微纳制造技术作业
微纳米及其加工技术
武汉理工大学 盛步云教授、博导 中职国培机械制造与控制专业
1 微机械系统及其加工
称谓： 美国：微型电子机械系统 （MEMS） 日本：微机器 欧洲：微系统 按尺寸分类：
现代微机械加工的特征： 高宽比达到几十以上 几个<=W<=几十个微米 几十<=H<=几百个微米 2. 具有集光、机、电性能于 一体的生产器件的潜力
纳米技术在其他方面的应用
• • • •
军事方面 人们的生活方面 环境方面 等等……
纳米技术的发展趋势
• 纳米科技的诞生使人类改造自然的能力 直接延伸到分子和原子。科学家们认为， 纳米科技将开发物质潜在的信息和结构 潜力，使单位体积物质储存和处理信息 的能力提高百万倍以上。这一作用不亚 于20世纪三、四十年代对核能的开发。 可以毫不夸张地说，纳米科技必将雄踞 于21世纪，对人类社会产生重大而深远 的影响
冰箱，洗衣机用了纳米材料可以抗菌
玻璃和瓷砖表面涂上纳米薄层后产生了自洁的功能
STM在微加工中的应用
原子操纵 表面刻写 STM进行纳米加工时，在针尖微位移驱动 器上施加一个电压脉冲.电压的突增使得隧 道电流和针尖与样品表面之间的电场强度迅 速增大。根据电场梯度理论，针尖顶端的电 场为最强，则针尖周围的物质在强电场的作 用下，向针尖方向迁移。由于脉冲电压频率 远大于反馈电路工作频率，反馈电路对这一 迅速增大的隧道电流不能及时地做出反应， 电场迁移使得针尖和样品间距缩小，间距的 缩小又使得电场进一步加强，这种正反馈最 终导致了针尖与样品表面之间发生机械接触 。此时，间隙阻抗减到最小。此后，反馈电 路动作，针尖驱动器使得针尖后退，则在样 品表面留下机械接触所造成的表面层的变化
2 纳米技术及其应用
微纳加工工艺流程
微纳加⼯⼯艺流程⾼通量微流控器件的设计与加⼯罗春雄掩模的制作掩模的制备是光刻中的关键步骤之⼀，其作⽤是在⼀个平⾯上有选择性的阻挡紫外光的通过，从⽽实现光刻胶的局部曝光。
掩模的图形及尺度由计算机设计完成，常⽤的设计软件有（⽬前最新版本为）和等。
带有图形结构的掩模常⽤介质有透明膜和玻璃板，图形结构⼀般由透明和不透明的区域组成。
掩模有时也被称作原图或光刻版。
当分辨率要求不⾼时，掩模可⽤简单的⽅法来制备。
最常⽤的⽅法是使⽤⾼分辨率的激光照排机（以上）将图形打印在透明胶⽚上，这种⽅法的误差⼀般为，视激光照排机的精度⽽定。
当图形的尺度为量级时，此法制成的掩模可近似视为精确。
使⽤激光照排机的优点在于设备易得，⼀般的出版社就有可以满⾜要求的机器；并且制作过程很简单，只需要⼀步打印。
图采⽤设计的模版图。
通过电⼦束曝光的⽅法可以得到精度更⾼的掩模版，精度可达甚⾄级。
这种掩模版为⾦属掩模，所以不论是精度、寿命还是使⽤时的⽅便程度，均要优于打印⽅法制成的模版。
但它的缺点也⼗分明显：成本⾮常⾼（⼀块模版通常要上千元⼈民币），并且制作周期时间长。
还有其他⼀些⽅法可以得到掩模版，如准分⼦激光刻蚀和光学缩⼩等⽅法，这样得到的模版精度较⾼，但对设备的要求都⽐较⾼。
光刻胶光刻胶是由溶解在⼀种或⼏种有机溶剂中的光敏聚合物或预聚合物的混合物组成的，它是⽤光刻技术将掩模上的微结构精确转移到基⽚的关键媒介。
根据⽤途不同，有多种黏度、光学性质及物理化学性质不同的品种供选择。
光刻胶有两种基本的类型：⼀种是负型光刻胶，它们在曝光时发⽣交联反应形成较曝光前更难溶的聚合物；另⼀种是正型光刻胶，它们在曝光时聚合物发⽣链断裂分解⽽变得更容易溶解。
根据它们的特性，负型光刻胶显影后曝光部分被固定⽽⾮曝光部分被洗掉；正型光刻胶则是曝光的部分在显影后被洗掉，⾮曝光部分被固定。
下⾯分别介绍这两种光胶：负光胶负光胶曝光中发⽣的光化学反应⽐正光胶相对简单。
