結(jié)合案例分析普通制造與納米制造的主要差異

1、結(jié)合案例分析納米制造與普通制造的 主要差異指導(dǎo)教師：雒建斌院士摘要：開(kāi)始交代了普通制造及納米制造的歷史背景，分析了普通制造的局限性以及納米制造的兩種方法，通過(guò)制造超光滑表面的案例分析了普通制造與納米制造的主要差異，最后展望了新一代制造技術(shù)的前景。關(guān)鍵詞：普通制造；納米制造；超光滑表面制造；化學(xué)機(jī)械拋光納米制造與普通制造的綜述普通制造制造是利用原材料生產(chǎn)大量產(chǎn)品的過(guò)程。制造是個(gè)多個(gè)學(xué)科交叉 的生產(chǎn)活動(dòng)，制造包括了運(yùn)用已知的原理、方法和技術(shù)，設(shè)計(jì)和 開(kāi)發(fā)物品或系統(tǒng)的生產(chǎn)。制造主要經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展歷程精密工程超精密工程微加工納米制造。本文將主要探討納米制造與普通制造間的差異。納米制造在了解納米制造之前

2、，先了解一下納米技術(shù)。納米技術(shù)的歷史，1959年美國(guó)科學(xué)家 Richard P Feynman 在美國(guó)加州理工學(xué)院發(fā)表了有關(guān)納米意義的著名演說(shuō)。1974年日本科學(xué)家Taniguchi 提由 Nanotechnology 一詞。1981 年德國(guó)科學(xué)家 H Gle iter 提由 Nanostructure of Solids 概念。1990年7月在美國(guó)召 開(kāi)了國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議標(biāo)志著納米技術(shù)的正式確立。納米技術(shù)的定義，通常來(lái)說(shuō)有如下主流性質(zhì)，一至少有1到100nm的尺度，二操作過(guò)程能在分子水平上操作，三分子水平上的操作 能被合成為更大尺度的結(jié)構(gòu)。納米技術(shù)也被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一，納米

3、技術(shù)不僅僅 代表著人類(lèi)能夠進(jìn)行納米尺度的操作，也意味著人類(lèi)進(jìn)入了原子 層次的微觀世界。納米制造的定義，對(duì)納米尺度的材料進(jìn)行加工生產(chǎn)，或納米尺度 下自下而上生產(chǎn)器件，或納米尺度下自上而下實(shí)現(xiàn)超精密的器件 加工。納米制造的方法，通常納米制造或納米組裝有兩種方法，自上而下(Top-Down)高精度加工和自下而上( Bottom-Up )納米組裝 的過(guò)程。自上而下主要是由芯片等電子產(chǎn)品的刻蝕演化而來(lái)，在 微電子，計(jì)算機(jī)等工業(yè)上起到了重要的作用，但是加工精度也接 近與產(chǎn)品的極限。自下而上目前則還有巨大的發(fā)展前景，主要應(yīng) 用生物化學(xué)的操作方法，在醫(yī)學(xué)，化學(xué)方面也正在起到越來(lái)越來(lái) 重要的作用，同時(shí)納米組裝通

4、過(guò)控制原子來(lái)形成納米結(jié)構(gòu)，是一 種納米操作。二普通制造的局限性普通制造提高精度的方法與局限性母性原則，母性原則要求加工工件的精度大于工件精度。母性原則的局限性，母機(jī)床的誤差會(huì)遺傳給工件，加工中的振動(dòng), 熱變形，應(yīng)力等等問(wèn)題都會(huì)降低精度，很顯然這在納米尺度上是 基本沒(méi)有可能做到的。創(chuàng)新性原則，在加工中采用誤差在線測(cè)量和補(bǔ)償?shù)确椒?。?chuàng)新型原則的局限性，工件的精度會(huì)有所提高，但是在母機(jī)床很 難達(dá)到納米尺度的情況下，起到的作用很有限甚至可以忽略不計(jì)。 微量切削原則，精加工高精度工件時(shí)，刀具的尺度要足夠小。微量切削原則的局限性，想要達(dá)到納米尺度的工件，需要納米尺 度刀具，顯然在普通制造是不可能的。穩(wěn)定加

5、工原則，精加工高精度工件時(shí)，加工工件要盡可能穩(wěn)定。 穩(wěn)定加工原則的局限性，普通制造必然產(chǎn)生振動(dòng)，熱變形，應(yīng)力, 再怎么穩(wěn)定，也達(dá)不到納米尺度。從上述方法可知，依靠普通制造，完全不能滿足納米制造的要求, 納米制造和普通制造的差異在于方法的不同，普通制造只是傳統(tǒng) 的精加工，而納米制造則是自上而下或自下而上的新型加工方法。三自上而下的方法自上而下，對(duì)塊體材料進(jìn)行切割處理，得到所需的材料和結(jié)構(gòu)。 尺度取決于加工工件。1定型機(jī)械納米加工，強(qiáng)化刀具的精度來(lái)保證工件的外形尺寸精 度。目前有金剛石切削、微米銃削、微納米磨削等方法。金剛石刀具超精密切削技術(shù)，利用數(shù)控方法直接控制加工輪廓和 表面粗糙度。采用恒溫油

