納米加工技術和微電子機械系統(tǒng)

第十六章納米加工技術和微電子機械系統(tǒng)按照人們的意愿在納米尺寸的世界中自由地剪裁、安排材料的技術被稱為納米加工技術。包括掃描探針技術和精密加工技術(能量束加工等)。納米加工技術是納米科學的重要基礎，也包含許多尚未認識清楚的納米科學問題。一、納米機械學1.歷史由來2.納米加工技術3.微型機械的發(fā)展二、微電子機械系統(tǒng)1.組成和特性2.發(fā)展趨勢一、納米機械學1.歷史由來納米技術的靈感來自于美國的理查得?費曼。1959年12月29日，美國著名物理學家、諾貝爾物理學獎獲得者理查得?費曼(RichardPhillipsFeynman,1918-1988)在美國物理學會召開的年會上，作了一個題為《在底層還有很大空間》“There'sPlentyofRoomattheBottom”的著名演講。在演講中，費曼滿懷激情的說：“當我們深入并游蕩在原子的周圍,我們是按不同的定律活動，我們會遇到許許多多新奇的事情，能以全新的方式生產(chǎn)，完成異乎尋常的工作。如果有一天可以安排一個個原子，將會產(chǎn)生什么樣的奇跡?！”費曼給我們描述了這樣一幅激動人心的畫面：通過人為地操縱單個原子，來構造人們需要的特定功能的物質，這如同用原子來搭積木!費曼在演講中還說：“至少依我看來，物理學的規(guī)律不排除一個原子一個原子地制造物品的可能性?！痹谘葜v中他提到也許有一天人們會造出僅由幾千個原子組成的微型機器。但在當時，這句話因為過于超前而沒有引起人們的廣泛注意。直到1986年，一個專門以展望未來為職業(yè)的預言家，美國預見研究所的工程師一埃里克?得雷克斯勒(K.Eric.Drexler)運用了更為通俗和形象的描述才將27年前這個天才的思想表書清楚。他說：我們?yōu)槭裁床恢圃斐龀扇?、肉眼看不到的微型機器人，讓它們在地毯上爬行，把灰塵分解成原子，再將這些原子組裝成餐巾、肥皂和電視機呢？這些微型機器人不僅是一些只懂得搬原子的建筑“工人”，而且還具有絕妙的自我復制和自我維修能力，由于它們同時工作，因此速度很快而且廉價得讓人難以置信。多數(shù)主流派科學家對得雷克斯勒的想法不屑一顧，認為是一派胡言。但得雷克斯勒仍然著書立說，闡述自己的觀點。有的科學家隨后開始進行實驗性研究。對于納米技術，得雷克斯勒認為“：它不是小尺寸技術的延伸，它甚至根本不該被看作是技術，而是一場認知的革命?！睆氖鲿r代開始，人類從磨尖箭頭到光刻芯片的所有技術，都與一次性地削去或者融合數(shù)以億計的原子以便把物質作成有用的形態(tài)有關。費曼質問到，為什么我們不可以從另一個角度出發(fā)，從單個的分子甚至原子開始進行組裝，以達到我們的要求呢？實際上這一靈感來自于大自然從單個分子、甚至單個原子創(chuàng)造物質的啟示。納米技術就是向大自然學習，力圖在納米尺度精確地操縱原子或分子來制造產(chǎn)品的技術，統(tǒng)稱為“由底向上”或“由小到大“的加工技術。納米加工技術科學技術進步使器件和裝置的尺寸越來越小，進入了納米的范圍。與之相適應的加工和制造技術，已成為國際上的研究熱點，發(fā)展很快。定義按照人們的意愿在納米尺寸的世界中自由地剪裁、安排材料的技術被稱為納米加工技術。納米加工技術可分為刻蝕和組裝兩類，包括掃描探針技術和精密加工技術(能量束加工等)。納米加工技術將為我們設計和制造出尺寸極小而功能極強的設備。納米組裝技術由于在納米尺度刻蝕技術已達到極限，組裝技術將成為納米科技的重要手段，日益受到人們的高度重視。組裝技術就是通過機械、物理、化學或生物的方法，把原子、分子或者分子的聚集體進行組裝，形成有功能的結構單元。納米組裝技術包括分子有序組裝技術、掃描探針原子/分子搬遷技術以及生物組裝技術。分子有序組裝技術科技部2006年公布的“十一五”期間首批啟動的國家重大科學研究計劃中，納米研究計劃項目“具有重要應用背景的納米超分子組裝體的構筑與功能研究”名列其中，項目首席科學家是南開大學化學學院院長、“長江學者獎勵計劃”特聘教授劉育。劉育課題組以環(huán)糊精的分子識別和組裝為突破口，在超分子組裝/納米超分子的研究工作中已取得重大突破。ii)生物組裝技術蛋白質、核酸等生物活性大分子的組裝要求高密度定取向，這對于制備高性能生物敏感膜、發(fā)展生物分子器件，以及研究生物大分子之間的相互作用是十分重要的。 生物大分子n識別組裝此外，在長鏈聚合物分子上的有序組裝、橋連自組裝技術、有序分子薄膜的應用研究等技術也有進展。采用納米加工技術還可以對材料進行原子級的加工，使加工技術進入一個更為微細的深度。納米加工技術n實現(xiàn)納米尺度上某個功能的

