微系统与纳米技术
微纳米加工技术及其应用
绪论1：纳米技术是制造和应用具有纳米量级的功能结构的技术，这些功能结构至少在一个方向的几何尺寸小于100nm。
2：微纳米技术包括集成电路技术，微系统技术和纳米技术；而微纳米加工技术可获得微纳米尺度的功能结构和器件。
3：平面集成加工是微纳米加工技术的基础，其基本思想是将微纳米机构通过逐层叠加的方式筑在平面衬底材料上。
（类似于3d打印机？）4：微纳米加工技术由三个部分组成：薄膜沉积，图形成像（必不可少），图形转移。
如果加工材料不是衬底本身材料需进行薄膜沉积，成像材料的图形需转化为沉积材料的图形时需进行图形转移。
（衬底材料，成像材料，沉积材料的区别和联系）5：图形成像工艺可分为三种类型：平面图形化工艺，探针图形化工艺，模型图形化工艺。
平面图形化工艺的核心是平行成像特性，其主流的方法是光学曝光即“光刻“技术；探针图形化工艺是一种逐点扫描成像技术，探针既有固态的也有非固态的，由于其逐点扫描，故其成像速度远低于平行成像方法；模型图形化工艺是利用微纳米尺寸的模具复制出相应的微纳米结构，典型工艺是纳米压印技术，还包括模压和模铸技术。
6：微米加工和纳米加工的主要区别体现在被加工结构的尺度上，一般以100nm 作为分界点。
光学曝光技术1：光学曝光方式和原理可分为掩模对准式曝光和投影式曝光。
其中，掩模对准式曝光又可分为接触式曝光和邻近式曝光，投影式曝光又可分为1∶1投影和缩小投影（一般为1∶4和1∶5）。
接触式曝光可分为硬接触和软接触。
其特点是：图形保真度高，图形质量高，但由于掩模与光刻胶直接接触，掩模会受到损伤，使得掩模的使用寿命较低。
采用邻近式曝光可以克服以上的缺点，提高掩模寿命，但由于间隙的存在，使得曝光的分辨率低，均匀性差。
掩模间隙与图形保真度之间的关系W=k√其中w为模糊区的宽度。
掩模对准式曝光机基本组成包括：光源（通常为汞灯），掩模架，硅片台。
适用范围：掩模对准式曝光已不再适用于大规模集成电路的生产，但却广泛应用于小批量，科研性质的以及分辨率要求不高的微细加工中。
微纳米机电系统
微纳机电系统微/纳米科学与技术是当今集机械工程、仪器科学与技术、光学工程、生物医学工程与微电子工程所产生的新兴、边缘、交叉前沿学科技术。
微/纳米系统技术是以微机电系统为研究核心，以纳米机电系统为深入发展方向，并涉及相关微型化技术的国家战略高新技术。
微机电系统(Micro Electro Mechanical System, MEMS ) 和纳机电系统(Nano Electro Mechanical System, NEMS )是微米/纳米技术的重要组成部分，逐渐形成一个新的技术领域。
MEMS已经在产业化道路上发展，NEMS还处于基础研究阶段。
一、引言从微小化和集成化的角度，MEMS (或称微系统)指可批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通讯和电源等于一体的微型器件或系统。
而NEMS(或称纳系统) 是90年代末提出来的一个新概念，是继MEMS 后在系统特征尺寸和效应上具有纳米技术特点的一类超小型机电一体的系统，一般指特征尺寸在亚纳米到数百纳米，以纳米级结构所产生的新效应(量子效应、接口效应和纳米尺度效应) 为工作特征的器件和系统。
二、纳米系统的意义、应用前景微纳系统的意义应用前景由于微/纳机电系统是一门新兴的交叉和边缘学科，学科还处于技术发展阶段，在国内外尚未形成绝对的学科和技术优势；微/纳米技术还是一项支撑技术，它对应用背景有较强的依赖性，目前它的主要应用领域在惯导器件、军事侦察、通信和生物医学领域，以及微型飞机和纳米卫星等产品上。
2.1 .重要的理论意义和深远的社会影响微/纳米系统技术是与其它广泛学科具有互动作用的重要的综合技术，涉及学科领域广泛。
微/纳米系统技术是认识和改造微观世界的高新技术，微/纳米系统是结构集成化、功能智能化的产物。
微/纳米系统表现出的智能化程度高、实现的功能趋于多样化。
