微细与超微细加工技术课件

第三章先进制造工艺技术第六节微细与超微细加工技术第三章先进制造工艺技术第六节微细与超微细加工技术1一、概述微细加工——通常指1mm以下微细尺寸零件的加工，其加工误差为0.1μm～10μm。超微细加工——通常指1μm以下超微细尺寸零件的加工，其加工误差为0.01μm～0.1μm。精度表示方法——一般尺寸加工，其精度用误差尺寸与加工尺寸比值表示；微细加工，其精度用误差尺寸绝对值表示。“加工单位”——去除一块材料的大小，对于微细加工，加工单位可以到分子级或原子级。微切削机理——切削在晶粒内进行，切削力要超过晶体内分子、原子间的结合力，单位面积切削阻力急剧增大。一、概述微细加工——通常指1mm以下微细尺寸零件的加工2热流动加工（火焰，高频，热射线，激光）压铸，挤压，喷射，浇注微离子流动加工热表面流动粘滞性流动摩擦流动变形加工(流动加工)化学镀，气相镀（电镀，电铸）氧化，氮化（阳极氧化）（真空）蒸镀，晶体增长，分子束外延烧结，掺杂，渗碳，（侵镀，熔化镀）溅射沉积，离子沉积（离子镀）离子溅射注入加工化学(电化学)附着化学(电化学)结合热附着扩散(熔化)结合物理结合注入结合加工(附着加工)车削，铣削，钻削，磨削蚀刻，化学抛光，机械化学抛光电解加工，电解抛光电子束加工，激光加工，热射线加工扩散去除加工，熔化去除加工离子束溅射去除加工，等离子体加工机械去除化学分解电解蒸发扩散与熔化溅射分离加工(去除加工)加工方法加工机理微细与超微细加工机理与加工方法热流动加工（火焰，高频，热射线，激光）热表面流动变形加工(流3◆主要采用铣、钻和车三种形式，可加工平面、内腔、孔和外圆表面。◆刀具：多用单晶金刚石车刀、铣刀。铣刀的回转半径（可小到5μm）靠刀尖相对于回转轴线的偏移来得到。当刀具回转时，刀具的切削刃形成一个圆锥形的切削面。单晶金刚石铣刀刀头形状二、微细机械加工◆主要采用铣、钻和车三种形式，可加工平面、内腔、孔和外圆表面4微小位移机构，微量移动应可小至几十个纳米。高灵敏的伺服进给系统。要求低摩擦的传动系统和导轨支承系统，以及高跟踪精度的伺服系统。高的定位精度和重复定位精度，高平稳性的进给运动。低热变形结构设计。刀具的稳固夹持和高的安装精度。高的主轴转速及动平衡。稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。具有刀具破损检测的监控系统。◆

微细机械加工设备◆

FANUCROBOnanoUi型微型超精密加工机床微小位移机构，微量移动应可小至几十个纳米。◆微细机械加5机床有X、Z、C、B四个轴，在B

轴回转工作台上增加A轴转台后，可实现5轴控制，数控系统的最小设定单位为1nm。可进行车、铣、磨和电火花加工。旋转轴采用编码器半闭环控制，直线轴则采用激光全息式全闭环控制。为了降低伺服系统的摩擦，导轨、丝杠螺母副以及伺服电机转子的推力轴承和径向轴承均采用气体静压结构。FANUC微型超精密加工机床机床有X、Z、C、B四个轴，在B轴回转工作台上增加A轴转6载流导体：

◎逆压电材料（如压电陶瓷PZT）——电场作用引起晶体内正负电荷重心位移（极化位移），导致晶体发生形变。

◎磁致伸缩材料（如某些强磁材料）——磁场作用引起晶体发生应变。◆

直接线性驱动（直线电机驱动）工作原理：载流导体在电场（或磁场）作用下产生微小形变，并转化为微位移。特点：

◎结构简单，运行可靠，传动效率高。

◎进给量可调，进给速度范围宽，加速度大。

◎行程不受限制。

◎运动精度高。

◎技术复杂。载流导体：◆直接线性驱动（直线电机驱动）工作原理：载7电磁驱动装置（直线电机）工作原理逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁2去掉励磁，松开逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件加励磁电压，伸长Δ逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁2加励磁，夹紧电磁铁1去掉励磁，松开逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件去掉励磁电压，恢复原长，电磁铁1移动Δ逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁加励磁，夹紧ΔΔ电磁驱动装置（直线电机）工作原理逆压电元件电磁铁电磁铁逆压电8直线电机驱动定位平台(YOKOGAWA公司）

