Нанотехнологии в реновации

Лекция № 13

Размерная нанообработка

Лезвийная нанообработка. Наношлифование. Электроэрозионная обработка.

Лазерная нанообработка. Нанолитография: электронно-лучевая; ионно-

лучевая; рентгеновская. Нанообработка сканирующими зондами.

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ РАЗМЕРНОЙ

НАНООБРАБОТКИ

Размерная нанообработка – это обработка изделий с наноразмерной

погрешностью.

Методы размерной нанообработки направлены на изменение размера и

формы изделий посредством локального инструментального воздействия.

Основные группы методов суперпрецизионной обработки:

- размерная нанообработка объемных изделий (лезвийная, абразивная,

электроэрозионная, лазерная и др.);

- нанообработка сканирующими зондами;

- нанолитография.

ЛЕЗВИЙНАЯ НАНООБРАБОТКА

Алмазное наноточение

- применяют при изготовлении деталей из цветных сплавов

(металлических зеркал, магнитных дисков ЭВМ и др.)

По сравнению с обработкой свободным абразивом позволяет повысить до

10 раз производительность процесса и исключает шаржирование (насыщение

поверхности инструментов (притиров) абразивным порошком или пастой).

Условия:

- траектория движения резца должна соответствовать расчетной траектории с

точностью до 0,001 мкм;

- точность вращения шпинделя или стола с обрабатываемой деталью должна

быть того же порядка.

2

.8

z

SR

R

Параметр Rz прямо пропорционален квадрату подачи и обратно

пропорционален радиусу резца.

10 20 30 S, мкм/об.

0,4

0,2

0

Rz, мкм

Важное значение имеет критическая температура резца (окисление,

увеличение размера инструмента при высоких Т).

Для получения высококачественных поверхностей применяются алмазные

резцы с прямолинейной режущей кромкой (фацеткой), например резец типа ИР.

Процесс обработки состоит из двух составляющих: резания и выглаживания.

Фацетка многократно проходит по обр. поверхности, либо подрезая, либо

приминая неровности, что позволяет получить Ra < 0,01 мкм.

В России созданы особо точные станки моделей МК6511, МК6512, МК6522Ф3

и др., обеспечивающие точность формы на длине 100 мм до 0,2 мкм и

шероховатость 3…5 нм.

Характеристики сверхточного станка МК6521Ф3.04 с ЧПУ (Россия):

•Наибольший d заготовки: 300 мм

•Наибольшая L заготовки: 200 мм

•Дискретность отработки перемещений по осям x и z: 10 нм

•Шероховатость обрабатываемой поверхности Rz: менее 25 нм

•Погрешность формы обработанной поверхности: 0,5 мкм

Характеристики обрабатывающего центра Ultra NANO 100 (Япония)

- дискретность линейных перемещений – 0,07 нм.

- зона осевых перемещений — 100×100×55 мм.

Характеристики системы Nanoform 700 Ultra (США):

- Рабочая зона станочной системы (x×z) - 350×300 мм.

- Ra не превышает 2 нм,

- погрешность формы - не более 150 нм.

Наношлифование

Различие между нанополированием и наношлифованием:

- при нанополировании допустимая погрешность размеров не обязательно

лежит в наноразмерном диапазоне.

- при наношлифовании достигается суперпрецизионная точность размеров.

При наношлифовании нужна суперпрецизионная точность базирования

заготовки.

Круглошлифовальный станок модели S12

(Германия)

для высокоэффективной обработки с

погрешностью около 10 нм.

Термическая стабильность конструкции

сохраняется благодаря встроенным агрегатам

охлаждения.

Ультрапрецизионный крупногабаритный

профилешлифовальный станок UPG-DXNC (Япония)

Оснащен гидростатическими направляющими.

Давление масла в гидросистеме регулируется от нагрузки на рабочий стол.

Дискретность вертикальной подачи – 10 нм.

Разрешающая способность линеек обратной связи – 2 нм.

Зона шлифования – от 600×400 до 600×800 мм.

Электроэрозионная нанообработка

заключается в изменении формы, размеров, шероховатости и свойств

поверхности заготовки под воздействием электрических разрядов в

результате электрической эрозии.

