先进制造技术论文复习课程.doc

Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。先进制造技术论文-关于微细和纳米加工技术的综述蒋彦龙（德州学院机电工程学院，山东德州）摘要：本文通过对微细和纳米加工的概念，特点，微细纳米加工技术在机械领域的应用及其在国内国外的发展情况，以及微细加工的部分工艺的描述，使我们对微细加工又一个新的认识，纳米加工的关键技术及其在微型机械和微型机电系统的应用。并且认识和了解我们国家在微细加工技术上的长处和不足，促进我们国家微细加工型业的发展。关键词：微细加工技术；纳米材料；纳米加工技术；微型机械；发展与趋势、现状一、引言：进入21世纪以来，就制造业来说，涌现了各种各样的先进制造技术，极大地丰富了人们的生产和生活方式。当然制造业面临全球化的挑战，需求也日益多样化，在生物、医学、航天航空、通信等领域开始对机械装置进行微型化来满足日益增长的要求。随着科技的发展，人们在不断追求机械装置的微型化，希望尽可能小的能耗，纳米机械将始终是科技发展的方向之一。20世纪后半叶，随着大规模集成电路技术和微型制造技术的发展，在计算机和信息技术以及其他许多领域引发了一场微型化革命。此后，作为研究微型机械工作原理和设计理论与方法的纳米机械学得到迅速发展并成为机械科学技术中的前沿领域。所以我们有理由有必要加快这一领域的发展和开发进程。本文对微细纳米加工技术的发展历程、当今的应用以及未来的发展方向展开论述。二、微细加工技术2.1、微细加工技术的概念和特点微细加工技术是指加工微小尺寸零件的生产加工技术。从广义的角度来讲，微细加工包括各种传统精密加工方法和与传统精密加工方法完全不同的方法，如切削技术，磨料加工技术，电火花加工，电解加工，化学加工，超声波加工，微波加工，等离子体加工，外延生产，激光加工，电子束加工，粒子束加工，光刻加工，电铸加工等。从狭义的角度来讲，微细加工主要是指半导体集成电路制造技术，因为微细加工和超微细加工是在半导体集成电路制造技术的基础上发展的，特别是大规模集成电路和计算机技术的技术基础，是信息时代微电子时代，光电子时代的关键技术之一。微机械的微细加工技术有以下特点：(1)从加工对象上看，微细加工不但加工尺度极小，而且被加工对象的整体尺寸也很微小；(2)由于微机械对象的微小性和脆弱性，仅仅依靠控制和重复宏观的加工相对运动轨迹达到加工目的，已经很不现实。必须针对不同对象和加工要求，具体考虑不同的加工方法和手段；(3)微细加工在加工目的、加工设备、制造环境、材料选择与处理、测量方法和仪器等方面都有其特殊要求。（4）加工机理与一般加工相比，存在很大差异。由于加工单位的急剧减小，此时必须考虑晶粒在加工中的作用。假定把软钢材料毛坯切削成一根直径为0.1mm、精度为0.01mm的轴类零件。实际加工中，对于给定的要求，车刀至多只允许能产生0.01mm切屑的吃刀深度；而且在对上述零件进行最后精车时，吃刀深度要更小。2.2、微细加工工艺2.2.1集成电路工艺2000年以来，电子信息取代石油、钢铁等传统产业，成为全球第一大产业。发达国家经济增长的65%与集成电路相关。2001年世界集成电路市场份额，美国约占40%，日本25%，韩国12%，中国仅为2.1%。目前我国已有五、六十条芯片生产线，到2010年，IC领域上我国要占世界市场份额的5%以上。作为信息产业基础的集成电路，是21世纪国家生存与发展的物质与技术基础。正因为如此，世界主要国家都十分重视集成电路产业的发展，纷纷制定面向21世纪的集成电路发展规划，整合国内科技资源，成立国际科技合作组织，抢占制高点，以掌握未来信息技术的核心主动权。IC所用的材料主要是硅、锗和砷化镓等，全90%以上IC都采用硅片。制造IC的硅片，不仅要求具有极高的平面度和极小的表面粗糙度，而且要求表面无变质层、无划伤。单晶硅片的超精密加工（包括超精密磨削、研磨和抛光）工艺和设备在IC制造过程中具有重要作用，是IC制造的关键技术。主要分为以下几个步骤：（1）单晶生长（2）氧化（3）光刻（4）硅片测试（5）包括封装和芯片测试2.2.2薄膜成形技术薄膜材料种类很多，根据不同使用目的可以是金属，半导体硅、锗、绝缘体玻璃，陶瓷等。