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结合案例分析纳米制造与普通制造的主要差异指导教师：雒建斌院士摘要 ：开始交代了普通制造及纳米制造的历史背景，分析了普通制造的局限性以及纳米制造的两种方法，通过制造超光滑表面的案例分析了普通制造与纳米制造的主要差异，最后展望了新一代制造技术的前景。关键词：普通制造；纳米制造；超光滑表面制造；化学机械抛光一 纳米制造与普通制造的综述普通制造制造是利用原材料生产大量产品的过程。制造是个多个学科交叉的生产活动，制造包括了运用已知的原理、方法和技术，设计和开发物品或系统的生产。制造主要经历了四个发展历程 精密工程 超精密工程 微加工 纳米制造。本文将主要探讨纳米制造与普通制造间的差异。纳米制造在了解纳米制造之前，先了解一下纳米技术。纳米技术的历史，1959年美国科学家Richard P Feynman在美国加州理工学院发表了有关纳米意义的著名演说。1974年日本科学家Taniguchi提出Nanotechnology一词。1981年德国科学家H Gleiter 提出Nanostructure of Solids概念。1990年7月在美国召开了国际纳米科学技术会议标志着纳米技术的正式确立。纳米技术的定义，通常来说有如下主流性质，一至少有1到100nm的尺度，二操作过程能在分子水平上操作，三分子水平上的操作能被合成为更大尺度的结构。纳米技术也被认为是21世纪最重要的技术之一，纳米技术不仅仅代表着人类能够进行纳米尺度的操作，也意味着人类进入了原子层次的微观世界。纳米制造的定义，对纳米尺度的材料进行加工生产，或纳米尺度下自下而上生产器件，或纳米尺度下自上而下实现超精密的器件加工。纳米制造的方法，通常纳米制造或纳米组装有两种方法，自上而下（Top-Down）高精度加工和自下而上（Bottom-Up）纳米组装的过程。自上而下主要是由芯片等电子产品的刻蚀演化而来，在微电子，计算机等工业上起到了重要的作用，但是加工精度也接近与产品的极限。自下而上目前则还有巨大的发展前景，主要应用生物化学的操作方法，在医学，化学方面也正在起到越来越来重要的作用，同时纳米组装通过控制原子来形成纳米结构，是一种纳米操作。二 普通制造的局限性普通制造提高精度的方法与局限性母性原则，母性原则要求加工工件的精度大于工件精度。母性原则的局限性，母机床的误差会遗传给工件，加工中的振动，热变形，应力等等问题都会降低精度，很显然这在纳米尺度上是基本没有可能做到的。创新性原则，在加工中采用误差在线测量和补偿等方法。创新型原则的局限性，工件的精度会有所提高，但是在母机床很难达到纳米尺度的情况下，起到的作用很有限甚至可以忽略不计。微量切削原则，精加工高精度工件时，刀具的尺度要足够小。微量切削原则的局限性，想要达到纳米尺度的工件，需要纳米尺度刀具，显然在普通制造是不可能的。稳定加工原则，精加工高精度工件时，加工工件要尽可能稳定。稳定加工原则的局限性，普通制造必然产生振动，热变形，应力，再怎么稳定，也达不到纳米尺度。从上述方法可知，依靠普通制造，完全不能满足纳米制造的要求，纳米制造和普通制造的差异在于方法的不同，普通制造只是传统的精加工，而纳米制造则是自上而下或自下而上的新型加工方法。三 自上而下的方法自上而下，对块体材料进行切割处理，得到所需的材料和结构。尺度取决于加工工件。1定型机械纳米加工，强化刀具的精度来保证工件的外形尺寸精度。目前有金刚石切削、微米铣削、微纳米磨削等方法。金刚石刀具超精密切削技术，利用数控方法直接控制加工轮廓和表面粗糙度。采用恒温油淋浴系统，消除加工中的热变形。