特種納米制造技術(shù) 學(xué)時(shí)wdbPPT課件

1、2021年11月15日13時(shí)51分13.1 特種納米加工簡(jiǎn)介3.1.1 常規(guī)尺度下的傳統(tǒng)加工(切削加工)與特種加工3.1.2 納米尺度下的傳統(tǒng)加工與特種加工3.2 電子束加工技術(shù)3.3 離子束加工技術(shù)3.4 電化學(xué)加工技術(shù)第1頁(yè)/共42頁(yè)2021年11月15日13時(shí)51分23.1.1 常規(guī)尺度下的傳統(tǒng)加工(切削加工)與特種加工3.1 特種納米加工簡(jiǎn)介切削加工的本質(zhì)特點(diǎn)：(1) 刀具硬度 工件硬度；(2) 靠機(jī)械能切除工件上的多余材料。切削加工的種類：車、銑、刨、磨、鉆等。特種加工的本質(zhì)特點(diǎn)：(1) 主要依靠能量：電、化學(xué)、光、聲、熱，次要依靠：機(jī)械能；(2) 工具硬度 電子質(zhì)量，離子射線波長(zhǎng)

2、電子束；(2) 離子束曝光靈敏度電子束 (一、二個(gè)數(shù)量級(jí))，曝光時(shí)間縮短很多；(3) 無(wú)電子束的鄰近效應(yīng)圖形線條十分精細(xì)聚焦離子束曝光：實(shí)驗(yàn)室中已獲得10nm分辨率，效率低；投影離子束曝光：最細(xì)線寬0.5m，效率高。第18頁(yè)/共42頁(yè)2021年11月15日13時(shí)51分193. 離子束刻蝕3.3 離子束加工技術(shù)4.3.3 離子束加工的應(yīng)用刻蝕，又稱蝕刻、腐蝕，獨(dú)立于光刻，刻蝕常與光刻配對(duì)出現(xiàn) 刻蝕的抗蝕劑膜需要曝光技術(shù)形成、光刻之后形成圖形結(jié)構(gòu)靠刻蝕得到。微細(xì)加工中的刻蝕技術(shù)干法刻蝕(利用高能束去除材料)濕法刻蝕濕法化學(xué)刻蝕濕法電解刻蝕離子束濺射刻蝕(物理作用為主)等離子體刻蝕(化學(xué)反應(yīng)為主)反

3、應(yīng)離子束刻蝕(兼有物理化學(xué)作用)離子束轟擊工件動(dòng)量傳遞到工件表面原子傳遞能量超過(guò)原子鍵合力原子被撞擊出來(lái)優(yōu)點(diǎn)：(1)分辨率高，適合刻蝕精細(xì)圖形，線寬8nm；(2)無(wú)側(cè)向腐蝕，圖形邊界清晰；(3)各種材料：金屬、合金、絕緣體、有機(jī)物；(4)圖形壁角可控調(diào)節(jié)入射角、旋轉(zhuǎn)基片；(5)能量、束流密度、入射角、工作壓強(qiáng)可控。離子束直接引向工件表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成易揮發(fā)、易靠離子動(dòng)能加工的產(chǎn)物通過(guò)離子束濺射作用來(lái)刻蝕(亞微米級(jí))集成電路制造的關(guān)鍵工藝之一；目的是完整的將掩膜圖形繪制到硅片表面。第19頁(yè)/共42頁(yè)2021年11月15日13時(shí)51分204. 離子濺射鍍膜3.3 離子束加工技術(shù)4.3.3 離子束

4、加工的應(yīng)用原理：氣體電離離子向陰極靶運(yùn)動(dòng)靶表面濺射出分子或原子沉積在基片上形成薄膜應(yīng)用：(1)高速鋼刀具上鍍氮化鈦(TiN)硬質(zhì)膜顯著提高刀具壽命(鍍膜速度300nm/min)(2)齒輪或軸承上鍍二硫化鉬(MoS2)潤(rùn)滑膜(厚0.20.6m，摩擦系數(shù)0.04)(3)制造薄壁零件(如某管件長(zhǎng)15mm，厚63.5m)，不受材料限制第20頁(yè)/共42頁(yè)2021年11月15日13時(shí)51分215. 離子鍍3.3 離子束加工技術(shù)4.3.3 離子束加工的應(yīng)用工件不僅接受靶材濺射來(lái)的原子，還同時(shí)受到離子的轟擊使離子鍍具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)：附著力強(qiáng)，膜層不易脫落；鍍膜前，離子沖擊基體表面，清洗粘附污物和氧化