从导电性考虑，可以是金属、半导体、绝缘体或超导体；从结构考虑，可以是单晶、多晶、非晶或超晶格材料；从化学组成来考虑可以是单质、化合物或无机材料、有机材料等。化学气相沉积是在容器中通以气相的、用以构成薄膜材料化学物质，使其在加热的基片表面进行高温化学反应，从而在基片上形成薄膜的技术。离子镀膜：将一定能量的离子束轰击某种材料制成的靶，离子将靶材粒子击出，使其镀覆到靶材附近的工件表面上。离子镀膜层的附着力强，镀层组织紧密。可镀各种金属、非金属、化合物、半导体。2.2.3光刻工艺由于电子质量极轻，在感光胶中的散射范围很大，这些散射电子会影响邻近电路图形的曝光质量，因而邻近效应很难控制。为了提高生产率和减小邻近效应，目前正在广泛研究限定角度投影电子束光刻技术。电子束光刻的主要缺点在于产出量，加工过程较慢，不能用于制造大多数集成电路。离子束曝光技术具有一些电子束无法比拟的优点，与电子相比，最轻的离子也要比电子重近2000倍。因此离子在感光胶中散射范围极小，邻近效应几乎为零。此外，由于离子质量重，在同样的能量下，感光胶对离子的灵敏度要比对电子高数百倍。2.3、微加工技术及微机械的特性尺寸效应是微机械系统中许多性能不同于宏观传统机械系统的重要原因，微机械系统具有的主要特性是：1）由于尺寸很小，重力的影响被表面力所取代2）材料强度增加3）表面零件的强度变化4）制作精度降低5）机电一体化系统微机械由于尺寸的减小，其尺寸效应使微机械显现出许多新的特性，使得制造和装配都非常困难，原有的机械加工方法远远不能满足需要，因此，像激光束、电子束、化学腐蚀等加工方法是常用的方法。1材料目前最常用的结构材料是硅，一方面是因为硅具有优良的力学性能和电性能，另一方面是硅的加工工艺和手段比较完善。除了硅材料外其他半导体材料、石英、玻璃、陶瓷、金属薄膜等材料也可作为微型机械结构材料。2腐蚀法这种工艺方法从硅衬底材料上有选择地出去大量材料，从而形成所需要的模片、沟、槽等结构。同时又分为采用液相腐蚀的事发腐蚀和采用气相和等离子态腐蚀的干法腐蚀。3表面淀积法利用硅片表面薄膜的淀积法获得机械结构4MEMS封装技术相比成熟的集成电路的封装技术，MEMS封装技术含有各种微机械结构，并需要与电信号以外的其他物理量相互作用，因为更复杂，并能大大降低封装成本。5CAD技术对微型机械来说，CAD技术可以优化微型机械的结构和工艺，缩短设计周期，有助于发现处理微小范围内的力、热、电磁等能量之间的相互作用。6微型机械测试技术测试技术是微型机械加工技术的重要组成部分，因为微型结构以及整个微型机械系统的各项参数的获得，是保证加工质量、研究加工规律的基础。7微型机械装配技术由于微型机械器件尺寸小、重量轻、要求精度高，一般传统机械的装配技术不适用于微型机械的装配，需要研究采用特殊的装配技术和系统。目前主要是主从装配系统、自动化装配系统和使用微机械手装配。三、纳米加工技术纳米技术是一门在0.1100nm的尺度空间内研究电子、原子和分子等的结构特性、运动规律和相互作用的崭新学科，它是现代物理(介观物理、量子力学、混浊物理)和先进技术(微电子、计算机、扫描隧道显微技术)相结合的产物，并由此派生出一系列的新兴学科。"纳米"是英文nano的译名，是一种长度单位，原称毫微米，就是10的-9次方米（10亿分之一米）。纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构。纳米科技是在20世纪80年代末90年代初逐步发展起来的前沿性、交叉性新兴学科领域。“纳米技术”已经成为当今世界的标志性词组之一，纳米技术几乎已经深入到当代社会生活的所有领域。3.1纳米技术包含下列四个主要方面（1）纳米材料：当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。这一特性，主要用于制造微特电机。如果将技术发展到一定的时候，用于制造磁悬浮，可以制造出速度更快、更稳定、更节约能源的高速度列车。（2）纳米动力学，主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统（MEMS),用于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.