例如于卖给公司的专利，应⽤的是聚⼄烯醇⾁桂酸酯中的⾁硅酸部分的双键对紫外线敏感，双键之⼀被打开后形成双游离基，这些双游离基不稳定，很快与其他游离基间相互连接，形成新的碳碳链，并与其他线形分⼦交联形成更⼤的聚合物分⼦。
微纳米技术作业
电火花加工是一种直接利用电能进行加工的方法，它通过加工过程的工具和工件之间不断产生脉冲火花放电，靠放电时产生的局部高温把金属蚀除下来。电火花加工小孔有两种方法，即电火花穿孔和高速电火花小孔加工。
可以加工任何导电材料，不受工件材料的硬度限制；可在斜面上加工盲孔、深孔、斜孔及异型孔等；加工过程中切削力很小，对工具的强度和4刚度要求低．可加工<10 的微孔
能加工任何导电材料，不受材料强度、硬度，韧性、熔点、导热性等的限制；生产效率高(与电火花加工相比)，表面粗糙度低，可达 0．2～O．8 ；加工表面无残余应力和变形，孔口没有毛刺和飞边；电铸加工小孔的工具阴极制造比较复杂，加工精度不高，且对夹具、机床等有腐蚀现象，从而限制了电解加工小孔的广泛应用。
激光打孔
激光打孔是利用脉冲激光所提供的高功率密度以及优良的空间相干性，使工件被照射部位的材料冲击汽化蒸发进行金属等的硬质材料的打孔。激光打孔的过程是一个激光和物质相互作用的热物理过程，激光和工件相互作用，存在着许多不同的能量转换过程，包括反射、吸收、气化、再辐射和热扩散等，它是由激光光束特性(激光的波长，脉冲宽度，聚焦状态等)和物质诸多的物理特性决定的。激光经聚焦后作为高强度的热源对材料进行加热。用不同的激光功率密度和作用时问，可以对金属进行各种不同的加工。
激光打孔的速度快、效率高、经济效益好,可获得大的深径比,可在硬、脆、软等的各类材料上进行,无工具损耗,适合于数量多、高密度的群孔加工,可在难加工材料倾斜面上加工小孔。
电铸孔
电铸加工是利用金属在电解液中可以产生阳极溶解的电化学原理来进行尺寸加工的一种方法。电铸加工小孔是以工件作阳极，采用型管作阴极，型管阴极外截面形状与加Z-孔截面形状相似，电解液从型管内孔喷出，型管进给。加工圆孔时，型管还应该以一定速度旋转，以提高孔的形状精度。
微纳加工作业及答案
作业一1. 在形成微机械结构的空腔或可活动的微结构过程中，先在下层薄膜上用结构材料淀积所需的各种特殊结构件，再用化学刻蚀剂将此层薄膜腐蚀掉，但不损伤微结构件，然后得到上层薄膜结构（空腔或微结构件）。
由于被去掉的下层薄膜只起分离层作用，故称其为牺牲层。
a) 淀积一层牺牲层；b) 淀积一层结构层；c) 匀胶、光刻、蚀刻，将结构层图形化；d) 淀积一层牺牲层；e) 匀胶、光刻、蚀刻，将中心部分的牺牲层图形化；f) 淀积一层结构层；g) 经过匀胶、光刻、蚀刻等流程，将结构层图形化；h) 利用腐蚀的方法去掉牺牲层，保留了结构层，得到微马达。
2. 或非门T1、T2为PMOS，当输入电平为低电平时导通。
T3、T4为NMOS，当输入电平为高电平时导通。
导通状态用√表示，非导通状态用×表示。
作业二1.对于一个NA为0.6的投影曝光系统，计算其在不同曝光波长下的理论分辨率和焦深，并作图。
设k1=0.6，k2=0.5（均为典型值）。
图中的波长范围为100nm到1000nm（DUV和可见光）。
在你画的图中，标示出曝光波长g线436nm，i线365nm，KrF 248nm，ArF 193nm。
根据这些简单计算，考虑ArF源是否可以达到0.13μm 和0.1μm级的分辨率？答：根据这些计算可知ArF (193 nm)的分辨率不能达到0.13 µm和0.1μm级。
可以采用其他先进技术,如相移掩膜、离轴照明等,ArF将有可能达到0.13µm或者0.1µm级别。
2. 一个X射线曝光系统，使用的光子能量为1keV，如果掩膜板和硅片的间隔是20μm，估算该系统所能达到的衍射限制分辨率。
