微细加工与微纳加工技术及应用

微细加工与微纳加工技术是先进制造的前沿技术领域，相关产业也是当前发展最快的产业之一。实现材料微纳结构化的基础是先进的微纳米加工技术和微细加工技术。微纳米加工技术，一般被简称为微纳加工技术，已经成为当今微纳米研究与产业化不可缺少的手段，广泛应用于机械、微电子、材料、机电、化工、能源、航空航天、通信、生物技术、医疗卫生、军事等领域。微细加工与微纳加工技术门类繁多，形成了小型化、高可靠性、高效率、低成本的特点。
由于受到基础装备、工艺技术、行业基础等多方面影响，我国微纳制造技术的研究与世界先进水平之间尚有差距，需要更多的宣传、普及和推广。特别是近年来，随着微纳米技术的蓬勃发展，出现了大量新型微器件和纳米结构器件，国内外介绍微纳米加工技术的技术专著和技术书籍也陆续出现。但这些出版物内容还不是很完善，有些是专门论述集成电路微加工技术，有些是专门论述微系统MEMS的机械微加工技术，把两方面内容有机地结合起来，进行全面、系统介绍的技术书籍较少。
为了更好地满足人们希望学习和了解微细加工与微纳加工技术的实际需要，本书编者力图深入微纳加工技术的发展前沿，综合梳理了近年来机械微加工和微纳加工领域的国内外新理论、新技术、新成果，编写了这本《微细加工与微纳加工技术及应用》。全书共分为12章：第1章为绪论；第2～6章分别介绍了微切削加工技术，微细电加工技术，激光的微纳米加工技术，面向MEMS与NEMS应用的金刚石CVD技术，纳米机械加工原理、方法与实现；第7～12章分别介绍了微纳米加工光刻技术、沉积法图形转移技术、刻蚀法图形转移技术、薄膜沉积技术、自组装纳米加工技术、微纳米加工技术的应用等内容。本书具有兼顾理论与实用、涵盖面广较广等特点。
本书由赵波、李伯民、李清等编著。具体分工如下：第1、4章由河南理工大学赵波、中北大学李伯民编写；第3、5章由刘兆华编写；第2、6、7、9、10、12章由中北大学李清编写；第8、11章由李伯民编写；此外，研究生刘荣帅、杜昱东、张鹏、丰玉玺、赵立婷为本书初稿整理付出了辛勤工作。在本书出版之际，对参与本书编辑的人员表示衷心感谢；书中引用了该领域一些研究成果和文献，对相关作者致以崇高敬意和诚挚的谢意。
当前微纳制造技术正在快速发展，应用领域不断深化和拓展。由于编者水平有限，书中难免存在不足之处，恳请广大读者批评和指正。

编著者
2020年6月

微细加工与微纳加工技术是当前发展最快的技术之一，已广泛应用于机械、微电子、材料、机电、化工、能源、航空航天、通信、生物技术、医疗卫生、军事等领域。本书综合了近年来机械微加工和微纳加工领域的国内外新理论、新技术、新成果。全书分别介绍了微切削加工技术，微细电加工技术，激光的微纳米加工技术，面向MEMS与NEMS应用的金刚石CVD技术，纳米机械加工原理、方法与实现；还重点介绍了微纳米加工光刻技术、沉积法图形转移技术、刻蚀法图形转移技术、薄膜沉积技术、自组装纳米加工技术、微纳米加工技术的应用等内容。
本书内容丰富、语言精练，具有较强的实践指导意义和实用价值。本书可供机电、微电子、新材料、通信、能源、化工等领域的科研人员、技术人员阅读或参考，也可作为相关专业大专师生的教学参考书。

第1章绪论 / 001
1.1先进制造技术发展趋势001
1.2 微制造001
1.3微切削003
1.4纳米材料、纳米技术004
1.5微纳米加工技术005
1.5.1微纳米加工技术的基本过程006
1.5.2微纳米加工成像工艺类型007

