【正文】 面 。 ? 離子束濺射注入加工 ? 離子束 曝 光 ◎ 用在大規(guī)模集成電路制作中 ， 與電子束相比有更高的靈敏度和分辨率 。 48 ◆ 通常指納米級 （ ～ 100nm） 的 材料 、 設(shè)計 、 制造 、測量和控制 技術(shù) 。 納米技術(shù)涉及機械 、 電子 、 材料 、 物理 、化學 、 生物 、 醫(yī)學等多個領(lǐng)域 。 ◆ 在達到納米層次后 ， 決非幾何上的 “ 相似縮小 ” ， 而出現(xiàn)一系列新現(xiàn)象和規(guī)律 。 量子效應(yīng) 、 波動特性 、 微觀漲落等不可忽略 ， 甚至成為主導(dǎo)因素 。 ◆ 納米技術(shù)研究的主要內(nèi)容 ?納米級精度和表面形貌測量及表面層物理 、 化學性能檢測； ?納米級加工； ?納米材料； ?納米級傳感與控制技術(shù)； ?微型與超微型機械 。 第五節(jié) 納米技術(shù) 49 ? 掃描隧道顯微測量 （ STM） ? 掃描隧道顯微鏡 1981年由在 IBM瑞士蘇黎世實驗室工作的 和 發(fā)明 ， 可用于觀察物體 級的表面形貌 。 被列為 20世紀 80年度世界十大科技成果之一 ，1986年因此獲諾貝爾物理學獎 。 ?A? STM工作原理基于量子力學的隧道效應(yīng) 。 當兩電極之間距離縮小到 1nm時 ， 由于粒子波動性 ， 電流會在外加電場作用下 ， 穿過絕緣勢壘 ，從一個電極流向另一個電極 。當一個電極為非常尖銳的探針時 ， 由于尖端放電使隧道電流加大 。 50 STM STM工作過程演示 STM實物照片 51 通過掃描隧道顯微鏡操縱氙原子用 35個原子排出的 “ IBM” 字樣 石墨三維圖像 用 STM移動分子組成的 IBM字樣 用 STM觀察 石墨原子排列 52 ? 當探針與試件表面距離達 1nm時 ， 形成隧道結(jié) 。 當偏壓 Ub小于勢壘高度 φ時 ， 隧道電流密度為： 24212220??????????? kba eUdkhej式中 h —— 普郎克常數(shù)； e —— 電子電量； ka， k0 —— 系數(shù) 。 ? 由上式可見 ， 探針與試件表面距離 d 對隧道電流密度非常敏感 ， 這正是 STM的基礎(chǔ) 。 φ1 φ2 d 試件 STM探針 Ub STM隧道結(jié) 53 ? 兩種測量模式 （ 2） 恒電流測量模式：探針在試件表面掃描 ， 使用反饋電路驅(qū)動探針 ，使探針與試件表面之間距離 （ 隧道間隙 ） 不變 。 此時探針移動直接描繪了試件表面形貌 。 此種測量模式隧道電流對隧道間隙的敏感性轉(zhuǎn)移到反饋電路驅(qū)動電壓與位移之間的關(guān)系上 ， 避免了非線性 ， 提高了測量精度和測量范圍 。 b） 試件 輸出 運動軌跡 驅(qū)動電路 掃描器 檢測電路 控制器 STM工作原理 掃描器 檢測電路 a） 輸出 試件 運動軌跡 （ 1）等高測量模式： 探針以不變高度在試件表面掃描，隧道電流隨試件表面起伏而變化，從而得到試件表面形貌信息。 54 ? 關(guān)鍵技術(shù)： （ 1） STM探針 —— 金屬絲經(jīng)化學腐蝕 ， 在腐蝕斷裂瞬間切斷電流 ， 獲得尖峰 ， 曲率半徑為 10nm左右 。 