5、物；鍍膜早期，濺射出來(lái)的基材原子因碰撞返回，與膜材原子形成共混膜層(可減少膜材與基材的膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生的熱應(yīng)力增強(qiáng)結(jié)合力)；鍍膜后期，隨膜層的增厚，膜層變成單純由膜材原子構(gòu)成。應(yīng)用：潤(rùn)滑膜、耐熱膜、耐蝕膜、耐磨膜(高速鋼刀具鍍氮化鈦、碳化鈦，23m厚)、裝飾膜(膜厚可達(dá)1.52m)、電氣膜。第21頁(yè)/共42頁(yè)2021年11月15日13時(shí)51分226. 離子注入3.3 離子束加工技術(shù)4.3.3 離子束加工的應(yīng)用工件放入真空靶室中，在幾十至幾百千伏的電壓下，將離子直接注入工件表面。注入離子的含量可達(dá)10%40%，深度可達(dá)1m，甚至更深。第22頁(yè)/共42頁(yè)2021年11月15日13時(shí)51分233.1

6、 特種納米加工簡(jiǎn)介3.2 電子束加工技術(shù)3.3 離子束加工技術(shù)3.4 電化學(xué)加工技術(shù)3.4.1 電化學(xué)加工的原理及分類1. 電化學(xué)加工的原理2. 電化學(xué)加工的分類3.4.2 陽(yáng)極溶解加工電解加工1. 電解加工的過(guò)程2. 電解加工的特點(diǎn)3. 電解加工的應(yīng)用3.4.3 陰極沉積加工1. 簡(jiǎn)介2. 電鑄3. 電鍍4. 定域電化學(xué)沉積第23頁(yè)/共42頁(yè)2021年11月15日13時(shí)51分241. 電化學(xué)加工的原理?xiàng)l件事件結(jié)果3.4 電化學(xué)加工技術(shù)4.4.1 電化學(xué)加工的原理及分類 i e e i Cu2+ H + Cl - OH - 陰極陰極 陽(yáng)極陽(yáng)極 Cu Cu CuCl2水溶液中插入兩個(gè)銅片加上10

7、V直流電導(dǎo)線和溶液中有電流流過(guò)在金屬和溶液之間必定存在交換電子的反應(yīng)電化學(xué)反應(yīng)陽(yáng)極溶解陰極沉積第24頁(yè)/共42頁(yè)2021年11月15日13時(shí)51分252. 電化學(xué)加工的分類3.4 電化學(xué)加工技術(shù)4.4.1 電化學(xué)加工的原理及分類按其作用原理分三大類：1. 利用電化學(xué)陽(yáng)極溶解來(lái)進(jìn)行加工，如電解加工、電解拋光；2. 利用電化學(xué)陰極沉積、涂覆進(jìn)行加工，如電鍍、電鑄、涂鍍；3. 利用電化學(xué)與其它加工方法相結(jié)合的電化學(xué)復(fù)合加工，電解磨削、電解研磨、電解電火花復(fù)合加工等第25頁(yè)/共42頁(yè)2021年11月15日13時(shí)51分263.1 特種納米加工簡(jiǎn)介3.2 電子束加工技術(shù)3.3 離子束加工技術(shù)3.4 電化學(xué)

8、加工技術(shù)3.4.1 電化學(xué)加工的原理及分類1. 電化學(xué)加工的原理2. 電化學(xué)加工的分類3.4.2 陽(yáng)極溶解加工電解加工1. 電解加工的過(guò)程2. 電解加工的特點(diǎn)3. 電解加工的應(yīng)用3.4.3 陰極沉積加工1. 簡(jiǎn)介2. 電鑄3. 電鍍4. 定域電化學(xué)沉積第26頁(yè)/共42頁(yè)2021年11月15日13時(shí)51分27電解加工示意圖電解加工成形原理1. 電解加工的過(guò)程3.4 電化學(xué)加工技術(shù)4.4.2 陽(yáng)極溶解加工電解加工利用金屬在電解液中的電化學(xué)陽(yáng)極溶解，將工件加工成形。直流電源(1020V)工具陰極工件陽(yáng)極電解液泵0.52MPa電解液NaCl第27頁(yè)/共42頁(yè)2021年11月15日13時(shí)51分282.

