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奈米科技 在 機械產業之機會

奈米科技 在 機械產業之機會. 工研院機械所 蔡聖豐 200 3. 1 1.18. 內容大綱. 奈米商機 vs 機械產業之機會 奈米材料加工設備 奈米級加工技術 / 奈米轉印 奈米轉印製程與設備 奈米級設備儀器之平台技術 隔振平台 定位平台 奈米 核心設施及其他. 奈米科技對產業發展的影響. 奈米尺寸. 新的特性被發現 新的契機將導致產業技術革命性的改變. ‧‧ 化學活性 ‧‧ 導電性 ‧‧ 絕熱性 ‧‧ 光學性質 ‧‧ 順磁性 ‧‧ ‧‧ ‧‧.

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奈米科技 在 機械產業之機會

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Presentation Transcript

  1. 奈米科技在機械產業之機會 工研院機械所蔡聖豐2003.11.18

  2. 內容大綱 • 奈米商機 vs 機械產業之機會 • 奈米材料加工設備 • 奈米級加工技術/奈米轉印 • 奈米轉印製程與設備 • 奈米級設備儀器之平台技術 隔振平台 定位平台 • 奈米核心設施及其他

  3. 奈米科技對產業發展的影響 奈米尺寸 新的特性被發現新的契機將導致產業技術革命性的改變 ‧‧化學活性 ‧‧導電性 ‧‧絕熱性 ‧‧光學性質 ‧‧順磁性 ‧‧ ‧‧ ‧‧ 資料來源：Dr. M.C. Roco,美國國家科學與技術委員會，奈米科技小組委員會主席，2001/8/28, Cancun, Mexico 4

  4. 2010年美日奈米產品市場價值估計 * 機器設備相關的產值約佔所有產值的4% ~ 5%，高達500億美元以上

  5. 奈米商機 v.s. 機械產業之機會 奈米產業 ? 客戶在那裡? 機械產業機會? • 兒茶素之分離 • 光觸媒加入衣物 • Terra-byte Storage Disk • …. • 奈米技術的發展及應用要靠設備來實現 • 製程及產品開發需要奈米加工設備來執行驗證 • 品管需要奈米檢驗設備 • 產品的商業化及量產更需要好的設備技術 雖無明確的奈米產業 卻又像有無窮的應用商機

  6. 奈米國家型科技計畫之計畫目標

  7. 工研院十大重點計畫 奈米電子 顯示器 資訊儲存 通訊 奈米構裝 奈米生技 基礎產業 能源應用 應用創新 發揮奈米特性，結合產業專門知識 平台技術 奈米材料 理論模擬 檢測分析/設備開發 核心設施建置

  8. 奈米商機 vs 機械產業之機會 • 奈米材料加工設備 • 奈米級加工技術/奈米轉印 • 奈米轉印製程與設備 • 奈米級設備儀器之平台技術 隔振平台 定位平台 • 奈米核心設施及其他

  9. 奈米材料製造設備 各型設備需求 蒸發冷凝、化學氣相合成、液滴法、沉澱法、sol-gel、高能球磨、雷射剝離、模板合成、相平衡成長、微影蝕刻、簇射束沉積... • 零維 • 團簇(clusters)、 微粒 • 一維 • 奈米線、碳管(CNT) • 二維 • 超微薄膜、超晶格薄膜、顆粒膜、界面 • 三維 • 奈米晶粒材料、奈米相材料、奈米複材

  10. 奈米粉體應用領域 有機高分子 金屬 奈米粉體應用領域 牛奶,食用油,植物纖維 食品殺菌劑,注射劑,點滴劑 藥品ABS/尼龍/聚脂/環脂,+奈米黏土 機能性材料(難燃,耐熱,阻氣,..)有機化物,顏料+油脂 塗料,油墨 Pt,Ru 燃料電池Au,Ag,Cu 配線材料觸媒Bi,Te Cooling CaCO3 補強填料,白色顏料Al2O3,ZrO2,Si3N4,SiC,TiC 特用陶瓷(高溫強度,耐磨,耐蝕…)Al2O3,TiO2,SiO2,Fe2O3紫外線吸收,太陽電池,光觸媒,CMP MO2C,MO2N Package,DisplayW2C,W3N Hard CoatingMgO,BaTiO3,SrBiTa2O4介電材料ITO,SnO 透明電極ZnS,ZnO 螢光體,紅外線吸收 Fe2O4,Fe3O4電磁波遮蔽,高密度記錄媒體 無機非金屬