用的是一种类似于集成电器设计和制造的新工艺。特点是部件很小，刻蚀的深度往往要求数十至数百微米，而宽度误差很小。这种工艺还可用于制作三相电动机，用于超快速离心机或陀螺仪等。在研究方面还要相应地检测准原子尺度的微变形和微摩擦等。理论上讲：可以使微电机和检测技术达到纳米数量级。（3）纳米生物学和纳米药物学，如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定dna的粒子，在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分子间互作用的试验，磷脂和脂肪酸双层平面生物膜，dna的精细结构等。有了纳米技术，还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件使构成新的材料。新的药物，即使是微米粒子的细粉，也大约有半数不溶于水；但如粒子为纳米尺度（即超微粒子），则可溶于水。（4）纳米电子学，包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光/电性质、纳米电子材料的表征，以及原子操纵和原子组装等。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷,更小,是指响应速度要快。更冷是指单个器件的功耗要小。但是更小并非没有限度。纳米技术是建设者的最后疆界，它的影响将是巨大的。）3.2扫描探针显微镜(SPM）及其在纳米加工中的应用纳米加工技术进入实用阶段出现在80年代以后。80年代初，IBM公司瑞士苏黎士研究所的物理学家发明了扫描隧道显微镜STM，这项成就使他们在1986年获得了诺贝尔奖。作为继光学显微镜和电子显微镜之后的第三代显微镜，它以迄今最高的原子级分辨率为我们揭开了一个不但“可见”，而且“可及”的原子和分子世界。因为到80年代末，STM已不仅仅是一个观察手段，而且成为借助于隧道电流效应可对原于进行迁移、排布的工具。（1）用SPM的探针直接进行雕刻加工在生产中加工超大规模集成电路时用的电子束光刻加工，最小线宽为0.09m。受到电子束聚焦的限制，加工最小线宽要小于0.1m就有较大难度。使用AFM导电探针，控制探针和试件间的偏压，由于针尖端极尖锐可以将针尖处的电子束聚焦到极细，再采用常规的光刻工艺，使试件表面光刻胶局部感光，将未感光的光刻胶去除，再进行化学腐蚀，即可获得极精微的光刻图形，（2）用多针尖的SPM进行加工用SPM进行纳米级加工，不仅效率低，而且最大加工尺寸受到最大扫描距离的限制。最近国外采用多针尖的SPM，不仅可以进行形貌检测，也可以用于纳米级加工。由于各针尖的微悬臂上都带有Si压敏电阻偏转传感器和压电扫描器，故各针尖可以互不干扰地独立工作。相当于几台SPM同时在工作，故不仅成倍地提高了工作效率，同时使最大加工尺寸也成倍地加大。3.3纳米技术及其在机械工业中的应用（1）纳米技术在微机械领域中的应用：随着纳米技术应用途径的不断拓宽微机械的开发在全世界方兴未艾。例如进入人体的医疗机械和管道自动检测装置所需的微型齿轮、电机、传感器和控制电路等。制造这些具有特定功能的纳米产品。其技术路线可分为两种：一是通过微加工和固态技术不断将产品微型化；二是以原子、分子为基本单元，根据人们的意愿进行设计和组装从而构筑成具有特定功能的产品。2）纳米技术在包装机械领域中的应用：采用纳米材科技术对包装机关键零部件(如轴承、齿轮、弹簧等)进行金属表面纳米粉涂层处理，可以提高设备的耐磨性、硬度和寿命。碳纳米管还具有较高的机械强度和较高的热导率。由于具有非常大的长度一直径比，可以制造出任何复杂形状的零件，是复合材料理想的增强纤维。目前，用价格低廉的纳米塑料制成的齿轮、陶瓷轴承、纳米陶瓷蚊辊、电雕辊等印刷包装机械零件已走进企业开始代替金属材料。（3）纳米技术在食品机械领域中的应用：纳米SiC、Si，N在较宽的波长范围内对红外线有较强的吸收作用可用作红外吸波和透波材料，做成功能性薄膜或纤维。