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奈米加工技術發展趨勢

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出版作者 黃仲龍
出版單位 工研院IEK系統能源組
出版日期 2005/01/07
出版類型 產業報告
所屬領域 機械設備
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摘要

奈米技術與材料在過去十年來,在IC技術及奈米材料之發展下,已有相當突破性的研究成果,這些研究發展主要方向是著重在物理、化學、材料、化工、電機、光電與機械等方面,在實際應用上具有特殊及特定功能性,它的發展需要基礎物理、化學、材料、電機及機械等相關領域做有效之整合。這樣的整合,近年來在研究上有突出的發展,它不只有應用的價值,更在基礎科學開發了許多新領域。例如:奈米結構感測材料、電子陶瓷、光電材料、場發射顯示器、微制動器、微機電系統等應用上的開發。而奈米應用領域擴大有賴於奈米加工技術升級,本研究從技術發展角度探討奈米加工技術未來發展趨勢。

在LIGA技術部分,LIGA技術在國外已發展二十餘年,根據NEXUS Task Forces的調查,目前微系統較為主要的應用產品為資訊產業的硬碟讀取頭、噴墨頭等,另外汽車工業所需的溫度及壓力感測器等。除了上述較為成熟的產品外還有微閥、微幫浦等微機械,光電產業的光切換器、光連接器、光波導與應用於生醫產業的血糖感測器、生物晶片等產品,也漸應用LIGA技術來製作,還有顯示器產業背光模組中膜片模仁製作的比重也逐漸提高。近年來國外有數家廠商投入LIGA的代工服務,如Mezzo Systems、Axsun Technologies等,似亦有走向專業分工的趨勢。

在微機械加工部分,超精密鏡面加工近年來被大量使用於光電產業,在影像(Image)與顯示器(Display)兩大領域應用最廣。我國在1980年代積極投入,先後建立了平面、圓筒、角錐鏡、球面鏡、非球面鏡、Fresnel Lens等鏡面加工技術。此等技術的建立對現今台灣蓬勃發展之光電產業有極大之貢獻。上述元件形狀精度可達Rt:0.2mm,表面粗糙度Ra:6nm,與世界水準齊平。

在放電微細線切割上,目前只有極少數公司的機器具備此功能,其作法均是在大型線切割機上採用微細線(>0.05mm)進行,且只能做立式切割。新興加工技術主要包括電子束直寫微影技術與奈米轉印技術。電子束微影由於可以提供絕佳的解析度,極適合用於製造各種光微影術所需的原型圖罩(Master Mask),因此,它是一種極重要的微影術,在可預見之未來,尚無法由其他微影技術所取代。目前半導體產業對於微影製程技術的要求,在2003年已由0.13微米邁入90奈米,預計在2004年底將達到65奈米。在各種次世代微影技術中,目前最被歐美日大廠所看的技術有二,一是歐美大廠所支持的波長13.5奈米之極短紫外光(Extreme UV)微影技術,其解析度約可達35奈米,另一則是日本大廠所推之電子束投影式(E-Beam Projection)微影技術。由於電子束投影微影技術是由傳統用於光罩製作的圓點束電子束微影技術演變而來,故其所需的硬體週邊和化學阻劑材料相對較為成熟,因此,極可能成為次世代微影(後光學微影)技術的主流。

而奈米轉印技術自1995年起席捲歐、美等國家一股研究熱潮後,發展至今已屆近十年之久,目前為止包括歐洲(德、奧、瑞典…等)、美洲(美、加)及亞洲(台、日、韓)等已至少十幾個國家以上,數十上百個產學研單位參予相關的研究。近幾年來全球雖有大量人力資源投入奈米轉印技術的開發,對於可應用之產品也逐漸明朗化,但目前僅有一家公司宣稱已應用奈米轉印技術製造並販賣奈米光通訊元件(Nano Opto,生產次波長光通訊元件SOE)。大部分的企業對於奈米轉印技術仍抱持觀望的角度。

在應用市場部分,根據NEXUS Task Forces的調查,微系統產品的市場每年以超過20%的增加率成長,在2002年市場總值已經超過40億美元,目前較為主流的產品為資訊產業的硬碟讀取頭、噴墨頭等,兩者產值約佔整個微系統產品的一半以上達24億美元,另外汽車工業所需的溫度及壓力感測器,還有顯示器產業背光模組中膜片也是重要應用。另據Yole Development公司於2004年6月的預測,全球微系統市場規模2005年將達54億美元。為了解奈米加工技術發展趨勢,本研究針對目前微機電最為採用之LIGA作為研究標的,以技術道路圖方式,分析產品功能與關鍵技術,探討未來可能演變及技術缺口,提供給業界做為參考。

目錄

=====章節目錄=====

第一章 緒論

  第一節 研究動機與目的

  第二節 研究範圍

  第三節 研究方法

    一、初級資料

    二、次級資料

  第四節 研究架構

  第五節 研究程序

第二章 奈米加工技術概述

  第一節 LIGA技術

    一、LIGA技術定義

    二、LIGA技術特性分析

    三、LIGA技術國內外發展現況

  第二節 微機械加工技術

    一、超精密加工技術

    二、微放電加工技術

  第三節 新興加工技術

    一、電子束直寫微影技術(E-Beam Direct Write Lithography)

    二、奈米轉印微影技術(NanoImprint Lithography, NIL)

