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        盤點微納制造的六大“神技”

        2016-06-01 01:18:08馬將
        知識就是力量 2016年5期
        關(guān)鍵詞:神技電鑄光刻膠

        馬將

        納米材料的制備和研究,一直是整個納米科技的基礎(chǔ)。令我們驚嘆的是,直徑不到1毫米的微電機、指甲大小的微攝像頭、餅干大小的納型衛(wèi)星……都是由微納米制造材料及技術(shù)等來制備。

        全球正在邁入納米時代!微納制造能將器件復(fù)雜龐大的尺度,縮小至微納米尺度后,仍保有其原功能,這不就像古人說的“螺螄殼里做道場”嗎?微納制造真正使其成為了現(xiàn)實!

        機械微加工

        激光微加工

        電火花微加工

        納米時代呼嘯而來!

        21世紀(jì)后,系統(tǒng)微型化革命已進(jìn)入了新時代,也就是納米時代。人類在微型化道路上從微米到納米的過渡,不僅僅是量的過渡,也代表了質(zhì)的躍遷。

        1947年12月,美國貝爾實驗室的科學(xué)家們,發(fā)明了世界上第一只晶體管。他們不會想到60多年后,這場由晶體管引發(fā)的微電子技術(shù)革命將深刻影響社會的面貌。它既成了現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)的主要支柱,還深入到現(xiàn)代生活的所有領(lǐng)域。

        這一場由晶體管引發(fā)的技術(shù)革命,尤其深刻地改變了3C領(lǐng)域,即消費類電子產(chǎn)品(consumer),計算機(computer)與通信(communication)領(lǐng)域。

        譬如,輕便的筆記本電腦,品種繁多的移動通信終端設(shè)備等,而其中直徑不到1毫米的微電機,指甲大的微攝像機,豌豆大的氣相色譜分析裝置,芯片上的光學(xué)平臺等。這些小巧玲瓏的微電子工具能流行起來,微型化技術(shù)功不可沒。

        微納制造領(lǐng)域,若材料與結(jié)構(gòu)在100nm下,可能會顯現(xiàn)諸多異于宏觀尺寸中的性質(zhì)。因此,納米科技呈現(xiàn)了一個微觀世界的新天地:從微電子到微機械再到微流體,從微米技術(shù)到納米技術(shù)……如今,這些詞都已成為當(dāng)今高科技的代名詞。

        微納米加工技術(shù)能制作單電子晶體管,可操縱單個分子與原子,可以搭建人類進(jìn)入微觀世界的橋梁,是人類了解和利用微觀世界的工具。大家能先了解微納米加工技術(shù),這對于理解微納米科技和其支撐的現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)很重要。

        21世紀(jì),伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,系統(tǒng)微型化將成為日后現(xiàn)代工業(yè)的必然趨勢之一,而納米時代已然來臨!

        微納制造“神技”閃耀登場

        微納制造的技術(shù)及材料,一直是建筑納米科技大廈的基石。下面,我將從技術(shù)及材料兩大方面,帶領(lǐng)大家揭開微納米制造技術(shù)的神秘面紗。

        機械微加工

        機械微加工是微納制造中最方便,也最接近傳統(tǒng)材料加工方式的微成型技術(shù)。它一般包括車削、鉆孔、磨削等加工法?,F(xiàn)代機械微加工為提高精度和自動化程度,通常配備有計算機控制系統(tǒng)[如computer-numerical-control(CNC)數(shù)字控制機床等],再通過金剛石刀具在材料表面制備出高質(zhì)量的微結(jié)構(gòu)。

        曝光+刻蝕

        電鑄微加工

        機械微加工法的工藝過程簡單,加工過程方便,但對加工材料有選擇性。它常采用的加工材料是銅合金、鎳合金等。像鋼這種我們最常用的金屬材料,卻不能用機械微加工法來做,因為鋼中含碳會和金剛石刀具發(fā)生反應(yīng)。

        另外,機械微加工法能得到的最小微結(jié)構(gòu)尺寸非常有限,僅為200微米左右,這也限制了該方法在更小尺寸微結(jié)構(gòu)器件方面的應(yīng)用。

