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    "纳米制造的基础研究"重大研究计划系列成果汇报

    日期 2019-03-20   来源:工程与材料科学部   作者:赖一楠 王国彪 黎明 卢秉恒 雒建斌  【 】   【打印】   【关闭

      2019年1月8日,国家自然科学基金委员会批准“纳米制造的基础研究”重大研究计划(以下简称“该计划”)实施结束。该计划于2009年启动,累计资助项目153项,其中包括培育项目121项、重点支持项目24项、集成项目4项、战略研究项目4项。申请项目涉及工材、信息、化学和数理学部等,资助经费约1.9亿元。

      纳米制造是全球制造技术竞争的制高点,旨在通过纳米精度制造、纳米尺度制造和跨尺度制造为产品和器件提供特定功能。纳米制造技术的发展使制造对象由宏观进入到介观和微观,不仅可以大大拓宽制造技术的尺度范围、大幅度提升制造的精度和质量,而且可以发展基于物理、化学等基础科学研究成果和信息技术进步的新制造理论、方法和工艺,使得制造科学的研究更为深入,不同学科的交叉与融合得以拓展,相关学科的进一步发展成为可能。

      该计划实施期间,研究人员通过多学科交叉研究,探索基于物理/化学效应的纳米制造新原理与新方法,揭示了纳米尺度与纳米精度下加工、成形、改性和跨尺度制造中的表面/界面效应、尺度效应等,阐明了物质结构演变机理,建立了纳米制造过程的精确表征与计量方法,发展了若干原创性纳米制造工艺与装备,在原子级材料去除、纳米结构成形、跨尺度批量化制造的原理与方法上取得了一系列重大突破性进展,实现了系列高端装备的国产化,打破了国外垄断,服务于芯片制造中的晶圆抛光、光刻机镜头抛光、靶球微孔制造、米级二维计量光栅、空间航行器表面多级微纳结构蒙皮等国家重大科学/工程,为提升我国纳米制造工艺与装备水平提供了理论与技术基础。

      (1)挑战极高制造精度、实现表面亚纳米平坦。该计划研究人员提出了在原子层量级实现电子材料加工的新方法。从损伤机理与控制理论、原子尺度材料去除理论、全频段亚纳米面形精度生成理论与控制方法等角度,系统地解决了表面制造精度由纳米向亚纳米突破的共性理论问题(图1);提出了采用离子注入的材料界面改性原理与方法,深入研究了离子注入改性的界面演变机制,提高了晶体表面的纳米切削性能;探索了大尺寸硅片亚纳米表面粗糙度的一致性制造原理与工艺方法,通过晶圆全区域精确的分区压力控制、精确的抛光液配给控制以及抛光垫实时修整形态控制,实现了全尺寸亚纳米粗糙度表面制造;形成了晶圆化学机械平坦化装备、光刻机镜头抛光装备,在高端芯片制造生产线获得应用,打破了国外垄断,为芯片制造行业解决“卡脖子”问题提供了关键支撑。

      (2)追求极小制造尺度、确保元件纳米级加工。该计划研究人员提出了界面电荷调控的纳米压印新原理、新方法,从机理上解决了纳米结构填充与脱模的难题,发展成为国际上与紫外压印技术、热(激光)压印技术并列的新一代纳米压印技术,实现了最小线宽15 nm的高深宽比纳米结构制造(图2);形成了晶圆级气-电协同的纳米压印装备,发展了卷对卷滚压印制造方法与技术,为高通量的工业规模产业的实现提供了一种高效纳米制造的新方案,在国家重大工程、国防军事、消费电子等领域获得了应用,使纳米压印从实验室走向了工程应用;发明了高精度反射式光栅的压印制造工艺,实现了1 μm周期、± 0.2 nm周期精度的反射式光栅高精度制造,开发了超长超精密光栅、米级幅面二维光栅、米级幅面圆光栅等系列高端产品,解决了国产超精密定位传感器制造的技术瓶颈。

      (3)发展先进制造技术、解决跨尺度批量化难题。该计划研究人员提出了电子动态调控的飞秒激光制造新原理、新方法,首次实现了对瞬时局部电子动态的主动调控。建立了超快激光与材料相互作用的多空间尺度理论模型,提出并建立了“飞秒-皮秒-纳秒-毫秒”多时间尺度实时观测系统,实现了对飞秒激光微纳制造过程中电子动态的观测,为制造新方法提供实验证据(图3)。该方法将微孔加工效率提高了56倍,微孔加工极限深径比提高了50倍(可达1000:1),为国家重大科学工程的靶球制造提供了支撑;此外,该计划研究人员创新提出了一种“广义光刻”功能纳米结构选区构筑新方法,可将自组装分子层分区域重复制造,并可将纳米功能单元与微米结构在晶圆级上高效率的跨尺度集成,进而实现功能纳米材料和微米传感器等结构的集成制造。源于此技术的多种超灵敏传感器已经在公共安全和民生领域获得应用(图4)。基于该计划的激光结构光场的微纳3D直写、微结构表面的局域选择性多重构筑等批量化制造原理和方法,解决了纳米结构大面积、高精度制造的技术难题,可满足大幅面显示器、柔性薄膜太阳能电池、增强显示纳米波导等器件的批量制造需求。

      (4)形成自主制造装备、突破国际垄断与封锁。基于该计划研发的纳米制造方法与工艺体系,形成了达到国际先进水平的自主装备17台/套(不完全统计),打破相关领域的国际垄断,有效支撑了国家重大需求(图5)。例如,清华大学等单位研制的12英寸晶圆化学机械抛光设备及成套工艺应用于包括中芯国际在内的多家集成电路公司的生产线,已累积完成晶圆抛光超过45万片,成功替代国外进口设备。其他自主研发的微纳制造相关装备也实现了与国际同类最先进产品参数的对标超越,成功应用于中国工程物理研究院神光系列重大科学工程、成都光电所02专项光刻机平台纳米定位、上海光机所纳米平台位移测量、中国计量院圆度基标准装置等,对推进我国高端制造装备、空间探测、国防尖端武器研制具有重要意义。

      在该计划的资助下,研究人员在国际权威及专业期刊上累计发表论文3813篇,其中在Nature Nanotechnology Nature Materials Nature Physics等顶级期刊上发表论文19篇,ESI高被引论文91篇;授权发明专利935件(含美国/欧洲专利11项);获得国家自然科学二等奖6项、国家技术发明二等奖5项、国家科技进步二等奖1项。

      结束评估专家组认为,该计划的实施极大提高了我国在国际纳米制造领域的地位,实现了我国从跟踪到跻身世界先进行列的跨越式发展。经22位参加评估的专家投票,该计划获得了优秀等次。

      面向未来,该计划指导专家组提出,我国纳米制造还需要将制造尺度延拓到原子水平,探索支撑原子级制造理论与关键技术,形成基于上述新原理的工艺与装备,实现若干引领纳米制造的理论与技术,提升我国纳米制造研究在国际科学界的地位。

    图1 原子层级材料去除

    图2电荷动态调控的纳米结构成形

    图3 电子动态调控的飞秒激光制造原理与方法

    图4 “广义光刻”功能纳米结构选区构筑新方法及其在高性能传感中的应用

    图5 自主研发的典型纳米制造装备




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