第三章 奈米加工技術之應用市場

  第一節 整體市場概況

    一、市場規模

    二、產品發展趨勢

    三、台灣廠商開發動態

  第二節 微放電加工技術應用市場概況

    一、機械設備領域

    二、資訊電子領域

    三、光電通訊領域

    四、醫療生物領域

  第三節 奈米轉印微影技術應用市場概況

    一、電子產業:

    二、多媒體記錄產業:

    三、光學元件:

    四、生醫晶片:

    五、主要廠商發展概況

    六、產品發展趨勢

第四章 技術發展分析

  第一節 研究方法

    一、科技發展預測方法

    二、各種預測方法之定位

    三、技術道路圖分析預測法

  第二節 研究結果

    一、定義主要應用領域

    二、產品功能項目分析

    三、產品功能屬性分析

    四、產品與技術缺口分析

    五、技術變動歷程分析

    六、完成產品與技術之技術道路圖

第五章 結論與建議

  第一節 結論

    一、奈米加工技術發展趨勢

    二、奈米加工技術應用市場概況

    三、技術發展分析

  第二節 建議

=====圖目錄=====

圖1-1 研究架構

圖1-2 研究程序

圖2-1 奈米加工技術分類

圖2-2 LIGA製造流程說明

圖2-3 Application field for precision-machining in terms of absolute sizes and absolute and relative tolerances.

圖2-4 Progress of accuracy in machining

圖2-5 加工過程誤差的產生

圖2-6 放電原理

圖2-7 單發放電狀況

圖2-8 傳統微細電極加工法

圖2-9 WEDG原理及Micro-EDM典型電路示意圖

圖2-10 RC回路

圖2-11 Panasonic公司開發的微放電加工電極修細裝置

圖2-12 立臥兩微放電線切割加工機

圖2-13 (左)內齒輪組;(右)微小塔(微放電加工成品)

圖2-14a 單層加工時電極以軌跡重複(A→B→C→D)方式進行

圖2-14b 電極單層加工前後概略圖

圖2-14c 層狀加工電極的補償方式

圖2-15a 空心電極加工型態

圖2-15b 層狀加工

圖2-16 光源波長在光學微影的趨勢與積體電路微小化趨勢對比圖

圖2-17 曝光前後正阻劑分子量分布圖

圖2-18 電子束與物質交互作用示意圖

圖2-19 電子與原子碰撞示意圖

圖2-20 以蒙地卡羅法所計算出的電子運動跡圖

圖2-21 以蒙地卡羅法所計算出的電子束能量沉積分布圖

圖2-22 不同加速電壓下的電子運動跡圖

圖2-23 不同原子序材料的背向散射係數曲線圖

圖2-24 曝光切割與劑量補償前後

圖2-25 電子腔結構示意圖

圖2-26 熱游離發射電子源示意圖

圖2-27 肖基場發射電子源示意圖

圖2-28 電磁式電子聚束透鏡示意圖

圖2-29 靜電式電子聚束透鏡示意圖

圖2-30 電子束曝光方式示意圖

圖2-31 電子束形狀示意圖

圖2-32 限角度散射投影式電子束微影示意圖

圖2-33 平行度不佳之壓印

圖2-34 壓印力不均勻之壓印

圖2-35 熱壓型奈米轉印製程

圖2-36 10nm線寬轉印結果

圖2-37 步進轉印微影示意圖

圖2-38 滾輪式轉印技術

圖2-39 紫外光型奈米轉印製程

圖2-40 微觸轉印製程

圖2-41 各種軟微影製程

圖2-42 LADI技術的轉印解析度可達10奈米以下

圖2-43 LADI製程技術

圖3-1 整合於現有雕模放電加工機的微放電加工裝置

圖3-2 Nanonex NX-series

圖3-3 Obducat 6”-NIL設備

圖3-4 EVG HE-520&EVG501

圖3-5 SUSS MicroTec NPS 200

圖3-6 MII IMPRIO-Series

圖3-7 NND NANOSIS 610

圖3-8 Hitachi HE-NIL設備

圖3-9 Nanonics HE-NIL設備

圖3-10 Scivax NIL設備

圖3-11 ITRI機械所HE-NIL設備

圖3-12 Sygertech針對奈米成形技術結合台灣產業競爭力與未來市場規模發展的預估

圖4-1 科技預測各種方法

圖4-2 各種預測方法之定位

圖4-3 微/奈米結構模造(LIGA)技術道路圖

圖5-1 台灣奈米產業定位

=====表目錄=====

表2-1 微細加工技術的特點比較

表2-2 微小3D放電加工電極形式與補償方式比較

表2-3 主要NIL技術比較

表3-1 全球奈米技術市場需求預測

表3-2 我國微系統產業主要廠商概況

表3-3 我國微奈米製造技術之技術來源

表3-4 我國微奈米技術應用概況

表4-1 奈米加工技術發展趨勢座談會與會人員名單

表4-2 LIGA加工技術功能項目

表4-3 LIGA加工技術功能項目之表決結果

表4-4 奈米加工技術重要功能屬性

表4-5 奈米加工技術重要功能屬性之表決結果

表4-6 奈米加工技術之關鍵技術

表4-7 奈米加工技術之關鍵技術表決結果

表4-8 奈米加工技術得分最高之前四項關鍵技術

表4-9 LIGA技術變動歷程分析

表5-1 奈米產業之創新需求要素

表5-2 政策工具與產業創新需求要素關聯表
章節檔案下載
第一章 緒論
6
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第二章 奈米加工技術概述
65
0 元/點
第三章 奈米加工技術之應用市場
26
0 元/點
第四章 技術發展分析
28
0 元/點
第五章 結論與建議
9
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第六章 附錄
4
0 元/點
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