9、電解加工的特點(diǎn)3.4 電化學(xué)加工技術(shù)4.4.2 陽(yáng)極溶解加工電解加工優(yōu)點(diǎn)： 加工范圍廣不受材料力學(xué)性能限制，可加工型面復(fù)雜程度高 生產(chǎn)率較高，電火花的510倍，有時(shí)高于切削加工； 較好的表面粗糙度(Ra1.250.2)和100m左右的平均加工精度； 不存在機(jī)械切削力，沒(méi)有殘余應(yīng)力和變形，沒(méi)有毛刺； 工具電極理論上不損耗，可長(zhǎng)期使用。缺點(diǎn)： 不易達(dá)較高精度和穩(wěn)定性電場(chǎng)、流場(chǎng)穩(wěn)定性影響參數(shù)多，雜散腐蝕較嚴(yán)重 電極工具的設(shè)計(jì)修正麻煩，不適于單件生產(chǎn)； 附屬設(shè)備多，占地面積大，機(jī)床要防腐，造價(jià)高； 廢棄工作液需要無(wú)害化處理。納米加工的可行性： 從機(jī)理上看，電解是逐層地“溶解”原子或分子可以控制微量、極

10、薄層去除可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)或原子級(jí)的加工。 技術(shù)上實(shí)現(xiàn)還有相當(dāng)難度影響因素太多，如溫度、成分、濃度、材料性能、電流、電壓等。 已經(jīng)開展了廣泛研究。第28頁(yè)/共42頁(yè)2021年11月15日13時(shí)51分293. 電解加工的應(yīng)用4.4 電化學(xué)加工技術(shù)4.4.2 陽(yáng)極溶解加工電解加工土耳其奧斯曼大學(xué)M. C. Baykul等，利用電化學(xué)腐蝕技術(shù)，將直徑 0.25mm 的金絲，加工出金探針針尖，尖端半徑的變化范圍是125500nm第29頁(yè)/共42頁(yè)2021年11月15日13時(shí)51分303. 電解加工的應(yīng)用3.4 電化學(xué)加工技術(shù)4.4.2 陽(yáng)極溶解加工電解加工英國(guó)樸茨矛斯大學(xué)，Sophie Kerfriden

11、等人，用直流電化學(xué)方法，腐蝕鎢電極，大長(zhǎng)徑比的STM探針，尖端最鋒利處的曲率半徑為80nm。第30頁(yè)/共42頁(yè)2021年11月15日13時(shí)51分313. 電解加工的應(yīng)用3.4 電化學(xué)加工技術(shù)4.4.2 陽(yáng)極溶解加工電解加工瑞典皇家理工學(xué)院J. Linnros等學(xué)者，電化學(xué)腐蝕N型硅，直徑150500nm，深50m，微孔陣列，長(zhǎng)徑比100。全貌中部上部下部第31頁(yè)/共42頁(yè)2021年11月15日13時(shí)51分323.1 特種納米加工簡(jiǎn)介3.2 電子束加工技術(shù)3.3 離子束加工技術(shù)3.4 電化學(xué)加工技術(shù)3.4.1 電化學(xué)加工的原理及分類1. 電化學(xué)加工的原理2. 電化學(xué)加工的分類3.4.2 陽(yáng)極溶解