        激光微加工

        激光技術(shù)被譽為20世紀(jì)四大重要發(fā)明之一,隨著小型電子產(chǎn)品和微電子元器件需求的激增,激光微加工已成為激光在工業(yè)應(yīng)用中發(fā)展極快的領(lǐng)域之一。

        激光能量密度高、方向性好、光斑大小可調(diào),激光加工利用其這些特點將光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軄砦g除材料。激光微加工的材料種類非常廣,幾乎囊括了所有金屬和非金屬材料,它與機械微加工相比屬于非接觸式加工,不存在工具損耗,也沒有明顯的機械力,因而不會產(chǎn)生加工變形。

        目前激光微加工技術(shù)仍處于發(fā)展初期,隨著激光技術(shù)的發(fā)展(如光源、能量密度等的改善),相信未來此“神技”在微納制造中會大展拳腳。

        電火花微加工

        電火花加工(electric discharge machining,EDM)是利用浸在工作液中的兩極間脈沖放電時產(chǎn)生的電蝕作用,蝕除導(dǎo)電材料的特種微納制造加工法。

        電火花微加工技術(shù)不受材料硬度的影響,并且通過調(diào)整電參數(shù)便可方便實現(xiàn)粗、半精、精、超精加工之間的切換,因此也被應(yīng)用到微加工領(lǐng)域。目前,這種加工方法最大的缺點就是加工效率低。

        曝光+刻蝕

        ?光刻工藝過程示意圖

        目前微納制造領(lǐng)域最常用的一種微細(xì)加工技術(shù)是LIGA(德文縮寫,Lithographie,Galanoformung和Abformung,即光刻、電鑄和注塑)。

        這項技術(shù)由于可加工尺寸小、精度高,適合加工半導(dǎo)體材料,因而在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用,其最基礎(chǔ)的核心技術(shù)是光刻,即曝光和刻蝕工藝,其主要工藝過程如下:

        首先,需要在加工微結(jié)構(gòu)的基體(通常為硅或硅氧化物)上涂一層對光敏感的光刻膠,然后讓光通過特定的形狀對光刻膠進(jìn)行照射,完成曝光過程。光刻膠被照射部分發(fā)生變性,在特定的溶液中將變性部分的光刻膠洗去,該過程稱顯影。

        然后,顯影后的基體上已有特定微結(jié)構(gòu)的存在,將顯影后的樣品進(jìn)行刻蝕,基體上殘留的被光刻膠覆蓋的部分對基體起了保護(hù)作用而沒有被刻蝕掉,而基體上沒有覆蓋光刻膠的部分則被刻蝕掉,最后將光刻膠在有機溶劑(如酒精、丙酮)中洗去,便在基體上制備出了微結(jié)構(gòu)。

        隨著LIGA技術(shù)的發(fā)展,人們開發(fā)出了很多種不同的曝光、刻蝕工藝,以滿足不同精度尺寸、生產(chǎn)效率等的需求。曝光方式有X射線、紫外線、激光、電子束曝光等多種光源??涛g則有濕法和干法兩種。濕法刻蝕是利用材料的化學(xué)特性,將材料在特定的溶液中溶解掉。它有高選擇比、均勻性、對硅片損傷少等優(yōu)點,也有圖形保真性不強、橫向、過腐蝕嚴(yán)重等缺陷。

        干法刻蝕是利用氣態(tài)的原子、分子與表面薄膜反應(yīng),形成揮發(fā)性物質(zhì),或直接轟擊薄膜表面使之被腐蝕的工藝。它能實現(xiàn)各向異性刻蝕(即縱向刻蝕速率遠(yuǎn)大于橫向刻蝕速率),保證細(xì)小圖形轉(zhuǎn)移后的保真度。目前常用的干法刻蝕技術(shù)主要有反應(yīng)離子束刻蝕(Reactive Ion Etching,RIE)、感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(Inductively Coupled Plasma,ICP)等。

