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(Richard Phillips Feynman，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’s Plenty of Room at the Bottom”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—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。

2. 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。

①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。

②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。

i) 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⇒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⇒实现纳米尺度上某个功能的

机械-- 纳米机械

3. 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。

②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。

③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：

i) 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。

ii) 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