直线电机驱动定位平台(YOKOGAWA公司）9直线驱动与伺服电机驱动比较直线驱动与伺服电机驱动比较性能伺服电机＋滚珠丝杠直线驱动定位精度(μm/300mm)5～100.5～1.0重复定位精度(μm)±2～±5±0.1～±0.2最高速度(m/min)20～5060～200最大加速度(g)1～22～10寿命(h)6000～1000050000直线驱动与伺服电机驱动比较直线驱动与伺服电机驱动比较10电极线沿着导丝器中的槽以5～10mm/min的低速滑动，可加工圆柱形的轴。如导丝器通过数字控制作相应的运动，还可加工出各种形状的杆件。◆

线放电磨削法（WEDG）

WEDG可加工的各种截形杆WEDG工作原理Ⅰ－ⅠⅠⅠ工件金属丝导丝器三、微细电加工

电极线沿着导丝器中的槽以5～10mm/min的低速滑动，可加11离子束4.刻蚀（形成沟槽）5.沉积（形成电路）6.剥膜（去除光致抗蚀剂）3.显影、烘片（形成窗口）窗口2.曝光（投影或扫描）掩膜电子束电子束光刻大规模集成电路加工过程◆

光刻加工（电子束光刻大规模集成电路）1.涂胶（光致抗蚀剂）氧化膜光致抗蚀剂基片离子束4.刻蚀5.沉积6.剥膜3.显影、烘片窗口2.12要求：定位精度0.1μm，重复定位精度0.01μm导轨：硬质合金滚动体导轨，或液（气）静压导轨工作台：粗动—伺服电机+滚珠丝杠微动—压电晶体电致伸缩机构电致伸缩微动工作台XY0Py1Py2Px微动工作台工作台微动的形成：X运动：Py1＝

Py2

Px长度变化Y运动：Py1＝

Py2

Py1长度变化Z转动：Py1≠

Py2◆

加工设备（电子束光刻大规模集成电路）要求：定位精度0.1μm，重复定位精度0.01μm电致伸13利用氩（Ar）离子或其它带有10keV数量级动能的惰性气体离子，在电场中加速，以极高速度“轰击”工件表面，进行“溅射”加工。图7-43

离子碰撞过程模型被排斥Ar离子回弹溅射原子位移原子格点间停留离子一次溅射原子Ar离子二次溅射原子Ar离子格点置换离子位移原子工件表面工件真空四、离子束加工利用氩（Ar）离子或其它带有10keV数量级动能的惰性气14◎将被加速的离子聚焦成细束，射到被加工表面上。被加工表面受“轰击”后，打出原子或分子，实现分子级去除加工。

离子束溅射去除加工◆

四种工作方式惰性气体入口阴极中间电极电磁线圈阳极控制电极绝缘子引出电极离子束聚焦装置摆动装置工件三坐标工作台离子束去除加工装置◎加工装置：三坐标工作台可实现三坐标直线运动，摆动装置可实现绕水平轴的摆动和绕垂直轴的转动。◎将被加速的离子聚焦成细束，射到被加工表面上。被加工表面受“15◎离子束溅射去除加工可用于非球面透镜成形（需要5坐标运动），金刚石刀具和冲头的刃磨，大规模集成电路芯片刻蚀等。离子束加工金刚石制品离子束离子束r=0.01μm预加工终加工a)金刚石压头r=0.01μm离子束离子束预加工终加工b)金刚石刀具◎离子束溅射去除加工可加工金属和非金属材料。◎离子束溅射去除加工可用于非球面透镜成形（需要5坐标运动），16

离子束溅射镀膜加工◎用加速的离子从靶材上打出原子或分子，并将这些原子或分子附着到工件上，形成“镀膜”。又被称为“干式镀”离子束源靶溅射材料溅射粒子工件真空离子束溅射镀膜加工◎离子镀氮化钛，即美观，又耐磨。应用在刀具上可提高寿命1-2倍。◎溅射镀膜可镀金属，也可镀非金属。◎由于溅射出来的原子和分子有相当大的动能，故镀膜附着力极强（与蒸镀、电镀相比）。离子束溅射镀膜加工◎用加速的离子从靶材上打出原子或分子，并17◎用高能离子（数十万KeV）轰击工件表面，离子打入工件表层，其电荷被中和，并留在工件中（置换原子或填隙原子），从而改变工件材料和性质。◎可用于半导体掺杂（在单晶硅内注入磷或硼等杂质，用于晶体管、集成电路、太阳能电池制作），金属材料改性（提高刀具刃口硬度）等方面。