例如，微机电系统不仅涉及到微电子学、微机械学、微光学、微动力学、微流体学、微热力学、材料学、物理学、化学和生物学等广泛学科领域，而且会涉及从材料、设计、制造、控制、能源直到测试、集成、封装等一系列的技术环节。
微纳米制造技术
etching)工艺可以称得上是微电子工艺中最为关键的 技术，决定着制造工艺的先进程度。光刻就是，在超净环境中，将掩 膜上的几何图形转移到半导体晶体表面的敏光薄材料上的工艺过程。 而此处的敏光薄材料就是指光刻胶（photoresist）。光刻胶又称光 致抗蚀剂、光阻或光阻剂，由感光树脂、增感剂和溶剂三种主要成分 组成的对光敏感的混合液体。感光树脂经光照后，在曝光区能很快地 发生光固化反应，使得这种材料的物理性能，特别是溶解性、亲合性 等发生明显变化。经适当的溶剂处理，溶去可溶性部分，得到所需图 像。
先进制造技术 复形工艺
复形工艺是利用具有微纳米尺寸技术的模具在抗蚀剂或基片上直 接复制出相应的微纳米结构的一种微纳制造方法。复形工艺主要包括： 纳米压印、微接触印刷、塑料模压技术和模铸技术等。纳米压印光刻 技术是将传统的模具复型原理应用到微观制造领域，它是一种新型的 微纳米制造技术，具有超低成本、高精度和高生产率的显著优点。与 传统光刻工艺相比，它是一种使用模具通过抗蚀剂的受力变形实现其 图形化的技术。因此，纳米压印光刻工艺的分辨率不受光的驻波效应、 抗蚀剂表面光反射、抗蚀剂内部光散射、衬底反射和显影剂等因素的 限制，可以突破传统光刻工艺的分辨力极限。
先进制造技术 目录 Contents
微纳米制造技术基本概念 微纳米制造技术分类 光刻工艺 刻蚀工艺 复型工艺
先进制造技术
微纳米制造技术基本概念
微机电系统技术主要涉及0.1μm到数毫米尺度范围内的传感器、微执行器和微系统 的研究开发，它以单晶硅为基本材料，以光刻并行制造为主要加工特点，采用微电子工 艺设备结合其他特殊工艺设备作为加工手段。纳米尺度一般是指1～100nm，纳米科学 是研究纳米尺度范畴内原子、分子和其他类型物质运动和变化的科学，而在同样尺度范 围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术则称为纳米技术，纳米尺度的机电系统则称 作纳机电系统。
纳米测量技术现在与未来
ห้องสมุดไป่ตู้
一、纳米测量产生的时代背景
测量技术与工业生产技术相互促进、相互提 高。可以说纳米测量正是顺应微电子工业集成电路 制作、机械工业和国防工业超精密加工的需要而发 展起来的。以微电子工业为例，美国Inter公司已经 在实验室内采用超短紫外线激光光刻技术成功地实 现了分辨率为130nm线路的制造工艺。美国不久前 提出的超电子学研发计划，要求未来的电子器件要 比现有的电子器件的存储密度高（ 5~100 ）倍，速 度快（ 10~100 ）倍，功耗则要小于现在器件功耗 的 2% 。要实现这一目标，电子器件的尺寸必将进 入纳米技术的尺度范围，即要小于100nm。为此， 微电子器件过渡到纳米电子器件是21世纪的必然。 2003年Serbin等采用飞秒激光诱导无机/有机混合材 料的双光子聚合，获得了结构尺寸小于200nm，周 期为450nm的三维结构和光子晶体。同时，机械工 业的超精密加工能力也已达到纳米量级。为由美
三、可实现纳米测量的技术和仪器
纳米级测量技术在本文专指：纳米级精度的尺 寸及位移的测量，纳米级表面形貌的测量。 近十几年来，随着测量技术的飞速发展，至今 已经出现了多种可以实现纳米测量的技术和仪器。 现在纳米级测量技术主要有两个发展方向：光干涉 测量技术和扫描显微测量技术。
1. 光干涉测量技术
这种方法是利用光的干涉条纹的提高其测量 分辨率。由于纳米级测量彩波长很短的激光或 X 射 线，故可以有很高的测量分辨率。光干涉测量技术 既可用于长度和位移的精确测量，也可用于表面显 微形貌的测量。下面介绍利用此原理的测量方法。 （1）双频激光干涉测量仪：图1是双频激光干 涉测量系统的原理图。双频激光干涉测量系统受环 境干扰的影响比单频激光测量系统要小很多，使测 量精度大大提高，因而这种测量系统得以广泛的生 产应用。常用的双频激光干涉测量系统测长度时分 辨率达到 0.01 μ m ，采用空气参数补偿后测量精度 达0.1μm以上。