答：1 keV光子能量对应的波长为X射线系统是接近式的曝光系统，所以分辨率为3. 对于157nm F2准分子激光的光学投影系统：a. 假定数值孔径是0.8，k1=0.75，使用分辨率的一级近似，估算这样的系统能达到的分辨率。
基于激光的微纳制造技术的研究与应用
基于激光的微纳制造技术的研究与应用第一章研究背景近年来，随着科学技术的不断进步，微纳制造技术逐渐成为热点领域之一。
微纳制造技术能够以微米、纳米级别来控制物质的结构和性能，具有精度高、效率高、可重复性好等优点，在电子、光电子、生物医学、化学、材料科学等领域具有广泛的应用前景。
激光技术是微纳制造技术中应用广泛的一种技术，可以实现高精度的微纳制造和表面修饰。
本文将结合激光技术和微纳制造技术的研究进展，重点探讨激光微纳制造技术在生产制造、生物医学等领域中的应用。
第二章激光微纳制造技术概述2.1 激光微纳制造技术分类激光微纳制造技术通常根据激光与物质的相互作用和器件制造过程的不同特点进行分类。
（1）激光加工技术：通过激光器的辐射将物质的部分或整体蒸发、熔化、脱附等现象，用以制造复杂的零部件和微小结构。
（2）激光刻蚀技术：根据激光与物质相互作用的压电效应，通过熔炼、汽化和光化等作用造成的氧化等加工过程，实现细节或精确切割。
（3）激光光刻技术：将激光束通过制造好的光罩模板，通过反射或透射作用，从而在光刻胶层表面形成图形的制造工艺。
2.2 激光微纳制造技术的优缺点（1）优点①高制造精度，能够制造微米、纳米级别的器件和结构；②制造过程非接触式加工，具有良好的重复性；③制造过程的加热区域小，避免了传统加工中产生的变形和损伤现象；④具有灵活性和可靠性，能够满足不同的制造要求。
（2）缺点①制造成本高，制造过程需要复杂的设备和技术支持；②制造速度相对较慢，需要更长的加工周期；③制造过程中容易产生热影响区，使得物质表面发生改变。
第三章激光微纳制造在生产制造领域的应用3.1 制造微小电子器件微小电子器件在当今的生产制造过程中越发重要。
激光微纳制造技术具有高精度、快速、灵活和可靠的特点，因此被广泛应用于微小电子器件的研发和生产过程中。
激光微细电路板的制造进程中需要涉及到激光加工、光刻、超声波喷淋和自动光刻等技术，实现了对微小器件的高精度制造控制。
玻璃微纳加工
玻璃微纳加工
玻璃微纳加工主要涉及对玻璃材料进行微纳级别的加工和制造，包括但不限于以下几种方法：
激光钻孔技术：通过激光能量在玻璃表面产生微小的孔洞，可用于制造微通道、微喷口等结构。
微纳切割技术：利用激光或其他高能束流在玻璃表面进行微米级别的切割，可以制作出微小的线条、图案等。
微纳抛光技术：通过化学或物理的方法对玻璃表面进行抛光，使其表面粗糙度达到纳米级别，以提高光学性能。
纳米压印技术：利用纳米级别的模板将所需的图案或结构压印到玻璃表面，可以得到高分辨率、高对比度的特征。
离子束刻蚀技术：利用离子束对玻璃表面进行轰击，可以制造出微米或纳米级别的凹槽、线条等结构。
以上方法可根据实际需求选择，并可结合使用以达到更好的加工效果。
微纳制造
微纳加工技术
光学效应，其产生几率正比于光子通量密度的平方，因此双光子吸收 要求相当苛刻的条件，即要求辐射光场有足够强的强度- 飞秒激光具 有脉冲短、强度高的特点，很容易在材料中实现双光子吸收- 由于这 一特点，它在飞秒激光微纳加工领域具有非常重要的应用- 远远超出 衍射极限的分辨本领和真正的三维立体加工，使该方法具有相当的吸 引力和巨大的应用潜力- 双光子聚合实验装置如图所示;
微纳加工技术
1.1 微纳技术概念的提出及应用领域 1.2