离子束溅射注入加工

离子束曝光◎用在大规模集成电路制作中，与电子束相比有更高的灵敏度和分辨率。◎用高能离子（数十万KeV）轰击工件表面，离子打入工件表层，18◆

通常指纳米级（0.1nm～100nm）的材料、设计、制造、测量和控制技术。纳米技术涉及机械、电子、材料、物理、化学、生物、医学等多个领域。◆

在达到纳米层次后，决非几何上的“相似缩小”，而出现一系列新现象和规律。量子效应、波动特性、微观涨落等不可忽略，甚至成为主导因素。◆

纳米技术研究的主要内容纳米级精度和表面形貌测量及表面层物理、化学性能检测；纳米级加工；纳米材料；纳米级传感与控制技术；微型与超微型机械。五、纳米技术◆通常指纳米级（0.1nm～100nm）的材料、设计、制造19扫描隧道显微测量（STM）扫描隧道显微镜1981年由在IBM瑞士苏黎世实验室工作的G.Binning和H.Rohrer发明，可用于观察物体级的表面形貌。被列为20世纪80年度世界十大科技成果之一，1986年因此获诺贝尔物理学奖。STM工作原理基于量子力学的隧道效应。当两电极之间距离缩小到1nm时，由于粒子波动性，电流会在外加电场作用下，穿过绝缘势垒，从一个电极流向另一个电极。当一个电极为非常尖锐的探针时，由于尖端放电使隧道电流加大。G.BinningH.Rohrer扫描隧道显微测量（STM）扫描隧道显微镜1981年由在I20STMSTM工作过程演示STM实物照片

STMSTM工作过程演示STM实物照片21通过扫描隧道显微镜操纵氙原子用35个原子排出的“IBM”字样

石墨三维图像

用STM移动分子组成的IBM字样用STM观察石墨原子排列通过扫描隧道显微镜操纵氙原子用35个原子排出的“IBM”字样22当探针与试件表面距离达1nm时，形成隧道结。当偏压Ub小于势垒高度φ时，隧道电流密度为：式中h——普郎克常数；

e——电子电量；

ka，k0

——系数。由上式可见，探针与试件表面距离d对隧道电流密度非常敏感，这正是STM的基础。φ1φ2d试件STM探针UbSTM隧道结当探针与试件表面距离达1nm时，形成隧道结。当偏压Ub小于23

两种测量模式（2）恒电流测量模式：探针在试件表面扫描，使用反馈电路驱动探针，使探针与试件表面之间距离（隧道间隙）不变。此时探针移动直接描绘了试件表面形貌。此种测量模式隧道电流对隧道间隙的敏感性转移到反馈电路驱动电压与位移之间的关系上，避免了非线性，提高了测量精度和测量范围。b）试件输出运动轨迹驱动电路扫描器检测电路控制器

STM工作原理扫描器检测电路a）输出试件运动轨迹（1）等高测量模式：探针以不变高度在试件表面扫描，隧道电流随试件表面起伏而变化，从而得到试件表面形貌信息。两种测量模式（2）恒电流测量模式：探针在试件表面扫描，使用24

关键技术：（1）STM探针——金属丝经化学腐蚀，在腐蚀断裂瞬间切断电流，获得尖峰，曲率半径为10nm左右。STM针尖关键技术：STM针尖25（2）隧道电流反馈控制计算机差分比较积分放大比例放大高压放大A/DXYZ控制信号设定电压前置放大对数放大（线性化）探针压电陶瓷试件隧道电流反馈控制系统原理框图D/A（2）隧道电流反馈控制计算机差分比较积分放大比例放大高压放大26（3）纳米级扫描运动——压电陶瓷扫描管（4）信号采集与数据处理——由软件完成。ΔXΔZ陶瓷管金属膜+UX-UX-UY+UYUZa）LL0b）压电陶瓷扫描管结构及工作原理当陶瓷管内壁接地，X轴两外壁电极电压相反时，陶瓷管一侧伸长，另一侧缩短，形成X方向扫描。若两外壁电极电压相同，则陶瓷管伸长或缩短，形成Z方向位移。压电陶瓷扫描管结构见图。（3）纳米级扫描运动——压电陶瓷扫描管（4）信号采集与数据处27◆