2磨粒纳米加工，包括研磨技术、抛光技术和磨削技术。研磨加工中的一种主要方法，化学机械抛光技术是目前应用非常好的技术。化学机械抛光技术（Chemical Mechanical Polishing, CMP）抛光利用固相反应抛光原理的方法。磨粒与抛光液在一起，当工件与磨粒接触时，它们的摩擦导致产生高温高压，在短时间就产生了固相反应，由摩擦力去除了反应物，实现了去除抛光。CMP技术加工效率高，表面粗糙度低，可用于硅集成电路以及高性能集成电路的制造。3光刻加工在半导体器件和集成电路制造中，用感光性树脂材料（光刻胶）在控制光照的条件下，短时间内发生化学反应，在硅片等材料上获得一定几何图形的抗蚀保护层。最近在提高分辨率的传统光学曝光之外，有X射线、电子束和极端远紫外线光刻技术等新型技术的兴起。四 自下而上的方法自下而上，自组装技术，以分子尺度材料为组成部分构造纳米尺度装置的方法。1纳米颗粒、碳纳米管和纳米丝自组装，纳米颗粒自动形成单层、薄膜和超晶格中具有特定大小并被一层有机物包裹的纳米颗粒是在原子尺度保持有序地硬核，避免纳米颗粒直接接触而聚集。改变分子链的长度，可以改变其性质。2探针纳米加工（原子操作）扫描探针显微术（Scanning Probe Microscopy, SPM）是探针检测技术，可以实时之道探针与原子的交互作用，从而得知其表面特性。原子力显微镜（Atomic Force Microscopy， AFM）三种作用原理，机械力，探针与物体表面直接接触；电场，探针上加一电压，通过电场分解水膜，来氧化物体表面，制作网话务结构；场发射电流，探针与物体间加一电压，探针作为电流来源，为场发射电流曝光。五 联系纳米制造与普通制造的实例超光滑表面制造随着光电、电子行业的迅猛发展，对于超光滑表面的要求也越来越高，对材料的无损伤要求，使加工精度趋于或达到纳米级。而超光滑表面制造技术也经历了它的三个阶段，冷加工阶段，主要还是普通制造的过程，改进加工设备来达到提高精度的目标。非接触方式阶段，采用离子束加工的新型方法，无接触地加工，提升了精度，接近了纳米级精度。化学机械抛光阶段，使用最近研发出的CMP技术，完全达到了纳米级的要求。即纳米制造。CMP技术于上文已经简单介绍了，基本原理是在抛光液下，相对运动物体与抛光垫，高温压条件下，抛光液磨损工件表面，并化学腐蚀工件表面去除多余材料。现如今是应用最广泛且效果很好的一项技术。CMP中抛光液的作用至关重要，液中颗粒过大会磨损镜面，而反之则去除速率过慢，需要找到合适的微粉。从过去的普通制造出来的超光滑表面，近年来，运用纳米制造的现代超光滑表面，已经发展了很大一步，但仍存在着很多还没有解决的难题。CMP的加工机理及条件的改变所带来的影响等实际问题并没有完全弄清楚。如摩尔定律所言，集成电路18个月就会翻一倍，虽然上不知道它的界限在哪里，但毫无疑问，集成电路的高密度化和高速化，仍然要求超光滑表面更高的精度。 六 结语纳米制造技术是通过自上而下的方法，在普通制造的基础上，更进一步地提高精度，或者是通过新型的自下而上的方法，来打破界限，达到了纳米级的尺度，而未来的制造技术应该在如今纳米制造的技术上继续发展，最终成为一种集信息化、智能化、网络化、集成化、绿色环保化于一体的新型制造技术。七 参考文献1何丹农 纳米制造M 上海：华东理工出版社 2011.122王国彪 纳米制造前沿综述M 北京：科学出版社 20093朱静 纳米材料和器件M 北京：清华大学出版社 20034 常敏 袁巨龙 楼飞燕 王志伟 化学机械抛光技术概述R 浙江工业大学机电学院 浙江杭州 3100145王中林 从纳米技术到纳米制造 J 纳米科技 2006，1：5-106 蒋文波 胡松 传统光学光刻