機械--納米機械納米機械--微型機械的發(fā)展近些年來國內外在微型機構的開發(fā)和研究方面出現(xiàn)了一個非常強勁的新興趨勢，即對微/納機械電子學系統(tǒng)的研究發(fā)展。集成電路的微細加工技術在三維加工方面有所延伸，將機構、傳感器、控制器以及動作器等集成在一個或多個硅片上，通過一系列的處理形成微型機電裝置。這不僅將傳統(tǒng)的無源機構變?yōu)橛性礄C構，而且可以獲得一個完備的機電一體化的微機械電子系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的尺寸可減小到幾毫米，甚至幾百微米。微型系統(tǒng)的慣量小、熱容量低，容易得到高靈敏度的響應特性，使多傳感器、驅動機構及電路集成化等具有系統(tǒng)高性能、一致性好及制造費用低等優(yōu)點。隨著人們對微型系統(tǒng)中有關材料的機械性質以及功能研究的不斷深入，特別是加工技術的不斷發(fā)展，系統(tǒng)尺寸也不斷縮小，其中許多部件已為納米尺度量級，且表現(xiàn)出一些全新的理化性質，特別是機械學、電子學特性，這使得對納米機構或納米機械的研究逐漸被人們重視起來。納米機械的出現(xiàn)是微機電系統(tǒng)(MEMS)發(fā)展的趨勢。①納米機械學的定義和任務國外對微機械的基本尺寸作了如下三層大概劃分：100mm到1mm的，稱為小型機械；1mm到10微米的，稱為微型機械；10微米到10nm的，稱為超微型機械-納米機械。人們通常將機械工程學科分為機械學和機械制造學，它們分別對應著機械系統(tǒng)從構思到實現(xiàn)所經(jīng)歷的理論設計和實際制造的兩個階段。如何對納米尺度結構或對象的機械學性質進行測量與分析，是否還符合傳統(tǒng)的機械學的性質或原理等，是在微型零部件制造出來后首當其沖出現(xiàn)的問題。這關系到具體機械或機電系統(tǒng)的是否可實現(xiàn)以及是否可實用等許多重要的方面。所謂納米機械學，就是研究納米尺度對象的機械結構、性質及其測量與分析，以及進行相關微系統(tǒng)設計的學科。納米機械學的任務，就是以微型機械及其系統(tǒng)的設計為目標，研究各組成單元的工作原理、特性和設計理論方法；通過創(chuàng)造性思維過程，規(guī)劃出符合社會、生產(chǎn)和科學技術發(fā)展所需要的微型機電系統(tǒng)的組成結構，并對系統(tǒng)進行功能綜合和定量描述其性能。納米機械學的研究內容＞研究微型機械中運動變換和動力傳遞，以及機械系統(tǒng)在運動過程中動態(tài)特性的微機構學；＞研究適用于制造微型構件而性能獨特的材料，特別是新型功能材料及其在環(huán)境影響下的變形響應、失效規(guī)律的微結構材料力學；＞從原子、分子尺度出發(fā)，研究相互運動接觸界面上的相互作用、變化以及納米摩擦學或微摩擦學；＞與納米機器原理、制造及應用相關的關鍵技術等。相對于傳統(tǒng)機械來說，微型機械具有體系小、重量輕、能耗低、集成度高以及智能化程度高等許多優(yōu)點。為此，納米機械學的研究內容不僅與微電子學密切相關，而且也和集成電路制造技術及其相關功能材料有關，廣泛涉及到材料科學，尤其是新材料、表面物理與化學以及現(xiàn)代光學、氣動力學、流體力學、熱學、電磁學、聲學、自動控制與現(xiàn)代儀器學、生物學、仿生學等眾多的學科領域，是一門融合多學科綜合發(fā)展的高新技術。