第2章微切削加工技术 / 009
2.1微切削加工技术概论009
2.2微切削力学010
2.2.1尺寸效应010
2.2.2切屑形成与最小切削厚度011
2.2.3比切削能与微切削力011
2.2.4表面生成和毛刺生成013
2.3微型刀具设计与制造015
2.3.1微型刀具尺寸与加工尺度015
2.3.2实柄微刀具的制造方法016
2.3.3涂层与实柄涂层微刀具016
2.3.4金刚石微切削刀具017
2.3.5微切削刀具的磨损018
2.4金刚石车削与微车削018
2.4.1超精密金刚石车削018
2.4.2金刚石车削加工微结构019
2.4.3微车削021
2.4.4微车削中的尺寸效应023
2.5微铣削加工技术025
2.5.1微铣削加工系统构成025
2.5.2微铣削机床025
2.5.3微铣刀026
2.5.4工艺条件027
2.5.5工件材料028
2.6微铣削中的力学028
2.6.1微尺度切削中的尺寸效应028
2.6.2最小切削厚度029
2.6.3工件材料微观结构的影响030
2.6.4微铣削技术面临的问题030
2.7微细钻削技术031
2.7.1微细钻头031
2.7.2微孔加工机床032
2.7.3微孔钻削工艺034
2.7.4微孔钻削实例037
2.7.5微孔钻削中颤振研究简介037
2.8微磨削技术038
2.8.1微（超精）磨削加工过程038
2.8.2金刚石微粉超硬砂轮超精密磨削040
2.8.3复合结合剂（黏结剂）金刚石微粉砂轮超精密磨削040
2.8.4微磨削加工脆性材料的去除机理041
2.8.5工件材料与金刚石磨粒之间的相互作用042
2.8.6微磨削的加工方法042
2.8.7在线电解修锐法（ELID）045
2.8.8微磨削加工实例046

第3章微细电加工技术 / 050
3.1电火花加工机理及特点050
3.2微细电极的在线制作与检测052
3.3电火花微铣削加工技术054
3.3.1电火花微铣削加工技术的特点054
3.3.2基于分层制造原理的电火花微铣削加工技术054

第4章激光的微纳米加工技术 / 058
4.1激光的基本原理058
4.1.1单色光束的产生058
4.1.2受激发射060
4.1.3二极管激光器061
4.1.4准分子激光器061
4.1.5钛：蓝宝石激光器061
4.2光束特性062
4.3激光光学062
4.3.1光学品质062
4.3.2激光加工原理063
4.4激光微米加工064
4.4.1纳秒脉冲微米加工064
4.4.2保护气体065
4.4.3表面熔化阶段划分066
4.4.4纳秒脉冲微米微加工的效果066
4.4.5皮秒脉冲微米加工066
4.5激光纳米加工技术068

第5章面向MEMS与NEMS应用的金刚石CVD技术 / 070
5.1CVD工艺原理与发展070
5.2金刚石CVD工艺类型071
5.3衬底072
5.3.1衬底材料的选择072
5.3.2衬底预处理073
5.3.3对钼/硅衬底的预处理073
5.3.4对硬质合金衬底的预处理073
5.4改进的热灯丝CVD工艺074
5.4.1热灯丝组件的改进074
5.4.2工艺条件074
5.5金刚石的成核与生长075
5.5.1成核阶段076
5.5.2同质外延生长076
5.5.3异质外延生长076
5.5.4偏压增强型成核(BEN)077
5.5.5温度的影响077
5.6金刚石在三维衬底上的沉积079
5.6.1在金属（钼）丝上金刚石沉积079
5.6.2在WC-Co（硬质合金）微型钻头上的沉积079
5.6.3在WC-Co牙钻上的金刚石沉积079

第6章纳米机械加工原理、方法与实现 / 081
6.1纳米机械加工概念及类型081
6.2纳米机械加工理论基础082
6.2.1切削力和切削能量082
6.2.2切削温度082
6.2.3切屑形成和表面生成083
6.2.4最小未变形切屑厚度083
6.2.5临界切削刃半径084
6.2.6工件材料特性084
6.3纳米机械加工的实现及应用前景085
6.3.1超精密机床085
6.3.2切削刀具087
6.3.3切削参数变化对加工表面质量的影响090
6.3.4实用化纳米尺度加工091
6.4超精密的砂带磨削方式094
6.4.1超精密砂带磨削方式094
6.4.2超声波砂带磨削运动与机理094
6.4.3砂带磨削的应用095

