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纳米技术与特种加工

纳米技术与特种加工

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纳米技术与特种加工

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01

   

    纳米科学技术是目前迅速发展、最富有活力的科学技术,受到世界各国的高度重视。纳米科学与技术集合交叉了多学科内容,是一个融前沿探索、高技术、工程应用于一体的科学技术体系。纳米科技在纳米尺寸范围内认识和改造自然, 开辟了人类认识世界的新层次, 使人们改造自然的能力直接延伸到分子、原子尺度水平,这标志着人类的科学技术进入了一个新时代。许多专家认为,以纳米科学与技术为中心的新科技将成为21世纪的主导。

    纳米科技包括:纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米制造学、纳米力学等。纳米科学技术在不同的学科领域有具体的内涵和体现,纳米制造科学技术主要涉及到纳米量级(0.1~100nm)的精度、微结构和表面型貌。纳米制造学在纳米科学技术领域占有重要地位。实际上,纳米技术一词由日本学者 Nario Taniguchi 1974年在CIRP会议上首次提出时,就是用来描述纳米精度的超精加工。

    纳米制造任务不可能由某一项技术独自完成,而是由许多方法和技术所共同承担。这些方法相辅相成,各具所长,构成了纳米制造技术群,承担着丰富多样的纳米制造任务。

    从实现纳米微结构的方式和途径来看,构成纳米制造技术体系的方法可分为两类:一种是通过原子、分子的移动、搬迁、重组来构成纳米尺度的微结构,即所谓的自下而上或由小到大(bottom-up)的方法,基于扫描隧道显微镜的原子搬移方法属于此类;另一类方法是通过材料的去除,逐步形成所需要的微细结构或器件,这种方式可称为自上而下(top-down)的方式,高能束流加工、切削加工、放电加工、化学刻蚀等许多方法都属于这一类。

 

    特种加工又称非传统加工,其特种非传统是相对传统的金属切削加工而言的。特种加工方法主要依靠电、热、化学、光、声等能量形式进行材料的去除(激光、放电加工、电解加工)或增加(激光烧结、电铸)来成形零件。有些特种加工技术的成形过程是依靠微米尺度的材料微团、甚至纳米尺度的微粒的去除或增加来实现的,因此在微细制造方面表现出优势和潜能。事实上,一些特种加工技术在微细制造领域已经占有重要的地位。特种加工与纳米制造有着密切的关联。

    纳米制造有着重要的工业前景,是许多技术领域发生重大发展的基础和支撑技术。纳米制造科学技术领域存在许多未知,需要人们去探索和掌握。在纳米尺度的微结构里,原子的运动方式会发生变化,因而可能会出现许多不同于宏观尺度下的现象。纳米制造方面的技术方法和理论体系有待于发展和建立。微米纳米级制造的新概念、新技术、新工艺将不断出现, 在生产实际中的应用会愈来愈深入和广泛。

 

02

基于扫描探针技术的纳米加工

    纳米技术的发展与扫描隧道显微镜(STM)的发明有着密切的关系。STM空前的高分辨率使其成为在纳米尺度上观察研究物质表面结构和性质的重要工具。同时STM和同样基于扫描探针原理的原子力显微镜(AFM)一样,还是一种纳米加工工具,可对表面进行纳米尺度的刻蚀、沉积、加工和修饰。

    扫描隧道显微镜是一种基于量子隧道效应的高分辨率显微镜,可达到原子量级的分辨率,同时它还可以进行原子、分子的搬迁、去除和添加,实现纳米量级甚至原子量级的超微细加工。在STM工作时,探针针尖与工件表面之间保持1nm以下极其微小的距离,施加在针尖和基材间的电压导致很高的场强,产生隧道电流束。通过改变场强等某些参数,处于针尖下的样品由于电子束的影响会发生某些物理化学变化,如:相变、化学反应、吸附、化学沉淀和腐蚀等,这就给加工提供了可能。由于隧道电流束空间通道极其狭小,因此受到影响或发生反应的表面区域也十分微小,直径通常在纳米量级。

    在如此小的区域上发生某种反应和变化,意味着实现了纳米级加工、纳米级微结构的制造。自1981STM问世以来,基于它的加工技术已经进行了很多探索性工作,研究在多个方面展开:微小粒子及单原子操作、表面直接刻写、光刻、沉积和刻蚀,已经有许多纳米加工实例被演示和报道。