6、淋浴系統(tǒng)，消除加工中的熱變形。2磨粒納米加工，包括研磨技術(shù)、拋光技術(shù)和磨削技術(shù)。研磨加 工中的一種主要方法，化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)是目前應(yīng)用非常好的技 術(shù)?；瘜W(xué)機(jī)械拋光技術(shù)(Chemical Mechanical Polishing, CMP )拋光利用固相反應(yīng)拋光原理的方法。磨粒與拋光液在一起，當(dāng)工件與磨粒接觸時(shí)，它們的摩擦導(dǎo)致產(chǎn)生高溫高壓，在短時(shí)間就產(chǎn)生了固相反應(yīng)，由摩擦力去除了反應(yīng)物，實(shí)現(xiàn)了去除拋光。CM肢術(shù)加工效率高，表面粗糙度低，可用于硅集成電路以及高性能集成電路的制造。3光刻加工在半導(dǎo)體器件和集成電路制造中，用感光性樹(shù)脂材料(光刻膠)在控制光照的條件下，短時(shí)間內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在硅片等材料

7、上 獲得一定幾何圖形的抗蝕保護(hù)層。最近在提高分辨率的傳統(tǒng)光學(xué)曝光之外，有X射線、電子束和極端遠(yuǎn)紫外線光刻技術(shù)等新型技術(shù)的興起。四自下而上的方法自下而上，自組裝技術(shù)，以分子尺度材料為組成部分構(gòu)造納米尺 度裝置的方法。1納米顆粒、碳納米管和納米絲自組裝，納米顆粒自動(dòng)形成單層、 薄膜和超晶格中具有特定大小并被一層有機(jī)物包裹的納米顆粒是 在原子尺度保持有序地硬核，避免納米顆粒直接接觸而聚集。改 變分子鏈的長(zhǎng)度，可以改變其性質(zhì)。2探針納米加工(原子操作)掃fit探針顯微術(shù)(Scanning Probe Microscopy, SPM )是探針檢測(cè)技術(shù)，可以實(shí)時(shí)之道探針與原子的交互作用，從而得 知其表面特

8、性。原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy , AFM)三種作用原理，機(jī)械力，探針與物體表面直接接觸；電場(chǎng)，探針 上加一電壓，通過(guò)電場(chǎng)分解水膜，來(lái)氧化物體表面，制作網(wǎng)話務(wù) 結(jié)構(gòu)；場(chǎng)發(fā)射電流，探針與物體間加一電壓，探針作為電流來(lái)源, 為場(chǎng)發(fā)射電流曝光。五聯(lián)系納米制造與普通制造的實(shí)例一超光滑表面制造 隨著光電、電子行業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)于超光滑表面的要求也越來(lái) 越高，對(duì)材料的無(wú)損傷要求，使加工精度趨于或達(dá)到納米級(jí)。而 超光滑表面制造技術(shù)也經(jīng)歷了它的三個(gè)階段，冷加工階段，主要 還是普通制造的過(guò)程，改進(jìn)加工設(shè)備來(lái)達(dá)到提高精度的目標(biāo)。非 接觸方式階段，采用離子束加工的新型方法，無(wú)接觸地

9、加工，提 升了精度，接近了納米級(jí)精度?；瘜W(xué)機(jī)械拋光階段，使用最近研 發(fā)生的CM肢術(shù)，完全達(dá)到了納米級(jí)的要求。即納米制造。CM肢術(shù)于上文已經(jīng)簡(jiǎn)單介紹了，基本原理是在拋光液下，相對(duì) 運(yùn)動(dòng)物體與拋光墊，高溫壓條件下，拋光液磨損工件表面，并化 學(xué)腐蝕工件表面去除多余材料?，F(xiàn)如今是應(yīng)用最廣泛且效果很好 的一項(xiàng)技術(shù)。CM珅拋光液的作用至關(guān)重要，液中顆粒過(guò)大會(huì)磨 損鏡面，而反之則去除速率過(guò)慢，需要找到合適的微粉。從過(guò)去的普通制造由來(lái)的超光滑表面，近年來(lái)，運(yùn)用納米制造的 現(xiàn)代超光滑表面，已經(jīng)發(fā)展了很大一步，但仍存在著很多還沒(méi)有 解決的難題。CMP 勺加工機(jī)理及條件的改變所帶來(lái)的影響等實(shí)際 問(wèn)題并沒(méi)有完全弄清楚

10、。如摩爾定律所言，集成電路18個(gè)月就會(huì)翻一倍，雖然上不知道它的界限在哪里，但毫無(wú)疑問(wèn)，集成電路 的高密度化和高速化，仍然要求超光滑表面更高的精度。六結(jié)語(yǔ)納米制造技術(shù)是通過(guò)自上而下的方法，在普通制造的基礎(chǔ)上，更 進(jìn)一步地提高精度，或者是通過(guò)新型的自下而上的方法，來(lái)打破 界限，達(dá)到了納米級(jí)的尺度，而未來(lái)的制造技術(shù)應(yīng)該在如今納米 制造的技術(shù)上繼續(xù)發(fā)展，最終成為一種集信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò) 化、集成化、綠色環(huán)?；谝惑w的新型制造技術(shù)。七參考文獻(xiàn)1何丹農(nóng) 納米制造M上海：華東理工由版社 2011.12 2王國(guó)彪納米制造前沿綜述M北京：科學(xué)生版社20093朱靜 納米材料和器件M北京：清華大學(xué)生版社 20034常敏袁巨龍樓飛燕王志偉化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)概述R浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院浙江杭州3100145王中林從納米技術(shù)到納米制造J 納米科技2006 , 1:5-106蔣文波胡松