        LIGA技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展,工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟,但是這項技術(shù)的基本原理決定了它必然會存在的一些缺陷,比如工藝過程復(fù)雜、制備環(huán)境要求高(比如需要凈化間等)、設(shè)備投入大、生產(chǎn)成本高等。

        電鑄微加工

        電鑄是利用金屬的電解沉積原理來精確復(fù)制某些復(fù)雜或特殊形狀工件的特種加工方法。它通過在母模上沉積金屬層的增材制造技術(shù)來制備微結(jié)構(gòu)。

        ?彩色的有機玻璃(電鑄微加工母模材料)

        電鑄微加工中的母模常用不銹鋼、鋁、鈦、環(huán)氧樹脂、有機玻璃等材料。經(jīng)過簡單的表面處理后將母模放入電解槽,利用電解沉積原理在母模上沉積金屬,當(dāng)電鑄層達(dá)到需要的厚度后,采用機械或化學(xué)方法將沉積金屬與母模分離。

        該加工法的復(fù)制精度和重復(fù)精度高,適用范圍廣,可用于制造精密、復(fù)雜內(nèi)型面零件。但因技術(shù)原理的限制,電鑄鑄層質(zhì)量不穩(wěn)定,易出現(xiàn)麻點、針孔、晶粒粗大、應(yīng)力過大等缺陷,致使鑄層物理特性和力學(xué)性能下降,嚴(yán)重時零件需報廢。

        另外,鑄層均勻性差,復(fù)雜型面的鑄模因電場分布極不均勻,因此電流密度在鑄模表面各處不一致,易造成各處的沉積厚度相差懸殊,從而影響零件性能,這種不均勻隨沉積時間延長會加劇,它加工時間長、鑄種材料有限,亦屬劣勢。

        ?未來微型化的世界,芯片上能走微納米機器人(概念圖)

        模型加工

        模型加工法是利用微納米尺寸的模具復(fù)制出相應(yīng)的微納米結(jié)構(gòu)。該方法主要適用于具有熱塑性的材料,如高分子塑料,金屬玻璃等。

        首先,將加熱臺上的熱塑性材料與微模型加熱到一定溫度;熱塑性材料因黏度降低軟化后,對其施加一定的應(yīng)力使其在微模型中進(jìn)行充型流動;最后微模型上的微納米結(jié)構(gòu)便成功轉(zhuǎn)移到熱塑性材料的表面上。

        模型加工包括納米壓印技術(shù)、塑料模壓技術(shù)和模鑄技術(shù)。納米壓印是利用含有微納米圖形的圖章(即微模型)壓印到軟化的有機聚合物層上。納米圖章可用其他微納米加工技術(shù)制作。該技術(shù)可低成本,大量復(fù)制納米圖形。納米壓印還有多種派生技術(shù),如以曝光輔助壓印形成納米圖形等。

        ?熱塑性微加工示意圖

        模壓技術(shù)即傳統(tǒng)的塑料模壓成型技術(shù),模壓的結(jié)構(gòu)尺寸在微米以上,多用于微流體與生物芯片的制作。模壓技術(shù)也是一種低成本微細(xì)加工技術(shù)。模鑄技術(shù)包括塑料模鑄和金屬模鑄。無論是模壓還是模鑄都是傳統(tǒng)加工技術(shù)向微納米領(lǐng)域的延伸,其成型速度快,也適用于大批量生產(chǎn)的工藝。

        近年,微納米技術(shù)的研究和應(yīng)用涌起新熱潮,若從科研角度來看,現(xiàn)有的加工技術(shù)已能滿足納米器件的制作與研究,但這些“神技”畢竟很難用于大規(guī)模地生產(chǎn)。為了微納米科研成果的產(chǎn)業(yè)化,未來仍需開發(fā)高生產(chǎn)率、低成本的微加工技術(shù)。

        可預(yù)測,未來50年將是微納米技術(shù)蓬勃發(fā)展的時代!微納米加工技術(shù)的發(fā)展?jié)摿薮螅路f的加工技術(shù)將不斷涌現(xiàn)。它們將助力人類開發(fā)出更多新型微納米器件及系統(tǒng),進(jìn)一步邁入微型化的新世界。

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