    在某些特殊条件下,STM针尖可以对吸附在基材表面上的原子、原子团、微小颗粒进行操作,有目的地将其移动和搬迁,从而形成纳米微结构。1990年美国IBMEigler等人在超低温和超真空环境下,首先实现了这项工作,用 STM Ni110)表面吸附的Xe(氙)原子逐个搬移,成功地用单个原子排列出了IBM三个字母,每个字母高5nm。在此之后,IBM的科学家和包括中国在内的许多国家的科学家进行了深入的探索和尝试,对多种原子进行了搬移,也实现了分子的搬移排列,典型的例子是EiglerSchweizer做的分子人试验。他们成功地移动了吸附在铂表面的CO分子,并用这些分子排成一字形结构。

    利用STM技术进行刻蚀和沉积也受到特别关注。加工过程可在溶液中或气相环境下进行。采用稀释的HF等腐蚀性液体作为电解液,施加适当的隧道电流、偏置电压和扫描速度, 可在某些材料上进行直接刻蚀,腐蚀出纳米级宽度的线条。而当采用含有金属离子的电解液时,通过适当的加工规准和条件,针尖对应的局部微小区域,会产生金属离子的电化学沉积, 形成纳米级宽和高的微结构。

        STM可以提供低能聚焦电子束,由计算机控制作精确的扫描运动,对涂覆了抗蚀膜的样品表面进行直写光刻。由于这个低能电子束的束径极小,因此可以获得很小线宽的图形。IBM科学家在硅片上均匀涂覆20nm厚的聚甲基丙烯甲脂(PMMA)抗蚀膜,然后进行STM 直写光刻,获得了10nm线宽图案。通过对抗蚀膜显影处理、金属沉积、抗蚀膜去除等一系列工艺,最终在表面上形成金属薄膜构成的图形。STM在纳米刻蚀方面的表现已引起科技界极大的关注。

    原子力显微镜(AFM)是在STM基础上派生出的又一种新型高分辨率显微镜,它可以观察导体和非导体的表面型貌,AFM也能进行微细表面加工。给针尖施加一定的力,在常温常压下就可以在金属或非金属基材上直接刻写出线宽在数十纳米至亚微米级的图形。有报道用AFM针尖在半导体上刻划出宽20nm、深2nm的沟槽。这种方法可进行高分辨率的刻划,可望用于某些光刻掩膜、纳米尺度光栅的制作。

        STMAFM是扫描探针显微技术的主要代表,它们在纳米加工领域有着诱人的前景。目前,这些方法在机理、工艺等方面还存在着许多问题,需要去探索和解决,例如过程的重复性和可靠性、光刻深度、工作条件和环境、所获纳米结构的稳定性等。在生产实际中应用这些技术,还要作出深入、细致的研究努力。

 

03

特种加工的微细化技术

    源于半导体IC制造工艺的微细加工技术,现在其内涵已经大大拓宽,电加工、束流加工等多种加工技术已成为微细加工技术中重要组成部分。在过去的一个时期内,微细加工技术主要涉及到微米级加工,这是由这些技术手段具有的能力和工业的需求所决定的。从发展的角度看,微细加工应该包括微米级加工和纳米级加工。应该指出,多数微细加工技术所能达到的加工精度目前还在亚微米至微米范围,相距通常所说的纳米尺度(0.1~100nm)还有明显的差距,比扫描探针技术所能达到的要宏观得多。微细加工技术的进一步提高、进一步微细取决于多种因素,例如:研究探索的深入开展、相关学科新成就的借鉴、新工艺新思维的出现、工业对纳米制造需求的推动。可以相信,这些工艺方法的潜能还将得到进一步的发挥,其中的一部分技术有实现纳米加工的可能,同时一些微米纳米加工的新思维、新技术也将出现。

3.1   硅材料加工技术

    硅微细加工技术通过光刻和化学刻蚀方法在硅基体材料上得到微小的沟槽、筋板、孔洞等结构。工艺过程主要包括:在硅材料上涂覆光刻胶,利用电子束等高分辨率能量束进行曝光,显影后获得微细图形,再刻蚀出微型结构。在该工艺中采用牺牲层技术可制作出活动机构。这一工艺目前可获得亚微米级微结构,是微机电系统(MEMS)最重要的基础技术。该工艺主要用于硅材料的制作。

3.2   LIGA和准LIGA技术

        LIGA是由德国Karlsruhe核能研究中心提出的,是由半导体光刻工艺派生出的一种微细金属结构件(或塑料件)的制造技术。LIGA一词源于德文Lithographie(制版术)、Galvanofo rmung(电铸)和Abformung(注塑)的缩写,它的工艺过程就是这三者的巧妙结合。首先利用同步辐射X射线透过掩模版对抗蚀剂进行曝光。由于同步X射线具有高准直度、高辐射强度,因而可以进行高达数百微米的厚层抗蚀剂层曝光,并能保证刻蚀后侧壁的垂直性。第二步是电铸。将金属模版放入电铸槽内进行电沉积,金属离子在模版上裸露出衬底材料处沉积直至将其填满。然后将抗蚀剂腐蚀剥离,余下的电铸生成的金属结构就是所需的微细部件。这一金属结构件可直接作为零部件用于微机械系统, 也可以将其作为微型注塑模具, 进行塑料微结构件的批量生产。