納米機械學的特點微/納機械電子系統(tǒng)與傳統(tǒng)機械的工作原理、制造以及材料等許多方面存在很大差異，使納米機械學具有以下一些顯著的特點：傳統(tǒng)機械一般需要經(jīng)過熔煉、壓延、切削加工等形成過程，而微型機械的部件大多采用氣相、液相或固相生長，形成單晶或薄膜的制作過程，使它們的物理、化學性質具有明顯的特征，特別是材料的結構、性能隨著構件的結構以及制造方法、工藝條件的改變而變化很大，具有明顯的可調節(jié)性或可設計性。當微型機電系統(tǒng)縮小到一定的尺度，或者有關構件的尺寸縮小到一定程度時，材料的性能和構件的力學行為將發(fā)生很大的變化，出現(xiàn)尺寸效應：如構件的尺寸減小、材料內部缺陷的可能減少使材料的機械強度獲得改善，彈性模量、抗拉強度、斷裂韌性、疲勞強度以及殘余應力等均與大尺寸構件明顯不同。另外，尺寸效應對于微構件的受力情況也有很大影響。凡與尺寸高次方成比例的力，如慣性力、電磁力等的作用相對減弱；而與尺寸低次方成比例的粘性力、表面張力、靜電力、摩擦力等的作用明顯增強。由于比表面相對增加，使得熱傳導與化學反應速度也相應增加。iii） 出于受到空間尺寸和驅動能量小的限制，微型機械系統(tǒng)應盡可能縮短運動鏈和減少機件數(shù)量，盡可能將能量傳遞、運動轉換和執(zhí)行調節(jié)等機構統(tǒng)一成一體。通常還應考慮將傳感器、測控電路等信號處理部分與其組合在一起，形成一個綜合體。所以，必須進行能量、動作、信號處理及散熱等諸多因素合并考慮的整體設計，才能實現(xiàn)預想的功能及其參數(shù)指標。納米機械的性能和意義i）性能通常機械零件是用車、鉆、刨、磨等機床逐個加工而成。而微機械卻是采用微電子技術（特別是集成電路平面工藝）實現(xiàn)三維加工，成批地、甚至整體地把微型機械零件加工出來。目前微型機械所用的材料，不是鋼鐵或有色金屬，而是硅材料。人們巧妙地利用了硅材料極優(yōu)良的力學性質、各向異性的化學腐蝕性質，采用集成電路平面技術、薄膜技術和微焊接技術等，做出各種特殊形態(tài)的硅材料部件，如閥門、齒輪、連桿、電機轉子、定子等。它們的尺寸只有幾十到幾百微米，它們的形狀只有在顯微鏡下才能看得清楚，而加工精度卻很高，可精確到0.1-0.5微米。與宏觀機械加工相比，微型機械加工技術可實現(xiàn)高產(chǎn)量、高精度、動作緩和無噪音，所用材料極少，而且可采用貴重優(yōu)質材料以實現(xiàn)高性能。因此，很明顯，微機械技術是隨著微電子技術和納米技術的發(fā)展而迅速崛起的一門綜合性的高技術。微機械雖然體積極其微小，但卻“五臟俱全”。它既有大腦（電腦和控制器），又有手腳（傳感器和驅動器）和電源，它是一個將上述構件集成在極其微小體積范圍內的機電一體化系統(tǒng)，是機、電、磁、光、化學、電腦自動控制、傳感技術與信息處理等多種技術的綜合或融合的產(chǎn)物。微機械的個頭雖然很小很小，但是，它卻能完成人們通常無法從事的工作。例如，有種小如跳蚤的微小機械，能自由地從門縫而出入居室。假如把它送進動脈，它前端那極其精細的微型手術刀，能按照人的指令，切除血管壁上的脂肪、排除血栓、分檢細胞、鏟除腫瘤等?？傊?，未來的機械，就象微型機械人一樣，可以完成大型機械難以完成的各類特殊而復雜的任務。ii）意義正如由于晶體管和集成電路的發(fā)明使電腦的體積越來越小、智能化程度越來越高一樣，微/納機械的問世，其意義也十分重大。當今世界上研究、探索微機械的隊伍十分龐大?？茖W家相信，微機械不僅是誘人的，而且是未來科學技術發(fā)展的趨勢。日本已用極微小的部件組成一輛只有米粒大小、能夠運轉的汽車；與此同時，工程師們制成了直徑只有一兩個毫米的靜電發(fā)動機；體積只有常規(guī)機械的萬分之一、能夠運轉的車床。德國工程師制成了一架只有黃蜂大小并能夠升空的直升機，肉眼幾乎看不到的發(fā)動機?？茖W家說：“我們有必要象控制牛和馬一樣控制昆蟲。既然我們不能控制真正的昆蟲，我們就應該制造一種人造昆蟲，以便讓這些昆蟲對溫室里的花進行人工授粉并殺死吃莊稼的害蟲?！睋?jù)科學家預言，我們正在走向一場革命，這場革命與18世紀的工業(yè)革命相當。