纳米Si3N非晶块具有从黄光到近红外光的选择性吸收也可用于特殊窗口材料，以纳米Si0，做成的光纤对600nm以上波长光的传输损耗小于10dBkm以纳米Si0，和纳米Ti0，制成的微米级厚的多层干涉膜透光性好而反射红外线能力强与传统的卤素灯相比。3.4纳米技术在机械中的应用的实例(1) 纳米新型金属陶瓷刀具合肥工业大学材料学院承担的国家科技攻关地方重大项目纳米TiN、AlN改性的Tic基金属陶瓷刀具制作技术已通过鉴定，这标志着一种利用纳米材料制作的新型金属陶瓷刀具问世。(2) 纳米磁性液体密封超细粉碎机械气流磨进行超细粉生产因为污染少、效率高，因而是加工生产sic、Al：0，等高硬度物料超细粉体的理想手段。目前工业发达国家较多采用磁性液体密封，磁性液体是一种同时具有磁性和流动性的新型材料(普通材料不能同时具有这两种性能，例如铁熔化后的铁水就没有磁性)。这样使用时可以用磁场将磁性液体固定在密封处形成一个磁液0形圈，从而达到密封的目的。(3) 无摩擦的微型纳米轴承美国科学家研制出一种几乎没有摩擦且直径仅为一根头发的万分之一的微型纳米轴承。这种纳米轴承在运动时几乎没有磨损和撕裂，能够作为微型装置的重要元件。微型机械的尺寸相当于一根头发的直径，而纳米机电系统的尺寸仅为1nm，是微型机械的千分之一。如纳米管的厚度为几纳米，长度为几千纳米。在微型机电系统中摩擦是一个大问题，但这种纳米轴承却几乎没有摩擦，与通常的以硅或氮化硅制造的微型机械装置的最小摩擦极限相比，纳米轴承的摩擦仅为其千分之一。(4) 纳米发动机材料纳米复合氧化锆是目前最成功应用在工业上的纳米材料之一。纳米复合锆系列材料，显著提高了材料的耐高温性能和导氧及储氧功能，被广泛应用在欧美市场上最新汽车发动机及尾气排放控制系统中。(5) 纳米润滑荆润滑是降低摩擦、减小或避免磨损的最有效技术。如果用纳米材料作为润滑剂，有关部件就不需频繁替换，交通工具使用寿命会更长。3.5.纳米加工技术与微型机械纳米加工技术的出现使微型机电系统进入了一个广阔的崭新领域。集成的微型机电系统日本称为微型机械。美国则称为微型机电系统(MicroElectroMechanicalSystems-MEMS)。(1)微型机械现在微型机械的研究已达到较高水平，已能制造多种微型零件和微型机构。已研制成功的三维微型机械构件有微齿轮、微弹簧、微连杆、微轴承等微执行器是比较复杂、难度大的微型器件。研制成功的有微阀、微泵、微开关、微电动机等。(2)微型机电系统MEMS是在微电子工艺基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。是纳米加工技术走向实用化。能产生经济效益的主要领域。比如：1）微型机器人是一个非常复杂的机电系统。美国正在研制的无人驾驶飞机仅有蜻蜓大小。并计划进一步缩小成蚊子机器人。用于收集情报和窃听。医用超微型机器人是最有发展前途的应用领域。它可进入人的血管。从主动脉管壁上刮去堆积的脂肪，疏通患脑血栓病人阻塞的血管日本制定了采用机器人外科医生的计划。并正在开发能在人体血管中穿行、用于发现并杀死癌细胞的超微型机器人2）微型惯性仪表：惯性仪表是航空、航天、航海中指示方向的导航仪器，由于要求体积小、重量轻、精度高、工作可靠因此是微型机电系统应用的理想领域现在国外已有微型加速度几何微型陀螺仪的商品生产。体积和重量都很小。但尚需提高精度。随着现代机械制造技术发展的日新月异，纳米加工技术所包含的内容越来越丰富，它在微型机械加工中的应用也越来越受到关注。从总体上来讲，微型机械的纳米加工技术主要包括以下几个方面：1、微系统设计技术主要是微结构设计数据库、有限元和边界分析、CAD/CAM仿真和拟实技术、微系统建模等，微小型化的尺寸效应和微小型理论基础研究也是设计研究不可缺少的课题，如：力的尺寸效应、微结构表面效应、微观摩擦机理、热传导、误差效应和微构件材料性能等。2、微细加工技术主要指高深度比多层微结构的硅表面加工和体加工技术，利用X射线光刻、电铸的LIGA和利用紫外线的准LIGA加工技术；微结构特种精密加工技术包括微火花加工、能束加工、立体光刻成形加工；特殊材料特别是功能材料微结构的加工技术；多种加工方法的结合；微系统的集成技术；微细加工新工艺探索等。