        LIGA工艺有较广泛的材料选择、较高的深宽比。它可以制作出多种金属材料的微结构, 尺寸可小至1μm,尺寸精度达亚微米级,深宽比达数百比一,并且具有很好的重复精度,比较适合工业化生产。LIGA技术使得MEMS科学领域发生显著发展。但是,由于LIGA技术中所需深层X射线辐射源,价格极其昂贵,因而制造成本、非常高,应用范围受到一定的影响。

    由于LIGA技术的这一局限性,探索低成本、高深宽比的LIGA”技术目前成为微细加工研究领域的一个热点课题。在已开展的准LIGA技术研究中,通常采用紫外光等相对价廉的光源来进行厚层光刻,以大幅度降低成本。利用准LIGA技术已经制作出微金属齿轮、微电机、微加速度计等。但准LIGA技术所能达到的深宽比还有待于进一步提高。

3.3   微细电化学加工

    电化学制造技术原理可分为两类:一类是基于阳极溶解原理的减材技术,如电解加工、电抛光等;另一类是基于阴极沉积原理的增材技术,如精密电铸、刷镀等。这两类技术有一个共同点,无论材料是去除还是增加,过程都是以离子的形式进行的。由于金属离子的尺寸非常微小,因此这种微去除方式使得电化学制造技术在微细制造领域、以至于纳米制造领域的前景存在着想象空间。

    实际上,微细电铸技术已经在微细制造领域得到了重要的应用。微细电铸是LIGA技术一个重要的、不可替代的组成部分。此外,微细电铸已经涉足纳米尺寸的微细制造中,激光防伪商标模版和表面粗糙度样块是电铸的典型应用,这两者都涉及到纳米尺度的微细型貌。从原理上讲,如果不考虑应力变形、孔隙率等影响,电铸技术的复制精度应在纳米到亚微米量级。与其相比,电化学去除技术-电解加工技术所能达到的精度和微细程度目前远不能与电铸技术相比。电解加工的杂散腐蚀、电场和流场的多变性给加工精度带来很大的限制,目前成形电解加工还不能称为精密加工技术,纳米或微米级的电解成形加工还处于愿望或设想阶段。电解成形加工欲想在微细或纳米制造领域有所作为,不辜负它在原理上的优势(离子去除),还需要有创造性的发展。尽管如此,电解加工已经在某些特殊的微细加工场合获得较好的效果。例如:在电子工业中微小零件的电化学蚀刻加工(IBM)、微米级浅槽加工(PHILIPS)、微型轴抛光(TOKYO UNIV.)中,精度控制已可达到微米量级。

3.4   微细电火花加工

    在放电加工过程中,每一次脉冲放电造成材料微团的去除和放电坑的产生,无数个相继产生的微小放电坑最后形成了所需要的最终形状和表面状态。实现微细放电加工必须减小单脉冲蚀除量和进行微量进给,关于微能电源和微量进给控制的研究已经有很多报道,取得了显著进展。另外,实现微细加工微细电极的制造和安装也是关键所在。1984年发展起来的线电极电火花磨削技术(WEDG)使微细电极的制作和安装得到较好解决,微细电火花加工因此得到迅速发展,目前已可加工出直径2μm的微细轴和孔径5μm的微细孔。微细电火花加工已拓宽到三维微型腔的加工,利用WEDG技术反拷出柱状微细电极,然后采取与数控铣削加工相近的方式,进行三维微细轮廓的数控电火花铣削加工。

3.5   微细束流加工

    准分子激光波长短、聚焦光斑直径小、功率密度高,非常适合于微细加工和半导体材料加工。将准分子激光技术与数控技术相结合,可以直接在基材上扫描刻写出微细图形,或加工出微细结构。目前准分子激光直写方式可加工出线宽数微米的高深宽比微结构。

    电子束和离子束也是非常重要的微细制造技术。电子束加工是在真空条件下,利用聚焦形成的高密度电子束冲击零件表面、使材料局部熔化和汽化来进行加工。这一技术可用于某些微细加工,如:打孔、切缝、刻蚀。在微米量级微孔加工中,电子束可实现每秒数千孔甚至数万孔的高效加工。电子束也是一种重要的光刻技术。离子束加工原理与电子束相似,也是束流经过加速、聚焦后冲击到材料表面。不同之处在于离子的质量要比电子大几个数量级, 因此离子束具有更大的动能,主要是靠撞击效应来进行材料去除。在离子束加工中,其束流密度和离子能量可精确控制,所以离子刻蚀可以达到纳米级的加工精度。离子束的加工效率很低,适合于微量去除的场合。除了用于改变零件几何形状的目的外,离子束也用于表面性能增强,如离子镀膜和离子注入,同时也是一种有效的光刻手段。