STM針尖 55 （ 2） 隧道電流反饋控制 計算機 差分比較 積分放大 比例放大 高壓放大 A/D XYZ控制信號 設(shè)定電壓 前置放大 對數(shù)放大 （線性化） 探針 壓電陶瓷 試件 隧道電流反饋控制系統(tǒng)原理框圖 D/A 56 （ 3） 納米級掃描運動 —— 壓電陶瓷掃描管 （ 4）信號采集與數(shù)據(jù)處理 —— 由軟件完成。 ΔX ΔZ 陶瓷管 金屬膜 +UX UX UY +UY UZ a） L L 0 b） 壓電陶瓷掃描管結(jié)構(gòu)及工作原理 當陶瓷管內(nèi)壁接地 ， X軸兩外壁電極電壓相反時 ， 陶瓷管一側(cè)伸長 ， 另一側(cè)縮短 ， 形成 X方向掃描 (圖 b ) 。若兩外壁電極電壓相同 ， 則陶瓷管伸長或縮短 ， 形成 Z方向位移 。 壓電陶瓷掃描管結(jié)構(gòu)見圖 a ，其工作原理見圖 b。 57 ◆ 原子力顯微鏡 （ AFM） ? 當兩原子間距離縮小到 級時 ， 原子間作用力顯示出來 ，造成兩原子勢壘高度降低 ， 兩者之間產(chǎn)生吸引力 。 而當兩原子間距離繼續(xù)縮小至原子直徑時 ， 由于原子間電子云的不相容性 ， 兩者之間又產(chǎn)生排斥力 。 ?A? AFM兩種測量模式： ◎ 接觸式 —— 探針針尖與試件表面距離＜ ， 利用 原子間的排斥力 。 由于分辨率高 ， 目前采用較多 。 其工作原理是：保持探針與被測表面間的原子排斥力一定 ， 探針掃描時的垂直位移即反映被測表面形貌 。 ◎ 非接觸式 —— 探針針尖與試件表面距離為 ～ 1nm， 利用 原子間的吸引力 。 ? 為解決非導(dǎo)體微觀表面形貌測量，借鑒掃描隧道顯微鏡原理， 于 1986年發(fā)明 原子力顯微鏡 。 58 ◎ AFM探針被微力彈簧片壓向試件表面 ， 原子排斥力將探針微微抬起 。 達到力平衡 。 AFM探針掃描時 ， 因微力簧片壓力基本不變 ， 探針隨被測表面起伏 。 ? AFM結(jié)構(gòu) STM驅(qū)動 AFM掃描驅(qū)動 AFM探針 STM探針 試件 微力簧片 AFM結(jié)構(gòu)簡圖 ◎ 在簧片上方安裝 STM探針， STM探針與簧片間產(chǎn)生隧道電流，若控制電流不變，則 STM探針與 AFM探針（微力簧片）同步位移，于是可測出試件表面微觀形貌。 59 AFM實物照片 掃描探針 磁盤圖像 60 LIGA（ Lithographic Galuanoformung Abformung ） 1） 以同步加速器放射的短波長 （ ＜ 1nm） X射線作為曝光光源 ， 在厚度達 的光致抗蝕劑上生成曝光圖形的三維實體； 2） 用曝光蝕刻圖形實體作電鑄模具 ， 生成鑄型； 3） 以生成的鑄型作為模具 ，加工出所需微型零件 。 X射線曝光 腐蝕溶解 抗蝕劑 電鑄 鑄型 注射成形零件 LIGA制作零件過程 ? LIGA由深層同步 X射線光刻 、 電鑄成形 、 塑注成形組合而成 。 包括三個主要工序： 61 LIGA工作現(xiàn)場 62 50 μm X射線刻蝕的三維實體 ◆ LIGA特點 ?用材廣泛 ， 可以是金屬及其合金 、 陶瓷 、 聚合物 、 玻璃等 ?可以制作高度達 ～ ， 高寬比大于 200的三維微結(jié)構(gòu) ，形狀精度達亞微米 ◆ LIGA代表產(chǎn)品及應(yīng)用 ?微傳感器 、 微電機 、 微機械零件 、 微光學元件 、微波元件 、 真空電子元件 、微型醫(yī)療器械等 ?廣泛應(yīng)用于加工 、 測量 、自動化 、 電子 、 生物 、 醫(yī)學 、 化工等領(lǐng)域 ?可以實現(xiàn)大批量復(fù)制 ， 成本較低