随着制造业的发展对加工精度提出了越来越的要求高，传统机床的 加工精度已经远远能满足飞速发展的消费及军工领域的要求，如电子 硅芯片、大规模集成电路，以及对表面粗糙度要求很高的液晶面板等， 于是，人们把眼光投入到精度更高的加工技术上，从最初的毫米级， 到微米级(千分之一毫米)，到纳米级(千分之一微米)，于是，“微纳技 术”这一概念就应运而生了。 微纳技术在二十多年的发展过程中。从刚开始的单纯理论性质的基础 研究衍生出了许多细分。如微纳级精度和表面形貌的测量，微纳级表 层物理、化学、机械性能的检测，微纳级精度的加工和微纳级表层的 加工原子和分子的去除、搬迁和重组，以及纳米材料纳米级微传感器 和控制技术：微型和超微型机械；微型和超微型机电系统和其他综合 系统；纳米生物学等。 另一方面，微纳技术的应用领域也得到了很大拓展。到目前为止。微 纳技术已经被广泛应用于国防军工和民用产品。最主要的应用如纳米 级机械加工、电子束和离子束加、LIGA技术、扫描隧道显微加工技术等。
微纳加工技术
2.1.1激光烧蚀
飞秒激光烧蚀的对象一般为刚性材料，例如绝缘体半导体材料 石英、玻璃材料等, 一个典型的实验装置如图所示
飞秒激光烧蚀实验示意图
微纳加工技术
在图中飞秒激光光源绝大多数是飞秒激光再生放大器， 利用一个 中性密度滤光器控制入射飞秒激光的强度，然后通过显微物镜把飞秒激 光聚焦到待加工物体的表面待加工物体固定在平台上，平台由压电陶瓷 （MNO）控制运动方向和运动速度整个系统与计算机相连。根据加工的 要求编写相应的软件，通过计算机控制整个加工进程关于飞秒激光烧蚀 的物理机制，目前还没有一个统一的看法，这个问题仍旧是科学家们研 究的热点等人利用飞秒激光研究了烧蚀现象，根据实验结果，他们提出 了一个烧蚀机制，认为由于激光能流的作用产生了两种不同的表面形态 一种是在高光子通量情况下，产生普通的加热、熔化、沸腾和汽化，在 材料表面形成三个破坏区，可表示为轻微改变区、起波纹区和烧蚀。第 二种是在低光子通量情况下，非热过程占主要地位，加工剖面非常干净， 表面没有纳米尺度的颗粒另外他们对烧蚀过程中纳米尺度颗粒的产生提 出了自己的看法，认为并不是源于浓缩或者分解的机制，而是缺陷激发 的机制由于晶格存在缺陷，在低通量激光作用下，晶格内缺陷部位吸收 更多的热量，导致温度升高，因此在这个局部区域率先发生熔化、沸腾、 汽化现象，随后烧蚀现象开始出现双光子聚合产生三维微纳结构在光与 物质互作用过程中，如果光强足够强，则物质可能同时从光场中吸收两 个光子，这个现象称为双光子吸收- 双光子吸收是一种典型的三阶非线性
机械制造中的微纳加工技术原理
机械制造中的微纳加工技术原理微纳加工技术是一种在机械制造领域中应用广泛的技术手段，它通过精密的控制和加工方法，能够在微米和纳米尺度下制造出高精度、高质量的微型和纳米级零部件。
该技术在电子、光电、生物医学以及纳米材料等领域发挥着重要作用。
本文将介绍机械制造中的微纳加工技术的原理。
一、微纳加工技术的分类与原理目前，微纳加工技术可以分为两大类：微细加工和纳米加工。
微细加工是指在微米尺度下进行加工和制造，如微孔加工、激光切割等。
纳米加工则是在纳米尺度下进行加工和制造，如原子力显微镜加工、光刻技术等。
1. 微细加工的原理微细加工主要依靠机械加工设备和工具，如微加工机床、精密切割机等。
其原理是通过控制加工设备和工具相对运动，对工件进行精细的切削、打磨和加工。
这些设备具有高精度的结构和控制系统，可以实现微米级的运动和加工精度。
2. 纳米加工的原理纳米加工主要借助于纳米级工具和纳米级材料，如原子力显微镜、电子束曝光机等。
其原理是利用纳米级工具的控制和操作能力，在纳米尺度下进行加工和制造。
例如，原子力显微镜可以通过控制探针的位置和运动轨迹，对纳米级工件进行操纵和加工。
二、微纳加工技术的应用领域微纳加工技术在许多领域都有广泛的应用，下面将以电子和生物医学领域为例进行介绍。
