用研究等技术也有进展。采用纳米加工技术还可以对材料进行原子级的加工，使加工技术进入一个更为微细的深度。纳米加工技术n实现纳米尺度上某个功能的

机械--纳米机械纳米机械--微型机械的发展近些年来国内外在微型机构的开发和研究方面出现了一个非常强劲的新兴趋势，即对微/纳机械电子学系统的研究发展。集成电路的微细加工技术在三维加工方面有所延伸，将机构、传感器、控制器以及动作器等集成在一个或多个硅片上，通过一系列的处理形成微型机电装置。这不仅将传统的无源机构变为有源机构，而且可以获得一个完备的机电一体化的微机械电子系统，整个系统的尺寸可减小到几毫米，甚至几百微米。微型系统的惯量小、热容量低，容易得到高灵敏度的响应特性，使多传感器、驱动机构及电路集成化等具有系统高性能、一致性好及制造费用低等优点。随着人们对微型系统中有关材料的机械性质以及功能研究的不断深入，特别是加工技术的不断发展，系统尺寸也不断缩小，其中许多部件已为纳米尺度量级，且表现出一些全新的理化性质，特别是机械学、电子学特性，这使得对纳米机构或纳米机械的研究逐渐被人们重视起来。纳米机械的出现是微机电系统(MEMS)发展的趋势。①纳米机械学的定义和任务国外对微机械的基本尺寸作了如下三层大概划分：100mm到1mm的，称为小型机械；1mm到10微米的，称为微型机械；10微米到10nm的，称为超微型机械-纳米机械。人们通常将机械工程学科分为机械学和机械制造学，它们分别对应着机械系统从构思到实现所经历的理论设计和实际制造的两个阶段。如何对纳米尺度结构或对象的机械学性质进行测量与分析，是否还符合传统的机械学的性质或原理等，是在微型零部件制造出来后首当其冲出现的问题。这关系到具体机械或机电系统的是否可实现以及是否可实用等许多重要的方面。所谓纳米机械学，就是研究纳米尺度对象的机械结构、性质及其测量与分析，以及进行相关微系统设计的学科。纳米机械学的任务，就是以微型机械及其系统的设计为目标，研究各组成单元的工作原理、特性和设计理论方法；通过创造性思维过程，规划出符合社会、生产和科学技术发展所需要的微型机电系统的组成结构，并对系统进行功能综合和定量描述其性能。纳米机械学的研究内容＞研究微型机械中运动变换和动力传递，以及机械系统在运动过程中动态特性的微机构学；＞研究适用于制造微型构件而性能独特的材料，特别是新型功能材料及其在环境影响下的变形响应、失效规律的微结构材料力学；＞从原子、分子尺度出发，研究相互运动接触界面上的相互作用、变化以及纳米摩擦学或微摩擦学；＞与纳米机器原理、制造及应用相关的关键技术等。相对于传统机械来说，微型机械具有体系小、重量轻、能耗低、集成度高以及智能化程度高等许多优点。为此，纳米机械学的研究内容不仅与微电子学密切相关，而且也和集成电路制造技术及其相关功能材料有关，广泛涉及到材料科学，尤其是新材料、表面物理与化学以及现代光学、气动力学、流体力学、热学、电磁学、声学、自动控制与现代仪器学、生物学、仿生学等众多的学科领域，是一门融合多学科综合发展的高新技术。纳米机械学的特点微/纳机械电子系统与传统机械的工作原理、制造以及材料等许多方面存在很大差异，使纳米机械学具有以下一些显著的特点：传统机械一般需要经过熔炼、压延、切削加工等形成过程，而微型机械的部件大多采用气相、液相或固相生长，形成单晶或薄膜的制作过程，使它们的物理、化学性质具有明显的特征，特别是材料的结构、性能随着构件的结构以及制造方法、工艺条件的改变而变化很大，具有明显的可调节性或可设计性。当微型机电系统缩小到一定的尺度，或者有关构件的尺寸缩小到一定程度时，材料的性能和构件的力学行为将发生很大的变化，出现尺寸效应：如构件的尺寸减小、材料内部缺陷的可能减少使材料的机械强度获得改善，弹性模量、抗拉强度、断裂韧性、疲劳强度以及残余应力等均与大尺寸构件明显不同。另外，尺寸效应对于微构件的受力情况也有很大影响。凡与尺寸高次方成比例的力，如惯性力、电磁力等的作用相对减弱；而与尺寸低次方成比例的粘性力、表面张力、静电力、摩擦力等的作用明显增强。由于比表面相对增加，使得热传导与化学反应速度也相应增加。iii） 出于受到空间尺寸和驱动能量小的限制，微型机械系统应尽可能缩短运动链和减少机件数量，尽可能将能量传递、运动转换和执行调节等机构统一成一体。通常还应考虑将传感器、测控电路等信号处理部分与其组合在一起，形成一个综合体。所以，必须进行能量、动作、信号处理及散热等诸多因素合并考虑的整体设计，才能实现预想的功能及其参数指标。纳米机械的性能和意义i）性能通常机械零件是用车、钻、刨、磨等机床逐个加工而成。而微机械却是采用微电子技术（特别是集成电路平面工艺）实现三维加工，成批地、甚至整体地把微型机械零件加工出来。目前微型机械所用的材料，不是钢铁或有色金属，而是硅材料。