各國領導人沒有忽視這場技術革命。日本為一個歷時10年、耗資2.25億美元、有26家公司參加的微機械研究項目提供資助；德國聯(lián)邦政府則每年拿出6500萬美元支持微機械研究；美國國防部通過高級研究項目局每年撥出3500萬美元用于微機械研究。德國科學家相信，那種只有削尖了的鉛筆頭大小、每分鐘轉速高達10萬轉的發(fā)動機最終將推動動作顯示器、手表、攝錄機和激光掃描器的發(fā)展。據(jù)說，這種發(fā)動機最早可能用于顯微手術儀器。美國科學家皮斯特也看到了他的人造螞蟻的發(fā)展前景。他說：“我看到了未來的微機械工廠，這些微機械在不停地為我們制造電子產(chǎn)品。目前的民用電子產(chǎn)品中的微小部件往往還是手工組裝的，因為目前的自動設備還不能完成這類工作。但這對于我的人造昆蟲來說，則是輕而易舉的事情?！备鲊茖W家樂觀的認為，納米技術將帶來微型工業(yè)美好的未來。納米機械是指實現(xiàn)納米尺度上某個功能的機械，它包括的領域很廣。目前已制造出來納米齒輪、納米馬達。二、微電子機械系統(tǒng)(MEMS)20世紀80年代中后期，有關機械以及機電系統(tǒng)微型化技術的研究廣泛興起，形成了所謂微型機電系統(tǒng)(micro-electromechanicalsystems,MEMS)的研發(fā)熱潮。美國、中國稱微型機械為微型機電系統(tǒng)(MEMS),歐洲則稱其為微系統(tǒng)(microsystems),而在日本則往往將其叫做微機器(micromachine))寺國際電工技術委員會(internationalelectrotechnicalcommission)概括了各國定義的共性，將其定義為“微系統(tǒng)是微米量級內的設計和制造技術。它集成了多種元件，并適于以低成本的大量生產(chǎn)”。近來，將集成光學中的一些概念及研究成果也引入到微型系統(tǒng)中，又出現(xiàn)了微光機電系統(tǒng)(micro-optoelectro-mechanicalsystems,MOEMS)的概念。隨著系統(tǒng)中關鍵部件尺寸的不斷減小，整個系統(tǒng)的原理、設計理論及方法等都將發(fā)生很大的改變。目前，也將系統(tǒng)中關鍵部件的特征尺寸為納米尺度的微型機電系統(tǒng)稱為納機電系統(tǒng)(nano-electromechanicalsystems,NEMS)。這些系統(tǒng)的發(fā)展與作為主要基礎的微機械學(micromechanics)和納米機械學(nanomechanics)的發(fā)展密切相關，微/納米機械學本身也作為重要的研發(fā)方向迅速成為機械科學技術進步中的前沿領域。1.組成和特性納米機械學的主體和重心就是微機械和微電機。包括有傳動機械的微型傳感器和執(zhí)行器、光纖通訊系統(tǒng)、特種電子設備、醫(yī)療和診斷儀器等°MEMS用的是一種類似于集成電路設計和制造的新工藝，特點是部件很小。雖然它們目前尚未真正進入納米尺度，但有很大的潛在科學價值和經(jīng)濟價值。微電子技術的巨大成功在許多領域引發(fā)了一場微小型化革命，以加工微米/納米結構和系統(tǒng)為目的的微米/納米技術在此背景下應運而生。一方面人們利用物理化學方法將原子和分子組裝起來，形成具有一定功能的微米/納米結構；另一方面人們利用精細加工手段加工出微米/納米級結構。前者導致了納米生物學，納米化學等邊緣學科的產(chǎn)生，后者則在小型機械制造領域開始了一場新的革命，導致了微電子機械系統(tǒng)的誕生。微電子機械系統(tǒng)是微電子技術的拓寬和延伸，它將微電子技術和精密機械加工技術相互融合，實現(xiàn)了微電子與機械融為一體的系統(tǒng)。①組成從廣義上來講，MEMS是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的完整微型機電系統(tǒng)。MEMS主要包括微型傳感器、執(zhí)行器和相應的處理電路三部分。