1. 电子领域微纳加工技术在电子领域中的应用主要包括集成电路制造、传感器制造和微电子器件制造等。
通过微纳加工技术可以制造出更小、更高性能的集成电路芯片，提高电子产品的功能集成度和性能。
同时，微纳加工技术还可以用于制造各种传感器，如压力传感器、光学传感器等，提高传感器的灵敏度和精度。
2. 生物医学领域微纳加工技术在生物医学领域中的应用主要包括生物芯片制造、细胞培养和药物输送等。
通过微纳加工技术可以制造出微型生物芯片，实现对细胞和分子的精确操控和检测。
此外，微纳加工技术还可以制造出微型药物输送系统，用于精确控制药物的释放和传输。
三、微纳加工技术的挑战与展望虽然微纳加工技术在许多领域都取得了显著的成果，但仍然存在一些挑战和问题。
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问题：1、微机械制造材料大致分为几类而常用的制造微机电产品的材料有哪些，MEMS装置为何大多选用硅材料制造
2、纳米材料与常规的材料相比，有哪些优点
答：1、（1）微机械制造材料大致分为结构材料、功能材料和智能材料三大类。
（2）常用的制造微机电产品的材料有：
a，结构材料：是以力学性能为基础，具有一定强度，对物理或化学性能也有一定要求，一般用于构造微机械器件结构机体的材料，如硅晶体。
b，功能材料：指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。
如压电材料、光敏材料等。
c，智能材料：一般具备传感、致动和控制3个基本要素。
如形状记忆合金、磁/电致伸缩材料、导电聚合物、电流变/磁流变材料等。
（3）由于硅材料具有众多优点，所以MEMS装置大多选用硅材料制造。
其优点如下：
①优异的机械特性：在集成电路和微电子器件生产中，主要利用硅的电学特性；在微机械结构中，则
是利用其机械特性。
或者同时利用其机械特性和电学特性，即具有机电合一的特性，便于实现机电器件的集成化。
②储量丰富，成本低。
硅是地壳中含量最多的元素之一，自然界的硅元素通常以氧化物如石英（sio2）
的形式存在，使用时要提纯处理，通常加工成为单晶形式（立方晶体，各向异性材料）
③便于批量生产微机械结构和微机电元件。
硅材料的制造工艺与基层电路工艺有很好的兼容性，便于
微型化、集成化和批量生产。
硅的微细加工技术比较成熟，且加工精度高，容易生成绝缘薄膜。
④具有多种传感特性，如压电阻效应、霍尔效应。
⑤纯净的单晶硅呈浅灰色，略具有金属性质。
可以抛光加工，属于硬脆材料，热传导率较大，对温度敏感。
2、纳米材料内部粒子的尺寸减小到纳米量级，将导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性。
对纳米体材料，可以用“更轻、更高、更强”这六个字来概括。
①“更轻”是指借助于纳米材料和技术，可以制备体积更小性能不变甚至更好的器件，减小器件的体积，使其更轻盈。
第一台计算机需要三间房子来存放，正是借助与微米级的半导体制造技术，才实现了其小型化，并普及了计算机。
无论从能量和资源利用来看，这种“小型化”的效益都是十分惊人的。
②“更高”是指纳米材料可望有着更高的光、电、磁、热性能。
③“更强”是指纳米材料有着更强的力学性能(如强度和韧性等)，对纳米陶瓷来说，纳米化可望解决陶瓷的脆性问题，并可能表现出与金属等材料类似的塑性。
纳米材料中的基本颗粒的微小尺寸效应，致使材料中的结构颗粒或原子团大多数是不存在位错的，这减少了材料的内部缺陷，在宏观上表现出异乎寻常的特性，常规的陶瓷材料脆而易碎，变成纳米相形式后就有了塑性，发生较大形变也不会裂成许多碎片，且可进行切削加工。
原因是纳米级晶粒间不存在位错，相互之间滑动起来容易引起形变。