微纳加工大致可以分为“自上而下”和“自下而上”两类。“自上而下”是从宏观对象出发,以光刻工艺为基础,对材料或原料进行加工,小结果尺寸和精度通常由光刻或刻蚀环节的分辨力决定。“自下而上”技术则是从微观世界出发,通过控制原子、分子和其他纳米对象的相互作用力将各种单元构建在一起,形成微纳结构与器件。基于光刻工艺的微纳加工技术主要包含以下过程:掩模(mask)制备、图形形成及转移(涂胶、曝光、显影)、薄膜沉积、刻蚀、外延生长、氧化和掺杂等。在基片表面涂覆一层某种光敏介质的薄膜(抗蚀胶),曝光系统把掩模板的图形投射在(抗蚀胶)薄膜上,光(光子)的曝光过程是通过光化学作用使抗蚀胶发生光化学作用,形成微细图形的潜像,再通过显影过程使剩余的抗蚀胶层转变成具有微细图形的窗口,后续基于抗蚀胶图案进行镀膜、刻蚀等可进一步制作所需微纳结构或器件。 在微纳加工过程中,薄膜的形成方法主要为物理沉积、化学沉积和混合方法沉积。宜宾MENS微纳加工
研究应着眼于开发一种新型的可配置、可升级的微纳制造平台和系统,以降低大批量或是小规模定制产品的生产成本。新一代微纳制造系统应满足下述要求:(1)能生产多种多样高度复杂的微纳产品;(2)具有微纳特性的组件的小型化连续生产;(3)为了掌握基于整个生产加工链制造的知识,新设计和仿真系统的产品开发过程的全部跨学科知识进行条理化和储存;(4)为了保证生产的灵活性和适应性,应确保在分布式制造中各企业的有效合作,以支撑通过新型商业生产、管理和物流方法来实现的中小型企业在综合制造网络中的有效整合;(5)是一个拥有更高级的智能和可靠性、可根据相应环境自行调整设置及生产加工参数的、可嵌入整个生产制造行业的制造系统;(6)新型可快速配置和价格适中的微纳制造系统,融入了面向任务和可重复配置的理念,能够实现连续的系统升级和无缝重复配置。黄石微纳加工应用光刻胶是微纳加工中微细图形加工的关键材料之一。
微纳加工-薄膜沉积与掺杂工艺。在微纳加工过程中,薄膜的形成方法主要为物理沉积、化学沉积和混合方法沉积。蒸发沉积(热蒸发、电子束蒸发)和溅射沉积是典型的物理方法,主要用于沉积金属单质薄膜、合金薄膜、化合物等。热蒸发是在高真空下,利用电阻加热至材料的熔化温度,使其蒸发至基底表面形成薄膜,而电子束蒸发为使用电子束加热;磁控溅射在高真空,在电场的作用下,Ar气被电离为Ar离子高能量轰击靶材,使靶材发生溅射并沉积于基底;磁控溅射方法沉积的薄膜纯度高、致密性好,热蒸发主要用于沉积低熔点金属薄膜或者厚膜;化学气相沉积(CVD)是典型的化学方法而等离子体增强化学气相沉积(PECVD)是物理与化学相结合的混合方法,CVD和PECVD用于生长氮化硅、氧化硅等介质膜。真空蒸镀,简称蒸镀,是指在真空条件下,采用一定的加热蒸发方式蒸发镀膜材料(或称膜料)并使之气化,粒子飞至基片表面凝聚成膜的工艺方法。蒸镀是使用较早、用途较广的气相沉积技术,具有成膜方法简单、薄膜纯度和致密性高、膜结构和性能独特等优点。
当前纳米制造技术在环境友好方面有望大展身手的一些领域:1、照明:对于传统的白炽光源来说,LEDs是一种高效能的替代,纳米技术可用来开发更多新的光源。2、发动机/燃料效率:采用纳米颗粒燃料添加剂能够减少柴油机的能耗并改善局部空气质量。微纳材料也用来改善飞机涡轮叶片的热阻性能,使得发动机可以在更高的温度下继续运转,进而提高整个发动机的效率。3、减重:新型较强度复合材料能够减轻材料的重量。未来的目标包括:在金属合金和塑料中掺杂纳米管来减少飞机的重量;改进橡胶配方中掺杂入轮胎的纳米颗粒;利用通过纳米技术制得的汽车等的催化式排气净化器优化车内燃料的燃烧过程。通过光刻技术制作出的微纳结构需进一步通过刻蚀或者镀膜,才可获得所需的结构或元件。
微纳制造包括微制造和纳制造两个方面。(1)微制造有两种不同的微制造工艺方式,一种是基于半导体制造工艺的光刻技术、LIGA技术、键合技术、封装技术等,这些工艺技术方法较为成熟,但普遍存在加工材料单一、加工设备昂贵等问题,且只能加工结构简单的二维或准三维微机械零件,无法进行复杂的三维微机械零件的加工;另一种是机械微加工,是指采用机械加工、特种加工及其他成形技术等传统加工技术形成的微加工技术,可进行三维复杂曲面零件的加工,加工材料不受限制,包括微细磨削、微细车削、微细铣削、微细钻削、微冲压、微成形等。(2)纳制造纳制造是指具有特定功能的纳米尺度的结构、器件和系统的制造技术,包括纳米压印技术、刻划技术、原子操纵技术等。提高微纳加工技术的加工能力和效率是未来微纳结构及器件研究的重点方向。濮阳微纳加工工艺
新一代微纳制造系统应满足的要求:具有微纳特性的组件的小型化连续生产。宜宾MENS微纳加工
溅射镀膜有两种方式:一种称为离子束溅射,指真空状态下用离子束轰击靶表面,使溅射出的粒子在基体表面成膜,该工艺较为昂贵,主要用于制取特殊的薄膜;另一种称为阴极溅射,主要利用低压气体放电现象,使处于等离子状态下的离子轰击靶面,溅射出的粒子沉积在基体上。它采用平行板电极结构,膜料物质做成的大面积靶为阴极,支持基体的基板为阳极,安装于钟罩式真空容器内。为减少污染,先将钟罩内的压强抽到小于10-3~10-4Pa,然后充入Ar气,使压强维持在1~10Pa。在两极之间加数千伏的电压进行溅射镀膜。与蒸发镀膜相比,溅射镀膜时靶材(膜料)无相变,化合物成分稳定,合金不易分馏,因此适合制备的膜材非常广。由于溅射沉积到衬底上的粒子能量比蒸发时的能量高50倍,它们对衬底有清洗和升温作用,所以形成的薄膜附着力大。特别是溅射镀膜容易控制膜的成分,通过直接溅射或者反应溅射,可以制备大面积均匀的各种合金膜、化合物膜、多层膜和复合膜。溅射镀膜易实现连续化、自动化作业和规模化生产。但是,由于溅射时要使用高电压和气体,所以装置比较复杂,薄膜易受溅射气氛的影响,薄膜沉积速率也较低。此外,溅射镀膜需要事先制备各种成分的靶,装卸靶不太方便。 宜宾MENS微纳加工