原子力显微镜（AFM）当两原子间距离缩小到级时，原子间作用力显示出来，造成两原子势垒高度降低，两者之间产生吸引力。而当两原子间距离继续缩小至原子直径时，由于原子间电子云的不相容性，两者之间又产生排斥力。AFM两种测量模式：

◎接触式——探针针尖与试件表面距离＜0.5nm，利用原子间的排斥力。由于分辨率高，目前采用较多。其工作原理是：保持探针与被测表面间的原子排斥力一定，探针扫描时的垂直位移即反映被测表面形貌。

◎非接触式——探针针尖与试件表面距离为0.5～1nm，利用原子间的吸引力。为解决非导体微观表面形貌测量，借鉴扫描隧道显微镜原理，C.Binning于1986年发明原子力显微镜。◆原子力显微镜（AFM）当两原子间距离缩小到级时28◎AFM探针被微力弹簧片压向试件表面，原子排斥力将探针微微抬起。达到力平衡。AFM探针扫描时，因微力簧片压力基本不变，探针随被测表面起伏。AFM结构STM驱动AFM扫描驱动AFM探针STM探针试件微力簧片AFM结构简图◎在簧片上方安装STM探针，STM探针与簧片间产生隧道电流，若控制电流不变，则STM探针与AFM探针（微力簧片）同步位移，于是可测出试件表面微观形貌。◎AFM探针被微力弹簧片压向试件表面，原子排斥力将探针微微抬29AFM实物照片扫描探针磁盘图像AFM实物照片扫描探针磁盘图像30精密传感器movingplateCapacitanceLVDIOpticalLeverOpticalScale精密传感器movingplateCapacitanceLV31高精度双轴定位平台高精度双轴定位平台32气浮导轨气浮导轨33X-Y微动平台X-Y微动平台34X-Y-θPZT微动平台X-Y-θPZT微动平台35PZTDrive外机构：Z-Θx两自由度运动中机构：X-Θy-Y-Θz四自由度运动六自由度微动台技术PZTDrive六自由度微动台技术36小型恒温恒湿控制隔振腔小型恒温恒湿控制隔振腔37微细与超微细加工技术课件38LIGA（LithographicGaluanoformungAbformung）1）以同步加速器放射的短波长（＜1nm）X射线作为曝光光源，在厚度达0.5mm的光致抗蚀剂上生成曝光图形的三维实体；2）用曝光蚀刻图形实体作电铸模具，生成铸型；3）以生成的铸型作为模具，加工出所需微型零件。X射线曝光腐蚀溶解抗蚀剂电铸铸型注射成形零件LIGA制作零件过程LIGA由深层同步X射线光刻、电铸成形、塑注成形组合而成。包括三个主要工序：LIGA（LithographicGaluanoformu39LIGA工作现场LIGA工作现场40