纳米技术简介
纳米技术包含下列四个主要方面
第一方面是纳米材料(或称超微粒子，尺度小于100nm的粒子)，包括材料的制备和表征．在纳米尺度下，物质中电子的波动性以及原子的相互作用将受到尺寸大小的影响．如能得到纳米尺度的结构，就可能在不改变物质化学成分的情况下控制材料的基本性质，如熔点、磁性、电容甚至颜色等．纳米材料具有异乎寻常的性能．用超微粒子烧成的陶瓷，硬度可以更高，但不脆裂；无机超微粒子加入到橡胶中后，将粘在聚合物分子的端点上，由此做成的轮胎将大大减少磨损、延长寿命．
第二方面是纳米动力学(nanodynamics)，主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统(MEMS)．这主要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. MEMS用的是一种类似于集成电路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百微米，而宽度误差只允许万分之一，这种工艺还可用于制作转子直径为400μm的三相电动机，用空气作轴承，转速可达106rad／min—l07rad／min，调向时间小于1μs，用于超快速离心机或陀螺仪等．这方面的研究还要相应地检测准原子尺度的微变形和微摩擦等．虽然此研究目前尚未真正进人纳米尺度，但有很大的潜在科学价值和经济价值．
(3)纳米技术的应用前景
纳米技术不纯粹是材料科学的问题，获益的也不仅仅局限在材料科学方面，下列各个领域将因纳米技术的发展而得益．
电子和通讯： 如用纳米薄层和纳米点记录的全媒体存储器、平板显示器和其他全频道通讯工程和计算机用的器件等．对此，美国军方提出的初期指标是：在室温下，比现有的器件运算速度快10~100倍，信息存贮密度大5~100倍，能耗小50倍．将来则要求存贮密度和运算速度都要比现在大或快3——6个数量级，且廉价而节能．
纳米测试技术
精密测试技术论文纳米测试技术在微电子中的应用姓名：杜翠翠学号：04091055班级：04091102引言纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术。
纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物。
纳米技术兴起于20世纪80年代，随着它的逐步发展和完善，人类将必然在认识和改造自然方面进入一个前所未有的新阶段关键词：纳米技术，传感器，测试计量，存储技术一、课题研究背景微/纳米技术作为当前发展最迅速，研究广泛、投入最多的科学技术之一，被认为是当前科技发展的重要前沿。
在该科技中，微/纳米的超精密测量技术是代表性的研究领域，也是微/纳米科技得以发展的前提和基础。
在微/纳测量领域，基础问题包括纳米计量、纳米测量系统理论与设计、微观形貌测量等方面，主要研究问题和方向为：基于扫描电子显微镜的精密纳米计量、微纳坐标测量机（分子测量机）、基于干涉的非接触微观形貌测量、基于原子晶格作刻度的X 射线干涉测量及其与光学干涉仪的组合原理、纳米测量系统设计理论和微纳尺寸测量条件的研究等。
涉及的重要工程测量问题有：面向MEMS 和MOEMS 的微尺度测量、面向22 nm～45 nm极大规模集成电路制造的测量等。
无论是集成电路技术，还是微系统技术或纳米技术，其共同的特征是功能结构的尺寸在微米或纳米范围，因此可以统称为微纳米技术。
微纳米技术依赖于微纳米尺度的功能结构与器件。
实现功能结构微纳米化的基础是先进的微纳米加工技术。
在过去50年中，正是微纳米加工技术的发展促进了集成电路的发展，导致集成电路的集成度以每18个月翻一番的速度提高。
现代微纳米加工技术已经能够将上亿只晶体管做在方寸大小的芯片上。
除了集成电路芯片中的晶体管越做越小，微纳米加工技术还可以将普通机械齿轮传动系统微缩到肉眼无法观察的尺寸（如下图2.1所示）。