人们巧妙地利用了硅材料极优良的力学性质、各向异性的化学腐蚀性质，采用集成电路平面技术、薄膜技术和微焊接技术等，做出各种特殊形态的硅材料部件，如阀门、齿轮、连杆、电机转子、定子等。它们的尺寸只有几十到几百微米，它们的形状只有在显微镜下才能看得清楚，而加工精度却很高，可精确到0.1-0.5微米。与宏观机械加工相比，微型机械加工技术可实现高产量、高精度、动作缓和无噪音，所用材料极少，而且可采用贵重优质材料以实现高性能。因此，很明显，微机械技术是随着微电子技术和纳米技术的发展而迅速崛起的一门综合性的高技术。微机械虽然体积极其微小，但却“五脏俱全”。它既有大脑（电脑和控制器），又有手脚（传感器和驱动器）和电源，它是一个将上述构件集成在极其微小体积范围内的机电一体化系统，是机、电、磁、光、化学、电脑自动控制、传感技术与信息处理等多种技术的综合或融合的产物。微机械的个头虽然很小很小，但是，它却能完成人们通常无法从事的工作。例如，有种小如跳蚤的微小机械，能自由地从门缝而出入居室。假如把它送进动脉，它前端那极其精细的微型手术刀，能按照人的指令，切除血管壁上的脂肪、排除血栓、分检细胞、铲除肿瘤等。总之，未来的机械，就象微型机械人一样，可以完成大型机械难以完成的各类特殊而复杂的任务。ii）意义正如由于晶体管和集成电路的发明使电脑的体积越来越小、智能化程度越来越高一样，微/纳机械的问世，其意义也十分重大。当今世界上研究、探索微机械的队伍十分庞大。科学家相信，微机械不仅是诱人的，而且是未来科学技术发展的趋势。日本已用极微小的部件组成一辆只有米粒大小、能够运转的汽车；与此同时，工程师们制成了直径只有一两个毫米的静电发动机；体积只有常规机械的万分之一、能够运转的车床。德国工程师制成了一架只有黄蜂大小并能够升空的直升机，肉眼几乎看不到的发动机。科学家说：“我们有必要象控制牛和马一样控制昆虫。既然我们不能控制真正的昆虫，我们就应该制造一种人造昆虫，以便让这些昆虫对温室里的花进行人工授粉并杀死吃庄稼的害虫。”据科学家预言，我们正在走向一场革命，这场革命与18世纪的工业革命相当。各国领导人没有忽视这场技术革命。日本为一个历时10年、耗资2.25亿美元、有26家公司参加的微机械研究项目提供资助；德国联邦政府则每年拿出6500万美元支持微机械研究；美国国防部通过高级研究项目局每年拨出3500万美元用于微机械研究。德国科学家相信，那种只有削尖了的铅笔头大小、每分钟转速高达10万转的发动机最终将推动动作显示器、手表、摄录机和激光扫描器的发展。据说，这种发动机最早可能用于显微手术仪器。美国科学家皮斯特也看到了他的人造蚂蚁的发展前景。他说：“我看到了未来的微机械工厂，这些微机械在不停地为我们制造电子产品。目前的民用电子产品中的微小部件往往还是手工组装的，因为目前的自动设备还不能完成这类工作。但这对于我的人造昆虫来说，则是轻而易举的事情。”各国科学家乐观的认为，纳米技术将带来微型工业美好的未来。纳米机械是指实现纳米尺度上某个功能的机械，它包括的领域很广。目前已制造出来纳米齿轮、纳米马达。二、微电子机械系统(MEMS)20世纪80年代中后期，有关机械以及机电系统微型化技术的研究广泛兴起，形成了所谓微型机电系统(micro-electromechanicalsystems,MEMS)的研发热潮。美国、中国称微型机械为微型机电系统(MEMS),欧洲则称其为微系统(microsystems),而在日本则往往将其叫做微机器(micromachine))寺国际电工技术委员会(internationalelectrotechnicalcommission)概括了各国定义的共性，将其定义为“微系统是微米量级内的设计和制造技术。它集成了多种元件，并适于以低成本的大量生产”。近来，将集成光学中的一些概念及研究成果也引入到微型系统中，又出现了微光机电系统(micro-optoelectro-mechanicalsystems,MOEMS)的概念。随着系统中关键部件尺寸的不断减小，整个系统的原理、设计理论及方法等都将发生很大的改变。目前，也将系统中关键部件的特征尺寸为纳米尺度的微型机电系统称为纳机电系统(nano-electromechanicalsystems,NEMS)。这些系统的发展与作为主要基础的微机械学(micromechanics)和纳米机械学(nanomechanics)的发展密切相关，微/纳米机械学本身也作为重要的研发方向迅速成为机械科学技术进步中的前沿领域。1.组成和特性纳米机械学的主体和重心就是微机械和微电机。包括有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统、特种电子设备、医疗和诊断仪器等°MEMS用的是一种类似于集成电路设计和制造的新工艺，特点是部件很小。