3.6   超精加工

    实现纳米量级切削加工的关键是机床和刀具。超硬刀具材料、新型轴承、在线控制与补偿等新技术的出现和应用使得金属切削加工技术得到很大发展。有研究报道,在采取一系列措施之后,尤其是精细地研磨刀具,可获得几纳米甚至更薄的切屑,例如日本学者Ikaw采用金刚石刀具车削加工电沉积铜材时,发现厚度为1nm的切屑,这揭示着纳米切削加工的可能性。目前超精加工的精度已可稳定达到亚微米水平。

    除了刀具材料外,刀具的几何形状对于实现纳米加工至关重要。在纳米级切削厚度条件下精确地切除材料,需要极其锋利的切削刃,也就是极小的刃口半径。不仅如此,刃口锋利度还关系到切削面表层质量、微观型貌以及晶格组织位错。精确地测量刀具刃口轮廓,是保证刀具刃口研磨到纳米量级和进行微切削过程质量分析的前提。因此,采用原子力显微镜对刀具刃口进行分析是纳米切削加工方向的一个研究课题。

    在表面质量方面,采用金刚石刀具的切削加工、精密研磨抛光和在线电解修整砂轮镜面磨削技术(ELID),都可获得极高的表面质量。

    从技术上讲,微米量级到纳米量级是一次飞跃。在机理上,纳米尺度的现象与宏观世界的规律会有显著不同。纳米切削加工过程中,材料去除现象发生在极小的区域,可能仅涉及到几个到几百个原子层,切削过程在本质上是原子的离散过程,因而传统的以连续介质力学为基础的加工理论的适用程度受到了质疑。采用分子力学方法对纳米加工进行模拟、仿真的研究工作在世界范围内已经开展。研究工作主要是建立分子尺度的切削模型,从分子角度去理解切屑和表面形成过程,解释工艺参数对表面质量的影响,弄清纳米切削机理,指导纳米加工实践。由于目前纳米加工过程的可控性和可观察性都不理想,因此为了深刻理解纳米加工过程,分子力学方法日益受到重视。

 

04

   

4.1   纳米材料技术与制造工艺

    纳米材料是目前纳米科学技术领域研究最为广泛的一个分支。基于纳米材料的制造技术是一个重要的研究方向。

    采用某种技术将纳米粉覆盖在零件表面上形成薄膜,从而提高零件表面的力学特性,是人们一直密切关注的。在刷镀过程中,将纳米微粉与金属共沉积形成复合刷镀层,可以提高刷镀层某些机械性能。研究发现,在镀镍液中加入碳化硅陶瓷微粉,刷镀层的摩擦系数减小, 内应力降低,耐磨性和硬度均有明显改善。采用激光技术将纳米粉烧结在零件表面形成功能薄膜的研究也正在开展。

    目前纳米粉体材料的制备相对成熟,而纳米块体材料的制备还缺少有效的办法。正在进行的一项研究将纳米技术与精密电铸结合起来,采取某些措施,使得电沉积得到的金属材料具有纳米量级的超细晶粒,从而提高材料的某些物理和化学性能。这项技术将材料技术与制造技术有机地结合起来,提供了纳米块体材料制备和精密制造的有效方法。

4.2   纳米测量技术及其他

    纳米制造技术还涉及到纳米测量、纳米精度定位和驱动,以及摩擦、传感、控制等技术。纳米测量包括纳米级的尺寸精度、表面形貌的测量、纳米级位移量等,这些给精密测量业提出了非常高的要求。光干涉测量技术(激光干涉仪、X射线干涉仪)、扫描显微测量(扫描探针显微镜、扫描电子显微镜)、电容电感测量等构成了主要的测量技术群。

    除了测量方法外,环境的控制也是纳米测量的关键。环境控制中最重要的是恒定温度和消除振动。保持较大面积实验室的高精度温度恒定是很不容易的, 通常将实验室设计成室内室的形式,采取逐级恒温控制,最后在局部区域实现高精度温度控制。另外,要采取隔振措施来消除测量中的振动,例如气垫隔振、悬挂隔振等技术。

 

05

结束语

    纳米加工和制造是高度交叉的综合性学科,涉及到许多新原理、新技术、新思维,交叉融会了多学科知识。纳米加工和制造技术在电子、微机械、航空航天、生物、医疗等领域有着广阔的应用前景。

   者:朱   

   源:《电加工与模具》2002年第2 

   文:《纳米技术与特种加工》

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