Под действием сил, возникающих в канале разряда, материал

выбрасывается из зоны разряда в рабочую жидкость, окружающую его, и

застывает в ней с образованием отдельных частиц. В месте действия

импульса тока на поверхности электродов появляются лунки.

Схема

электроэрозионного

метода обработки:

1 – электрод-инструмент;

2 – заготовка;

3 – жидкий диэлектрик;

4 – электрические разряды

Электроэрозионный станок Nano EDM AE 05 (Япония)

– имеет следующие характеристики:

- ход стола (X×Y×Z) 50×50×25 мм;

- минимальный диаметр обрабатываемого отверстия – 2,9 мкм.

Характеристики электроискрового вырезного станка EXC-100L (Япония):

•Ход стола X / Y и ход оси Z: 100×120×100 мм

•Дискретность подач привода (5 осей): 10 нм (X,Y,U,V) / 100 нм (Z)

•Достижимая точность обработки: ±0.8 мкм

•Наилучшая шероховатость: Ra = 30 нм (Rmax = 230 нм)

•Минимальная ширина реза: 38 мкм (проволока d = 0,03 мм)

•Макс. размеры заготовки (ДхШхВ) / вес: 150×150×60 мм / 10 кг

•Диаметр проволоки: d = 0,03…0,1 мм

Лазерная нанообработка представляет собой суперпрецизионную обработку, осуществляемую посредством

лазерной абляции (удаления вещества с поверхности материала с помощью лазерного

импульса).

Лазерная обработка осуществляется на специальной технологической установке.

Качество лазерной обработки определяется погрешностью фокусировки луча,

постоянством мощности лазерного импульса и его продолжительностью.

1

2

3

4

5 6

7 8

9 10

Принципиальная схема лазерной технологической установки:

1 — лазер, 2 — блок питания, 3 — излучение, 4 — оптическая головка,

5 — обрабатываемая деталь, 6 — координатный стол, 10 — микропроцессор

СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ: 7 - визуального, 8 - параметров лазера, 9 – тех. процесса,

оптическая система (а) контрольная система (б)

Фемптосекундная нанообрабатывающая система FLS-100 (Япония)

предназначена для резания и сверления металлов, полупроводников,

диэлектриков, композитных материалов, полимеров.

- обеспечивает трехмерное позиционирование с разрешением менее 200 нм,

автофокусировку с погрешностью ±10 нм.

- система оснащена He-Ne-лазером (с длиной волны 543,5 нм) и ТВ-монитором

для наблюдения за обработкой в режиме реального времени.

- продолжительность импульса 150 фс.

Обработка заготовок может производиться в атмосфере, в инертном газе или в

вакууме.

НАНООБРАБОТКА СКАНИРУЮЩИМИ ЗОНДАМИ

Сканирующий туннельный микроскоп получил широкое применение и

для направленного манипулирования атомами на поверхности твердого

тела, а также локального окисления и локального химического осаждения из

газовой фазы.

Манипулирования атомами на поверхности

Существуют параллельные и перпендикулярные процессы переноса

атомов.

В параллельных – атомы или молекулы заставляют двигаться вдоль

поверхности.

В перпендикулярных – атомы переносят с поверхности на острие зонда и

обратно.

В обоих случаях конечной целью является перестройка поверхности на

атомном уровне.

Параллельные процессы

Перемещение атомов параллельно поверхности подложки может быть

осуществлено в процессе скольжения (рис).

Связи между перемещаемыми атомами и подложкой не разрываются.

Зонд приближают к атому на расстояние, необходимое для проявления сил

межатомного взаимодействия (задается большая величина туннельного тока).

Поддерживая ток постоянным, зонд перемещают вдоль поверхности в новую

позицию, затем, уменьшая ток, отводят от поверхности на прежнее расстояние.

подложка

абсорбат

а

б в

г

д

Схема манипулирования атомами

посредством скольжения:

а и д – наблюдение;

б – связывание с зондом;

в – скольжение;

г – отделение от зонда

Перпендикулярные процессы

Атомы или молекулы переносятся с поверхности подложки на острие зонда и

обратно.