第7章微纳米加工光刻技术 / 096
7.1光学曝光技术097
7.1.1光学曝光方式与原理097
7.1.2光刻胶的特性099
7.1.3正型光刻胶与负型光刻胶100
7.1.4化学放大胶与特殊光刻胶100
7.1.5光学掩膜的设计与制作100
7.2短波长曝光技术101
7.2.1深紫外曝光技术101
7.2.2极紫外曝光技术101
7.2.3X射线的曝光技术102
7.3大数值孔径与浸没式曝光技术102
7.4厚胶曝光技术103
7.4.1酚醛清漆光刻胶103
7.4.2SU-8光刻胶103
7.5LIGA（光刻、电镀、注塑复制）技术104
7.5.1用于LIGA的X射线光源105
7.5.2X射线LIGA掩膜105
7.5.3用于X射线LIGA的厚胶及其工艺105
7.5.4影响X射线的LIGA图形精度的因素106
7.6电子束曝光技术107
7.6.1电子束曝光系统107
7.6.2电子束曝光图形设计与数据格式108
7.6.3电子束曝光的邻近效应及其校正109
7.6.4电子束抗蚀剂及其工艺110
7.6.5电子束曝光的极限分辨率114
7.7聚焦离子束加工技术114
7.7.1聚焦离子束系统115
7.7.2聚焦离子束加工原理116
7.7.3聚焦离子束加工技术应用116
7.7.4聚焦离子束曝光系统118
7.7.5离子束投影曝光技术118
7.7.6聚焦离子束注入系统119
7.8扫描探针加工技术119
7.8.1扫描探针显微镜原理120
7.8.2抗蚀剂曝光加工122
7.8.3局部氧化加工123
7.8.4添加式纳米加工123
7.8.5抽减式纳米加工125
7.8.6高产出率扫描探针加工126
7.9复制技术127
7.9.1热压纳米压印技术127
7.9.2室温纳米压印技术131
7.9.3紫外固化纳米压印技术131
7.9.4纳米转印技术133
7.9.5软光刻技术134
7.9.6大面积连续压印技术135
7.9.7塑料微成型技术136

第8章沉积法图形转移技术 / 138
8.1溶脱剥离法138
8.2电镀法139
8.3嵌入法140
8.4模板法141
8.5喷墨打印法142
8.6掠角沉积法143

第9章刻蚀法图形转移技术 / 145
9.1化学湿法腐蚀图形转移技术146
9.1.1硅的各向异性腐蚀146
9.1.2硅的金属辅助化学腐蚀147
9.1.3硅的各向同性腐蚀147
9.1.4二氧化硅(SiO2)的各向同性腐蚀148
9.2干法刻蚀图形转移技术148
9.2.1反应离子刻蚀148
9.2.2反应离子刻蚀的工艺参数150
9.3反应离子深刻蚀151
9.3.1电感耦合等离子体刻蚀系统151
9.3.2Bosch工艺152
9.3.3反应离子深刻蚀中存在的问题152
9.4等离子刻蚀153
9.5离子溅射刻蚀154
9.6反应气体刻蚀155
9.7其他物理刻蚀技术155

第10章薄膜沉积技术 / 157
10.1物理气相沉积法158
10.1.1真空蒸发沉积方法158
10.1.2溅射沉积法160
10.2化学气相沉积方法163
10.3原子沉积方法164
10.3.1ALD沉积原理164
10.3.2ALD沉积方法的优势165
10.3.3ALD加工纳米结构165
10.4纳米薄膜表面剥离制备方法165
10.4.1化学和机械剥离方法166
10.4.2各向异性刻蚀剥离方法166
10.4.3外延剥离法166
10.4.4SOI释放法167
10.5超光滑金属薄膜的制备167
10.5.1化学修饰法167
10.5.2过渡层诱导法168
10.5.3模板剥离翻转法168
10.5.4模板压致形变法168
10.6薄膜沉积技术制备微纳结构的方法169
10.6.1常规加工法169
10.6.2辅助加工法170
10.6.3特殊加工法175

第11章自组装纳米加工技术/ 177
11.1自组装概念、分类以及特点177
11.1.1自组装的概念177
11.1.2自组装的分类与特点177
11.2自组装过程179
11.2.1分子自组装179
11.2.2纳米粒子自组装180
11.3可控自组装180
11.4天然与人工合成纳米单体182
11.4.1DNA分子链183
11.4.2碳纳米管184
11.4.3纳米材料印刷技术185
11.5嵌段共聚物185
11.5.1微观相分离185
11.5.2可控制微观相分离186
11.5.3嵌段共聚物的应用186
11.6多孔氧化铝187

第12章微纳米加工技术的应用 / 188
12.1超大规模集成电路技术188
12.2纳米电子技术189
12.3微机电系统技术190
12.4微纳加工制作传感器与磁存储器件194
12.4.1传感器194
12.4.2磁存储器件194
12.5生物芯片技术196
12.6纳米技术197
12.7碳纳米管（CNTs）198
12.7.1碳纳米管的结构198
12.7.2碳纳米管的表征202
12.7.3碳纳米管的制备方法205
12.7.4碳纳米管的性能207
12.7.5碳纳米管的应用209
12.8手性半导体纳米材料及其应用210
12.8.1概述210
12.8.2手性半导体纳米材料的潜在应用211

参考文献 / 214