50μmX射线刻蚀的三维实体◆

LIGA特点用材广泛，可以是金属及其合金、陶瓷、聚合物、玻璃等可以制作高度达0.1～0.5mm，高宽比大于200的三维微结构，形状精度达亚微米◆

LIGA代表产品及应用微传感器、微电机、微机械零件、微光学元件、微波元件、真空电子元件、微型医疗器械等广泛应用于加工、测量、自动化、电子、生物、医学、化工等领域可以实现大批量复制，成本较低50μm41本节结束本节结束42第三章先进制造工艺技术第六节微细与超微细加工技术第三章先进制造工艺技术第六节微细与超微细加工技术43一、概述微细加工——通常指1mm以下微细尺寸零件的加工，其加工误差为0.1μm～10μm。超微细加工——通常指1μm以下超微细尺寸零件的加工，其加工误差为0.01μm～0.1μm。精度表示方法——一般尺寸加工，其精度用误差尺寸与加工尺寸比值表示；微细加工，其精度用误差尺寸绝对值表示。“加工单位”——去除一块材料的大小，对于微细加工，加工单位可以到分子级或原子级。微切削机理——切削在晶粒内进行，切削力要超过晶体内分子、原子间的结合力，单位面积切削阻力急剧增大。一、概述微细加工——通常指1mm以下微细尺寸零件的加工44热流动加工（火焰，高频，热射线，激光）压铸，挤压，喷射，浇注微离子流动加工热表面流动粘滞性流动摩擦流动变形加工(流动加工)化学镀，气相镀（电镀，电铸）氧化，氮化（阳极氧化）（真空）蒸镀，晶体增长，分子束外延烧结，掺杂，渗碳，（侵镀，熔化镀）溅射沉积，离子沉积（离子镀）离子溅射注入加工化学(电化学)附着化学(电化学)结合热附着扩散(熔化)结合物理结合注入结合加工(附着加工)车削，铣削，钻削，磨削蚀刻，化学抛光，机械化学抛光电解加工，电解抛光电子束加工，激光加工，热射线加工扩散去除加工，熔化去除加工离子束溅射去除加工，等离子体加工机械去除化学分解电解蒸发扩散与熔化溅射分离加工(去除加工)加工方法加工机理微细与超微细加工机理与加工方法热流动加工（火焰，高频，热射线，激光）热表面流动变形加工(流45◆主要采用铣、钻和车三种形式，可加工平面、内腔、孔和外圆表面。◆刀具：多用单晶金刚石车刀、铣刀。铣刀的回转半径（可小到5μm）靠刀尖相对于回转轴线的偏移来得到。当刀具回转时，刀具的切削刃形成一个圆锥形的切削面。单晶金刚石铣刀刀头形状二、微细机械加工◆主要采用铣、钻和车三种形式，可加工平面、内腔、孔和外圆表面46微小位移机构，微量移动应可小至几十个纳米。高灵敏的伺服进给系统。要求低摩擦的传动系统和导轨支承系统，以及高跟踪精度的伺服系统。高的定位精度和重复定位精度，高平稳性的进给运动。低热变形结构设计。刀具的稳固夹持和高的安装精度。高的主轴转速及动平衡。稳固的床身构件并隔绝外界的振动干扰。具有刀具破损检测的监控系统。◆

微细机械加工设备◆

FANUCROBOnanoUi型微型超精密加工机床微小位移机构，微量移动应可小至几十个纳米。◆微细机械加47机床有X、Z、C、B四个轴，在B

轴回转工作台上增加A轴转台后，可实现5轴控制，数控系统的最小设定单位为1nm。可进行车、铣、磨和电火花加工。旋转轴采用编码器半闭环控制，直线轴则采用激光全息式全闭环控制。为了降低伺服系统的摩擦，导轨、丝杠螺母副以及伺服电机转子的推力轴承和径向轴承均采用气体静压结构。FANUC微型超精密加工机床机床有X、Z、C、B四个轴，在B轴回转工作台上增加A轴转48载流导体：

◎逆压电材料（如压电陶瓷PZT）——电场作用引起晶体内正负电荷重心位移（极化位移），导致晶体发生形变。

◎磁致伸缩材料（如某些强磁材料）——磁场作用引起晶体发生应变。◆

直接线性驱动（直线电机驱动）工作原理：载流导体在电场（或磁场）作用下产生微小形变，并转化为微位移。特点：

◎结构简单，运行可靠，传动效率高。

◎进给量可调，进给速度范围宽，加速度大。

◎行程不受限制。

◎运动精度高。

◎技术复杂。载流导体：◆直接线性驱动（直线电机驱动）工作原理：载49电磁驱动装置（直线电机）工作原理逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁2去掉励磁，松开逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件加励磁电压，伸长Δ逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁2加励磁，夹紧电磁铁1去掉励磁，松开逆压电元件电磁铁1电磁铁2逆压电元件去掉励磁电压，恢复原长，电磁铁1移动Δ逆压电元件电磁铁1电磁铁2电磁铁加励磁，夹紧ΔΔ电磁驱动装置（直线电机）工作原理逆压电元件电磁铁电磁铁逆压电50直线电机驱动定位平台(YOKOGAWA公司）