Манипуляция атомами может осуществляться контактным переносом, с

помощью полевого испарения и электромиграции.

Контактный перенос осуществляется сближением зонда и атома до

минимального расстояния.

Атом оказывается одновременно связанным и с зондом, и с подложкой.

Зонд с атомом отводят от поверхности.

Имеет место, когда связь атома с подложкой слабее сил на зонде.

Контактный перенос осуществляют без приложения электрического поля. Это

делает их трудно управляемыми с помощью внешних воздействий.

Полевое испарение использует свойство атомов переходить с подложки на

зонд при приложении между ними электрического поля.

Его рассматривают как термически активируемый процесс, в котором

поверхностные атомы ионизируются приложенным электрическим полем,

испаряются и, дрейфуя в этом поле, легче преодолевают потенциальный

барьер, отделяющий их от зонда.

Электромиграция в зазоре зонд – подложка.

Поток носителей заряда увлекает за собой отдельные атомы благодаря как

зарядовому взаимодействию, так и в результате передачи части кинетической

энергии от движущихся электронов атомам при прямых соударениях.

Атомная электромиграция обратима.

НАНОЛИТОГРАФИЯ

Нанолитография (литография наноразмерного рисунка или рисунка с

наноразмерной точностью) имеет следующие основные типы:

• лучевая нанолитография (оптическая, рентгеновская, электронно-

лучевая, ионно-лучевая);

• микроконтактная печать;

• наноимпринтинг.

Для генерации рисунка на подложке посредством лучевой

нанолитографии имеются два основных пути:

- одновременное экспонирование всего изображения целиком

(проекционная литография);

- последовательное экспонирование острофокусным лучом (сканирование)

отдельных участков подложки от точки к точке (сканирующая

литография).

Лучевой способ переноса рисунка с шаблона на поверхность подложки

Изготавливается шаблон с необходимым рисунком.

На поверхность пластины наносится фоточувствительный слой – резист.

С помощью УФ, рентгеновского или др. источника рисунок экспонируется через

фотошаблон

(может лежать на поверхности резиста (контактная печать) или находиться на

расстоянии от него).

Во втором случае изображение фотошаблона проецируется на поверхность резиста с

уменьшением с помощью оптической системы (проекционная печать). 1

2

3

4

5 6

Далее на фоторезист действуют травителем.

Проэкспонированные участки резиста стравливаются со

скоростью, во много раз отличающейся от

неэкспонированной (если с большей — то получается

позитивное изображение шаблона, если с меньшей — то

негативное).

При длительном травлении рисунок начинает вытравливаться

и на подложке.

С помощью 193-нм лазеров можно сделать рисунки до 45 нм.

Лучевая проекционная нанолитография:

1 — источник излучения; 2,4 — оптические (фокусирующие) элементы; 3 — маска-

шаблон; 5 — резист; 6 — подложка

Рентгеновская нанолитография

Процесс осуществляется с помощью пучка фотонов с длиной волны около 1

нм. Ввиду невозможности сфокусировать рентгеновский пучок аналогично

оптическому приходиться создавать маски в масштабе 1:1.

Недостаток – использование громоздкого и мощного рентгеновского

источника.

Электронно-лучевая нанолитография

Процесс осуществляется:

- проекционным методом (используется расфокусированный пучок,

облучающий всю подложку сразу).

Разрешение – 50 нм.

Недостаток - используется маска-шаблон.

- точечным методом (хорошо сфокусированный (магнитным полем) пучек.

Разрешение – 20 нм и менее.

Недостаток - низкая производительность,

Ионно-лучевая нанолитография

Этот процесс подобен электронно-лучевой литографии.

Благодаря меньшей длине волны для ионов достигается большая резкость

изображения, используется большее увеличение при проекционном способе.

Результат - существенно повышается производительность.

Разрешение – менее 5 нм.

Пример – установка ionLiNE компании Raith GmbH.

Разрешение (XYZ) 1×1×2,5 нм, минимальный размер элемента — около 10 нм.