-作為輸入信號的自然界各種信息首先通過傳感器轉換成電信號，經(jīng)過信號處理以后(模擬/數(shù)字)再通過微執(zhí)行器對外部世界發(fā)生作用。＞傳感器可以把能量從一種形式轉化成另一種形式，從而將現(xiàn)實世界的信號(如熱，運動等信號)轉化為系統(tǒng)可以處理的信號(如電信號)。＞信號處理器則可以對信號進行轉換、放大和計算等處理。＞執(zhí)行器根據(jù)信號處理電路發(fā)出的指令完成人們所需要的操作。根據(jù)目前的研究狀況，除了進行信號處理的集成電路部件以外，微機電系統(tǒng)內部包含的單元主要有以下幾大類：◎微傳感器：傳感器種類很多，主要包括機械類、磁學類、熱學類、化學類、生物學類等等，每一類中又包括有很多種?！蛭?zhí)行器：主要包括微馬達、微齒輪、微泵、微閥門、微開關、微噴射器、微揚聲器、微諧振器等。微型構件：三維微型構件主要包括微膜、微梁、微探針、微齒輪、微彈簧、微腔、微溝道、微錐體、微軸、微連桿等。微機械光學器件：即利用MEMS技術制作的光學元件及器件。目前制備出的微光學器件主要有微鏡陣列、微光掃描器、微光閥、微斬光器、微干涉儀、微光開關、微可變焦透鏡、微外腔激光器、光編碼器等。真空微電子器件：它是微電子技術、MEMS技術和真空電子學發(fā)展的產(chǎn)物，是一種基于真空電子輸運器件的新技術，采用已有的微細加工工藝在芯片上制造集成化的微型真空電子管或真空集成電路。它主要由場致發(fā)射陣列陰極、陽極、兩電極之間的絕緣層和真空微腔組成。由于電子輸運在真空中進行，因此具有極快的開關速度、非常好的抗輻照能力和極佳的溫度特性。電力電子器件：主要包括利用MEMS技術制作的垂直導電型MOS(VMOS)器件、V型槽垂直導電型MOS(VVMOS)器件等各類高壓大電流器件。②特性MEMS器件和系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、性能優(yōu)異、功能強大、可以批量生產(chǎn)等傳統(tǒng)器件無法比擬的優(yōu)點，因此在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們接觸到的所有領域都有著十分廣闊的應用前景。MEMS將電子系統(tǒng)和外部世界有機地聯(lián)系起來，不僅可以感受運動、光、聲、熱、磁等自然信號，還將這些信號轉換成電子系統(tǒng)可以認識的電信號，通過電子系統(tǒng)控制這些信號，進而發(fā)出指令，控制執(zhí)行部件完成所需要的操作。MEMS技術的目標是通過系統(tǒng)的微型化、集成化來探索具有新原理、新功能的元件和系統(tǒng)。MEMS技術開辟了一個全新的領域和產(chǎn)業(yè)，不僅可以降低機電系統(tǒng)的成本，而且還可以完成許多大尺寸機電系統(tǒng)無法完成的任務。例如尖端直徑為5微米的微型鑷子可以夾起一個紅細胞，3毫米大小的能夠開動的小汽車，可以在磁場中飛行的象蝴蝶大小的飛機等。2.發(fā)展趨勢專家預測MEMS技術在今后的主要發(fā)展趨勢是：＞研究方向多樣化：從歷次大型MEMS國際會議（Transducer和MEMSWorkshop）的論文來看，MEMS技術的研究日益多樣化，其所涉及的領域主要包括慣性器件如加速度計與陀螺、AFM（原子力顯微鏡）、數(shù)據(jù)存儲、三維微型結構的制作、微型閥門、泵和微型噴口、流量器件、微型光學器件、各種執(zhí)行器、微型機電器件性能模擬、各種制造工藝、封裝鍵合、醫(yī)用器件、實驗表征器件、壓力傳感器、麥克風以及聲學器件等16個發(fā)展方向。內容涉及軍事、民用等各個應用領域。＞加工工藝多樣化：如傳統(tǒng)的體硅加工工藝、表面犧牲層工藝、溶硅工藝、深槽刻蝕與鍵合工藝相結合、厚膠與電鍍相結合的金屬犧牲層工藝、MAMOS（金屬空氣MOSFET）工藝、體硅工藝與表面犧牲層工藝相結合。而具體的加工手段更是多種多樣。目前能進行大批量生產(chǎn)的非硅三維微加工技術主要有LIGA技術和DEM技術。--LIGA技術：Lithograf