先进制造工艺技术-微纳制造技术
在工业领域，微型机电产品可以在管路检修和飞机内部检修 等狭窄空间和恶劣环境下进行诊断和修复工作。在汽车轮胎内 嵌入微型压力传感器用以保持适当充气，避免充气过量或不足， 仅此一项就可节油10％，仅美国国防部系统就能节省几十亿美 元的汽油费。
先进制造系统 之 先进制造工艺技术
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1.4 微纳制造应用案例
4. 以微型加工技术制造的机械耳蜗
耳蜗里的听觉毛细胞可以感测到在淋巴液内移动的声波， 并且将声波转换为电子讯号，听神经再将此讯号传达到大 脑。但不幸的是很多人甚至是一出生就没有机会倾听大自 然美妙的声音，但是密西根大学研究人员研发的机械耳蜗 他们带来了希望。
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1.3 纳米加工技术
4）超微机械加工和电火花线切割加工
用小型精密金属切削机床及电火花、线切割等加 工方法，制作毫米级尺寸左右的微机械零件，是一种 三维实体加工技术，加工材料广泛，但多是单件加工、 单件装配，费用较高。
先进制造系统 之 先进制造工艺技术
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1.3 纳米加工技术
5）键合技术
键合技术是一种把两个固体部件在一定的温度与电 压下直接键合在一起的封装技术，其间不用任何粘接 剂，在键合过程中始终处于固相状态。
先进制造系统 之 先进制造工艺技术
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1.4 微纳制造应用案例
8. 原子操纵术
将一顆一顆的铁原子團,在Cu(111) 将一顆一顆的一氧化碳原子團，在
表面上排列成“原子”二字。
Pt(111)表面上排列成人的形狀。
先进制造技术3(生物制造与微纳制造)综述
官将能得到复制，会大大延长人类的生命。
在生物加工方面，通过生物方法制造纳米颗粒、纳米功能涂 层、纳米微管、功能材料、微器件、微动力、微传感器、微系
统等。ห้องสมุดไป่ตู้
2019/4/3 沈阳工业大学 4
生物制造的概念与内容
1. 生物制造的概念 生物制造？（清华大学颜永年教授） 通过制造科学与生命科学相结合，在微滴、
⑶其他方法
产 品
生物制造的基础 制造科学 生命科学 材料科学 信息技术
生物制造工程的体系结构
2019/4/3 沈阳工业大学 6
生物制造的概念与内容
3. 生物制造工程的研究方向
目前生物制造工程的研究方向是如何把制造科学、生命科
学、计算机技术、信息技术、材料科学各领域的最新成果组合 起来，使其彼此沟通起来用于制造业，是生物制造工程的主要 任务。归纳下来，目前有如下两方面6个研究方向： （1）仿生制造
品。目前，人造皮肤已经成为个性化人造器官中最成熟的一个品种。
美国马萨诸塞大学的查尔斯· 瓦坎蒂教授在生物反应器里为两位切 掉拇指的机械师培育了拇指的指骨。与此同时，安东尼 · 阿塔拉领导 的一个由波士顿儿童医院的医生组成的小组正计划把用胎儿细胞培育 的膀胱植入人体。美国阿特丽克斯公司生产了一种掺有生长激素和疗 效药物的可吸收生物材料，它能促进牙龈组织再生。
成形(Biogrowing forming)。
生物去除成形 （Bioremoving Forming） 生物约束成形 （Biolimited Forming） 生物生长成形 （Biogrowing Forming）
2019/4/3 沈阳工业大学 11
生物制造的概念与内容
1）生物去除成形
例：
氧化亚铁硫杆菌 T—9 菌 株是中温、好氧、嗜酸、 专性无机化能自氧菌，其 主要生物特性是将亚铁离 子氧化成高铁离子以及将 其他低价无机硫化物氧化 成硫酸和硫酸盐。加工时，
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微系统与纳米技术
微系统与纳米技术是当今世界最前沿的科学和技术领域之一，它们不仅在科学研究领