虽然它们目前尚未真正进入纳米尺度，但有很大的潜在科学价值和经济价值。微电子技术的巨大成功在许多领域引发了一场微小型化革命，以加工微米/纳米结构和系统为目的的微米/纳米技术在此背景下应运而生。一方面人们利用物理化学方法将原子和分子组装起来，形成具有一定功能的微米/纳米结构；另一方面人们利用精细加工手段加工出微米/纳米级结构。前者导致了纳米生物学，纳米化学等边缘学科的产生，后者则在小型机械制造领域开始了一场新的革命，导致了微电子机械系统的诞生。微电子机械系统是微电子技术的拓宽和延伸，它将微电子技术和精密机械加工技术相互融合，实现了微电子与机械融为一体的系统。①组成从广义上来讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。MEMS主要包括微型传感器、执行器和相应的处理电路三部分。-作为输入信号的自然界各种信息首先通过传感器转换成电信号，经过信号处理以后(模拟/数字)再通过微执行器对外部世界发生作用。＞传感器可以把能量从一种形式转化成另一种形式，从而将现实世界的信号(如热，运动等信号)转化为系统可以处理的信号(如电信号)。＞信号处理器则可以对信号进行转换、放大和计算等处理。＞执行器根据信号处理电路发出的指令完成人们所需要的操作。根据目前的研究状况，除了进行信号处理的集成电路部件以外，微机电系统内部包含的单元主要有以下几大类：◎微传感器：传感器种类很多，主要包括机械类、磁学类、热学类、化学类、生物学类等等，每一类中又包括有很多种。◎微执行器：主要包括微马达、微齿轮、微泵、微阀门、微开关、微喷射器、微扬声器、微谐振器等。微型构件：三维微型构件主要包括微膜、微梁、微探针、微齿轮、微弹簧、微腔、微沟道、微锥体、微轴、微连杆等。微机械光学器件：即利用MEMS技术制作的光学元件及器件。目前制备出的微光学器件主要有微镜阵列、微光扫描器、微光阀、微斩光器、微干涉仪、微光开关、微可变焦透镜、微外腔激光器、光编码器等。真空微电子器件：它是微电子技术、MEMS技术和真空电子学发展的产物，是一种基于真空电子输运器件的新技术，采用已有的微细加工工艺在芯片上制造集成化的微型真空电子管或真空集成电路。它主要由场致发射阵列阴极、阳极、两电极之间的绝缘层和真空微腔组成。由于电子输运在真空中进行，因此具有极快的开关速度、非常好的抗辐照能力和极佳的温度特性。电力电子器件：主要包括利用MEMS技术制作的垂直导电型MOS(VMOS)器件、V型槽垂直导电型MOS(VVMOS)器件等各类高压大电流器件。②特性MEMS器件和系统具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异、功能强大、可以批量生产等传统器件无法比拟的优点，因此在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域都有着十分广阔的应用前景。MEMS将电子系统和外部世界有机地联系起来，不仅可以感受运动、光、声、热、磁等自然信号，还将这些信号转换成电子系统可以认识的电信号，通过电子系统控制这些信号，进而发出指令，控制执行部件完成所需要的操作。MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。MEMS技术开辟了一个全新的领域和产业，不仅可以降低机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统无法完成的任务。例如尖端直径为5微米的微型镊子可以夹起一个红细胞，3毫米大小的能够开动的小汽车，可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞机等。2.发展趋势专家预测MEMS技术在今后的主要发展趋势是：＞研究方向多样化：从历次大型MEMS国际会议（Transducer和MEMSWorkshop）的论文来看，MEMS技术的研究日益多样化，其所涉及的领域主要包括惯性器件如加速度计与陀螺、AFM（原子力显微镜）、数据存储、三维微型结构的制作、微型阀门、泵和微型喷口、流量器件、微型光学器件、各种执行器、微型机电器件性能模拟、各种制造工艺、封装键合、医用器件、实验表征器件、压力传感器、麦克风以及声学器件等16个发展方向。内容涉及军事、民用等各个应用领域。＞加工工艺多样化：如传统的体硅加工工艺、表面牺牲层工艺、溶硅工艺、深槽刻蚀与键合工艺相结合、厚胶与电镀相结合的金属牺牲层工艺、MAMOS（金属空气MOSFET）工艺、体硅工艺与表面牺牲层工艺相结合。而具体的加工手段更是多种多样。目前能进行大批量生产的非硅三维微加工技术主要有LIGA技术和DEM技术。--LIGA技术：Lithograf