12、加工電解加工1. 電解加工的過(guò)程2. 電解加工的特點(diǎn)3. 電解加工的應(yīng)用3.4.3 陰極沉積加工1. 簡(jiǎn)介2. 電鑄3. 電鍍4. 定域電化學(xué)沉積第32頁(yè)/共42頁(yè)2021年11月15日13時(shí)51分331. 簡(jiǎn)介3.4 電化學(xué)加工技術(shù)4.4.3 陰極沉積加工電鑄、涂鍍及復(fù)合鍍加工在原理和本質(zhì)上都是屬于電鍍工藝的范疇。利用電鍍液中的金屬正離子在電場(chǎng)的作用下，鍍覆沉積到陰極表面的過(guò)程。第33頁(yè)/共42頁(yè)2021年11月15日13時(shí)51分34電鑄原理圖2. 電鑄3.4 電化學(xué)加工技術(shù)4.4.3 陰極沉積加工原理：應(yīng)用：1. 復(fù)制精細(xì)的表面輪廓花紋（唱片模、紙幣郵票印刷版）2. 復(fù)制注塑模、電火花電極

13、3. 制造復(fù)雜高精度的空心零件和薄壁零件（波導(dǎo)管、剃須刀網(wǎng)罩）4. 粗糙度樣塊等特殊零件5. LIGA的關(guān)鍵技術(shù)之一Lithographie (光刻照相) + Galvanoformung (電鑄成形)+ Abformung (注塑)原模表面處理電鑄至指定厚度襯背處理脫模清洗干燥成品第34頁(yè)/共42頁(yè)2021年11月15日13時(shí)51分352. 電鑄3.4 電化學(xué)加工技術(shù)4.4.3 陰極沉積加工應(yīng)用：第35頁(yè)/共42頁(yè)2021年11月15日13時(shí)51分362. 電鑄3.4 電化學(xué)加工技術(shù)4.4.3 陰極沉積加工應(yīng)用：第36頁(yè)/共42頁(yè)2021年11月15日13時(shí)51分372. 電鑄3.4 電化學(xué)

14、加工技術(shù)4.4.3 陰極沉積加工應(yīng)用：第37頁(yè)/共42頁(yè)2021年11月15日13時(shí)51分383. 電鍍3.4 電化學(xué)加工技術(shù)4.4.3 陰極沉積加工目的：是在基材上鍍上金屬鍍層，改變基材表面性質(zhì)或尺寸.過(guò)程：1 鍍層金屬陽(yáng)極 2 鍍件陰極 3 用含鍍層金屬陽(yáng)離子的電鍍液4 通直流電陽(yáng)極金屬氧化反應(yīng)(失去電子)，溶液正離子在陰極還原(得到電子)成原子并積聚在表層。應(yīng)用：增強(qiáng)金屬的抗腐蝕性、增加硬度、防止磨耗、提高導(dǎo)電性、潤(rùn)滑性、耐熱性和表面美觀。光刻中關(guān)鍵技術(shù)之一移動(dòng)X射線掩膜曝光法（曝光是光刻的一個(gè)步驟）第38頁(yè)/共42頁(yè)2021年11月15日13時(shí)51分394. 定域電化學(xué)沉積3.4 電化

15、學(xué)加工技術(shù)4.4.3 陰極沉積加工原理：應(yīng)用：使離子從電極尖移向基體，將材料沉積到基體上。利用極細(xì)圓錐狀電極尖在指定區(qū)域在電解質(zhì)溶液中通電a)鎳柱(10m) b)鎳彈簧微細(xì)電化學(xué)沉積微細(xì)結(jié)構(gòu)用電化學(xué)STM加工納米簇半徑3.5nm, 高0.8nm銅簇彼此相連納米導(dǎo)線將對(duì)微電子技術(shù)帶來(lái)深刻影響電化學(xué)STM技術(shù)代表著微細(xì)電化學(xué)加工的最高水平第39頁(yè)/共42頁(yè)2021年11月15日13時(shí)51分40小結(jié)3.1 特種納米加工簡(jiǎn)介3.1.1 常規(guī)尺度下的傳統(tǒng)加工(切削加工)與特種加工3.1.2 納米尺度下的傳統(tǒng)加工與特種加工3.2 電子束加工技術(shù)3.2.1 原理：動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能去除材料3.2.2 特點(diǎn)：束徑可達(dá)0.1m3.2.3 應(yīng)用：電子束熱微細(xì)加工、電子束化學(xué)微細(xì)加工(納米尺度)3.3 離子束加工技術(shù)3.3.1 原理：微觀的機(jī)械撞擊能去除或鍍覆材料3.3.2