域发展迅猛，也在工业、医疗、能源等领域展现出巨大的应用潜力。
微系统是一种由微米
级或纳米级尺度的器件、结构和系统组成的集成系统，而纳米技术是研究和应用与纳米尺
度相关的科学和工程技术。
本文将从微系统与纳米技术的基本概念、发展历程、应用领域
和未来展望等方面进行阐述。
一、微系统与纳米技术的基本概念
微系统技术是指在微米尺度制造、组装和集成各种功能器件和系统的技术，它涉及微
机械系统、微流控系统、微电子系统等多种领域。
微系统的核心是微机电系统（MEMS），
它是融合微机械工程、电子学和计算机技术的交叉学科，以微米级和纳米级器件和机械结
构为基础，构成了微型机械系统、微传感器、微执行器等微系统。
纳米技术是一种将原子、分子和纳米尺度结构进行精确控制和创造新材料、新器件和
新系统的技术，它是一种高度多学科交叉融合的领域，涉及物理学、化学、生物学、材料
科学等众多学科。
纳米技术的基本目标是控制和操纵物质的分子和原子水平，实现对物质
特性的精确设计和调控，从而创造出具有特定功能和性能的纳米材料和纳米器件。
二、微系统与纳米技术的发展历程
微系统技术起源于20世纪60年代初期的集成电路技术，随着半导体工艺的不断发展，微系统技术逐渐发展成为独立的研究领域。
1965年，Intel公司的联合创始人戈登·摩尔
提出了著名的摩尔定律，预言了半导体集成电路性能的指数增长，并引领了微系统技术的
飞速发展。
1987年，美国加州大学伯克利分校提出了MEMS概念，开创了微机械系统的研
究与应用。
至今，微系统技术取得了巨大的进展，在汽车、医疗、通信等领域得到了广泛
应用。
而纳米技术的发展始于20世纪80年代，当时物理学家理查德·费曼第一次提出了利
用纳米尺度的技术实现物质操纵的概念，开启了纳米技术的先河。
1991年，IBM的科学家
首次成功地对一个单原子进行了操作和操控，标志着纳米技术的开端。
随着扫描隧道显微镜、原子力显微镜等新型仪器的应用，纳米技术得到了迅速的发展，开拓了一系列新的研
究领域和应用领域。
三、微系统与纳米技术的应用领域
微系统与纳米技术在各种领域都有着广泛的应用前景。
1. 医疗保健领域：微系统技术可以用于医疗诊断、药物递送、健康监测等方面。
微
型传感器、生物芯片、微型医疗器械等设备可以实现对人体生理参数的实时监测和数据采
集，为疾病的早期诊断和精准治疗提供了可能。
而纳米技术则可以用于制备纳米药物载体、纳米医疗材料、纳米影像剂等，有效提高药物的靶向性和生物利用度。
2. 能源领域：微系统技术可以应用于太阳能电池、燃料电池、微型发电设备等能源
技术中，提高能源转换效率和资源利用率。
纳米技术可以用于研制高性能的储能材料、光
催化剂、纳米级传感器等，为能源技术的发展提供了强大支持。
3. 环境监测领域：微系统和纳米技术可以结合用于空气质量监测、水质检测、环境
污染治理等领域。
微型传感器和纳米材料可以实现高灵敏度、快速响应的环境监测系统，
为环境保护和治理提供了技术支持。
4. 信息通信领域：微系统技术可以应用于微型无线通信设备、智能传感网、生物识
别技术等领域。
而纳米技术可以用于制备高性能的半导体材料、新型光电器件、纳米光子
器件等，推动了信息通信领域的技术创新和产业发展。
四、未来展望
微系统与纳米技术的发展将会对人类社会产生深远的影响。
在生物医学领域，微纳米
技术将为个性化医疗和精准医学提供强大的支持；在能源环境领域，微纳米技术将为可再
生能源和清洁环境提供解决方案；在信息通信领域，微纳米技术将推动智能物联网和信息
化产业的飞速发展。
但与此微纳米技术的发展也面临着一些挑战，包括材料制备技术、器件可靠性、安全
性和伦理道德等问题。
在微纳米技术的发展过程中，需要政府、企业和社会各界加强合作，加大技术研发投入，加强监管和标准化工作，确保微纳米技术的安全可控和可持续发展。
微系统与纳米技术的发展将为人类社会带来巨大的改变和发展机遇，它们将成为未来
科技创新和产业发展的重要引擎，同时也需要我们充分认识其潜在风险，以合理的方式应
用和管理这一前沿技术。