直线电机驱动定位平台(YOKOGAWA公司）51直线驱动与伺服电机驱动比较直线驱动与伺服电机驱动比较性能伺服电机＋滚珠丝杠直线驱动定位精度(μm/300mm)5～100.5～1.0重复定位精度(μm)±2～±5±0.1～±0.2最高速度(m/min)20～5060～200最大加速度(g)1～22～10寿命(h)6000～1000050000直线驱动与伺服电机驱动比较直线驱动与伺服电机驱动比较52电极线沿着导丝器中的槽以5～10mm/min的低速滑动，可加工圆柱形的轴。如导丝器通过数字控制作相应的运动，还可加工出各种形状的杆件。◆

线放电磨削法（WEDG）

WEDG可加工的各种截形杆WEDG工作原理Ⅰ－ⅠⅠⅠ工件金属丝导丝器三、微细电加工

电极线沿着导丝器中的槽以5～10mm/min的低速滑动，可加53离子束4.刻蚀（形成沟槽）5.沉积（形成电路）6.剥膜（去除光致抗蚀剂）3.显影、烘片（形成窗口）窗口2.曝光（投影或扫描）掩膜电子束电子束光刻大规模集成电路加工过程◆

光刻加工（电子束光刻大规模集成电路）1.涂胶（光致抗蚀剂）氧化膜光致抗蚀剂基片离子束4.刻蚀5.沉积6.剥膜3.显影、烘片窗口2.54要求：定位精度0.1μm，重复定位精度0.01μm导轨：硬质合金滚动体导轨，或液（气）静压导轨工作台：粗动—伺服电机+滚珠丝杠微动—压电晶体电致伸缩机构电致伸缩微动工作台XY0Py1Py2Px微动工作台工作台微动的形成：X运动：Py1＝

Py2

Px长度变化Y运动：Py1＝

Py2

Py1长度变化Z转动：Py1≠

Py2◆

加工设备（电子束光刻大规模集成电路）要求：定位精度0.1μm，重复定位精度0.01μm电致伸55利用氩（Ar）离子或其它带有10keV数量级动能的惰性气体离子，在电场中加速，以极高速度“轰击”工件表面，进行“溅射”加工。图7-43

离子碰撞过程模型被排斥Ar离子回弹溅射原子位移原子格点间停留离子一次溅射原子Ar离子二次溅射原子Ar离子格点置换离子位移原子工件表面工件真空四、离子束加工利用氩（Ar）离子或其它带有10keV数量级动能的惰性气56◎将被加速的离子聚焦成细束，射到被加工表面上。被加工表面受“轰击”后，打出原子或分子，实现分子级去除加工。

离子束溅射去除加工◆

四种工作方式惰性气体入口阴极中间电极电磁线圈阳极控制电极绝缘子引出电极离子束聚焦装置摆动装置工件三坐标工作台离子束去除加工装置◎加工装置：三坐标工作台可实现三坐标直线运动，摆动装置可实现绕水平轴的摆动和绕垂直轴的转动。◎将被加速的离子聚焦成细束，射到被加工表面上。被加工表面受“57◎离子束溅射去除加工可用于非球面透镜成形（需要5坐标运动），金刚石刀具和冲头的刃磨，大规模集成电路芯片刻蚀等。离子束加工金刚石制品离子束离子束r=0.01μm预加工终加工a)金刚石压头r=0.01μm离子束离子束预加工终加工b)金刚石刀具◎离子束溅射去除加工可加工金属和非金属材料。◎离子束溅射去除加工可用于非球面透镜成形（需要5坐标运动），58

离子束溅射镀膜加工◎用加速的离子从靶材上打出原子或分子，并将这些原子或分子附着到工件上，形成“镀膜”。又被称为“干式镀”离子束源靶溅射材料溅射粒子工件真空离子束溅射镀膜加工◎离子镀氮化钛，即美观，又耐磨。应用在刀具上可提高寿命1-2倍。◎溅射镀膜可镀金属，也可镀非金属。◎由于溅射出来的原子和分子有相当大的动能，故镀膜附着力极强（与蒸镀、电镀相比）。离子束溅射镀膜加工◎用加速的离子从靶材上打出原子或分子，并59◎用高能离子（数十万KeV）轰击工件表面，离子打入工件表层，其电荷被中和，并留在工件中（置换原子或填隙原子），从而改变工件材料和性质。◎可用于半导体掺杂（在单晶硅内注入磷或硼等杂质，用于晶体管、集成电路、太阳能电池制作），金属材料改性（提高刀具刃口硬度）等方面。