3、微型机械组装和封装技术主要指沾接材料的粘接、硅玻璃静电封接、硅硅键合技术和自对准组装技术，具有三维可动部件的封装技术、真空封装技术等新封装技术的探索。4、微系统的表征和测试技术主要有结构材料特性测试技术，微小力学、电学等物理量的测量技术，微型器件和微型系统性能的表征和测试技术，微型系统动态特性测试技术，微型器件和微型系统可靠性的测量与评价技术。四、微细加工和精密加工在国内外的发展现状在微细加工技术领域起步最早和技术领先的国家是美国，其次是日本和欧洲的一些国家。美国超精密加工技术的发展得到了政府和军方的财政支持，美国至少有30多个厂家和研究单位研制和生产各种超精密加工机床，国家劳伦斯.利佛摩尔实验室、联合碳化物公司、摩尔公司、杜邦公司等在国际上均久负盛名。美国最早研制了能加工硬脆材料的6轴数控超精密研磨抛光机；联合碳化物公司开发了直径为800mm的非球面光学零件的超精密加工机床；劳伦斯.利佛摩尔实验室还开发了能加工陶瓷、硬质合金、玻璃和塑料等难加工材料的超精密切削机床，在半导体工业、航空工业和医疗器械工业中投入使用；珀金-埃尔默等公司用超精密加工技术加工各种军用红外零部件。我国在科技部、国家自然基金委，教育部和总装备部的资助下，一直在跟踪国外的微型机械研究，积极开展MEMS的研究。现有的微电子设备和同步加速器为微系统提供了基本条件，微细驱动器和微型机器人的开发早已列入国家863高技术计划及攀登计划B中。已有近40个研究小组，取得了以下一些研究成果。广东工业大学与日本筑波大学合作，开展了生物和医用微型机器人的研究，已研制出一维、二维联动压电陶瓷驱动器，其位移范围为10m×10m；位移分辨率为0.01m，精度为0.1m，正在研制6自由度微型机器人；长春光学精密机器研究所研制出直径为3mm的压电电机、电磁电机、微测试仪器和微操作系统。上海冶金研究所研制出了微电机、多晶硅梁结构、微泵与阀。上海交通大学研制出2mm的电磁电机，南开大学开展了微型机器人控制技术的研究等。五、微细加工的发展前景与趋势微细加工技术是精密加工技术的一个分支，面向微细加工的电加工技术,激光微孔加工、水射流微细微细加工技术是精密加工技术的一个分支，面向微细加工的电加工技术,激光微孔加工、水射流微细切割技术等等在发展国民经济，振兴我国国防事业等发面都有非常重要的意义，这一领域的发展对未来的国民经济、科学技术等将产生巨大影响，随着20世纪80年代后期微机械、微机电系统这一门新兴交叉学科的兴起,微细加工技术作为获得微机械、微机电系统的必要手段,得到了快速的发展。微细加工技术起源于平面硅工艺,随着半导体器件、集成电路、微型机械等技术的发展与需求,微细加工技术已经成为一门多学科交叉的制造系统工程和综合高新技术,广泛应用于医疗、生物工程、信息、航空航天、半导体工业、军事、汽车等领域,给国民经济、人民生活和国防、军事等带来了深远的影响,被列为21世纪关键技术之一。微型机械是一个新兴的、多学科交叉的高科技领域，面临许多课题，涉及许多关键技术。微型机械不是传统机械直接微型化，它远超出了传统机械的概念和范畴。微型机械在尺度效应、结构、材料、制造方法和工作原理等方面，都与传统机械截然不同。微系统的尺度、物理特性研究、设计、制造和测试研究是微系统领域的重要研究内容。六、小结综上所述，微细加工及纳米技术是近十多年来逐步发展起来的一门前沿性与综合性交叉的新学科，是现代科学和现代技术相结合的产物，它的迅猛发展将引发21世纪新的工业革命。微细加工作为精密和超精密加工的一个分支，在国防和众多领域都显示了它本身的重要性，最为我们国家，在这一领域的发展还存在着严重的不足，要像是我们国家的科技实力，国防实力，以及经济实力持续稳定健康的发展，都必须积极的发展和创新在这一科技领域的技术，不断的改善完善技术工艺，是我们国家在这一科技领域走到世界的前沿。参考文献1. 王先逵主编，微细和超精密加工技术，机械工业出版社北京1999.102. 唐苏亚纳米技术在微机械领域中的应用J微电机，2002赵义善，引人注目的高新材料-纳米材料航空制造工程，1999，24.曹茂盛.超微颗粒制备科学与技术.哈尔滨：工业出版社，1998：8-