离子束溅射注入加工

离子束曝光◎用在大规模集成电路制作中，与电子束相比有更高的灵敏度和分辨率。◎用高能离子（数十万KeV）轰击工件表面，离子打入工件表层，60◆

通常指纳米级（0.1nm～100nm）的材料、设计、制造、测量和控制技术。纳米技术涉及机械、电子、材料、物理、化学、生物、医学等多个领域。◆

在达到纳米层次后，决非几何上的“相似缩小”，而出现一系列新现象和规律。量子效应、波动特性、微观涨落等不可忽略，甚至成为主导因素。◆

纳米技术研究的主要内容纳米级精度和表面形貌测量及表面层物理、化学性能检测；纳米级加工；纳米材料；纳米级传感与控制技术；微型与超微型机械。五、纳米技术◆通常指纳米级（0.1nm～100nm）的材料、设计、制造61扫描隧道显微测量（STM）扫描隧道显微镜1981年由在IBM瑞士苏黎世实验室工作的G.Binning和H.Rohrer发明，可用于观察物体级的表面形貌。被列为20世纪80年度世界十大科技成果之一，1986年因此获诺贝尔物理学奖。STM工作原理基于量子力学的隧道效应。当两电极之间距离缩小到1nm时，由于粒子波动性，电流会在外加电场作用下，穿过绝缘势垒，从一个电极流向另一个电极。当一个电极为非常尖锐的探针时，由于尖端放电使隧道电流加大。G.BinningH.Rohrer扫描隧道显微测量（STM）扫描隧道显微镜1981年由在I62STMSTM工作过程演示STM实物照片

STMSTM工作过程演示STM实物照片63通过扫描隧道显微镜操纵氙原子用35个原子排出的“IBM”字样

石墨三维图像

用STM移动分子组成的IBM字样用STM观察石墨原子排列通过扫描隧道显微镜操纵氙原子用35个原子排出的“IBM”字样64当探针与试件表面距离达1nm时，形成隧道结。当偏压Ub小于势垒高度φ时，隧道电流密度为：式中h——普郎克常数；

e——电子电量；

ka，k0

——系数。由上式可见，探针与试件表面距离d对隧道电流密度非常敏感，这正是STM的基础。φ1φ2d试件STM探针UbSTM隧道结当探针与试件表面距离达1nm时，形成隧道结。当偏压Ub小于65

两种测量模式（2）恒电流测量模式：探针在试件表面扫描，使用反馈电路驱动探针，使探针与试件表面之间距离（隧道间隙）不变。此时探针移动直接描绘了试件表面形貌。此种测量模式隧道电流对隧道间隙的敏感性转移到反馈电路驱动电压与位移之间的关系上，避免了非线性，提高了测量精度和测量范围。b）试件输出运动轨迹驱动电路扫描器检测电路控制器

STM工作原理扫描器检测电路a）输出试件运动轨迹（1）等高测量模式：探针以不变高度在试件表面扫描，隧道电流随试件表面起伏而变化，从而得到试件表面形貌信息。两种测量模式（2）恒电流测量模式：探针在试件表面扫描，使用66

关键技术：（1）STM探针——金属丝经化学腐蚀，在腐蚀断裂瞬间切断电流，获得尖峰，曲率半径为10nm左右。STM针尖关键技术：STM针尖67（2）隧道电流反馈控制计算机差分比较积分放大比例放大高压放大A/DXYZ控制信号设定电压前置放大对数放大（线性化）探针压电陶瓷试件隧道电流反馈控制系统原理框图D/A（2）隧道电流反馈控制计算机差分比较积分放大比例放大高压放大68（3）纳米级扫描运动——压电陶瓷扫描管（4）信号采集与数据处理——由软件完成。ΔXΔZ陶瓷管金属膜+UX-UX-UY+UYUZa）LL0b）压电陶瓷扫描管结构及工作原理当陶瓷管内壁接地，X轴两外壁电极电压相反时，陶瓷管一侧伸长，另一侧缩短，形成X方向扫描。若两外壁电极电压相同，则陶瓷管伸长或缩短，形成Z方向位移。压电陶瓷扫描管结构见图。（3）纳米级扫描运动——压电陶瓷扫描管（4）信号采集与数据处69◆

原子力显微镜（AFM）当两原子间距离缩小到级时，原子间作用力显示出来，