  11. 奈米材料加工設備應用及技術發展趨勢 • 目前及未來之應用領域 • 食品,醫藥:牛奶, 食用油,注射劑... • 光電產業:顯示器,光觸媒,介電材料,透明電極, 太陽能電池,.. • 塗料,油墨業:有機化物, 顏料,油脂 • 高密度儲存媒體: Fe2O4,Fe3O4, ... • 傳統應用領域 • 礦石,岩石粉碎 • 榖糧,農藥粉碎 • 媒,鹽,粘土粉碎 • ……. • 未來發展 • 提高設備產量 • 縮小粒徑分佈 • -- 誇領域 成品精度 粒徑尺寸: >50μm 粒徑尺寸: 100 nm 粒徑尺寸: < 30nm • 迴旋破碎機 • 鎚式破碎機 • 輪輾機 • 管磨機 • 濕式微粒研磨機 • 高壓對撞型奈米微粒均質 • 乾式奈米微粒研磨設備 • 高溫超重力微粒合成設備 • 雷射剝離設備 • 微波電漿微粒合成設備

  12. 奈米微粒之製程與設備

  13. 奈米粉體之製程

  14. 濕式奈米粉體之新製程 工研院化工所的研究: 在顏料墨水中，若是顏料粉體的尺寸在30~60 nm之間，則顯示出來的顏色亮度及彩度的效果會有大幅度的提升。 工研院機械究所: 正嘗試發展一種利用磁力分離研磨介質的研磨設備(已獲得專利)，可以使用較小的微米級研磨介質，一方面藉由磁力搭配流場設計，提高研磨介質與粉體材料的碰撞頻率，一方面再藉磁力分離研磨介質，避免介質可能造成的堵塞，提高持續性運轉的功能，預計能夠將墨水中的顏料粉體研磨到30nm左右的塗料粉體，並具有量產可能性。

  15. 現有產品 現有產品 計畫目標 計畫目標 25 300 250 20 200 15 150 10 100 5 50 0 0 0 2 4 6 8 10 12 120 140 160 180 0 20 40 60 80 100 奈米設備開發-奈米微粒研磨設備 (機械/化工) 創新技術 • 分離方式：利用磁力侷限導磁性研磨介質的運動區域，使其與受流場驅動之微粒產生不同方向之運動而分離。 • 研磨方式：以複合力方式研磨，磁力形成旋轉磁場帶動研磨介質運動，轉子配合流道設計產生旋轉力及離心力，幫浦推動分散液及微粒軸向循環流動，產生更多的擾動。 發展目標 百分比 (%) 微粒平均粒徑 (nm) 研磨時間(hr) 微粒粒徑(nm)

  16. 奈米商機 vs 機械產業之機會 • 奈米材料加工設備 • 奈米級加工技術/奈米轉印 • 奈米轉印製程與設備 • 奈米級設備儀器之平台技術 隔振平台 定位平台 • 奈米核心設施及其他

  17. Marco Lithography Gap：5-100nm Meso Micro Self-Assembly 加工與成型技術趨勢

  18. 奈米級加工設備與製程 • 超精密切削／研磨 • 微影─ EUV, EB, FIB, X-ray, NIL • 能量束加工─EB, FIB, laser, plasma • SPMM • 成形─molding, imprint • 電化學加工 Leica VB-6HR (Cornell NanoFab Facility)

  19. 奈米轉印技術意義 • 將具有奈米結構之模仁，透過各種方式（如熱壓、UV光曝照等）轉印至特定材料上，使其達到大量轉印/量產化之目的

  20. Lithography : the most important & expensive process (40％ of total cost) of semiconductor fabrication Semiconductor ＆MEMS Fab.

  21. Linewidth(nm) UV Next Generation Lithography （NGL） DUV NIL E-Beam Writer EUV (13.5nm) Lithography Roadmap

  22. 奈米轉印設備技術 奈 米 結 構 元 件 設備價格競爭力 量產設備價格低 Nano-imprint E-Beam EUV DUV 奈米定位平台技術 奈米設備隔振技術 非量產設備價格昂貴 量產設備 價格昂貴 光學繞涉極限 130 90 65 45 (線寬:nm) 2001 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 (Year) 次世代微影製程設備技術研發Outlook

  23. Nanoimprint Lithography(NIL) NIL奈米轉印微影術基本概念 mold （1）heating resist substrate （2）Pressing、Cooling 奈米級表面結構加工 : 更細 更快 更便宜 （3）Demolding （4）RIE ◎Chou, S. Y., Krauss, P. R. & Renstrom, P. J.”Imprint Lithography with 25-nanometer resolution.” Science 272, 85-87(1996).

  24. 奈米商機 vs 機械產業之機會 • 奈米材料加工設備 • 奈米級加工技術/奈米轉印 • 奈米轉印製程與設備 • 奈米級設備儀器之平台技術 隔振平台 定位平台 • 奈米核心設施及其他

  25. 奈米轉印三大主要技術 Soft Lithography (μ-contact Printing) Step and Flash Imprinting Lithography NanoImprint Lithography

  26. Nanoimprint Lithography (NIL)--透過熱壓達到大面積奈米結構轉印 • 技術來源：S. Y. Chou, Princeton U. • 大面積壓印(Wafer level) • High throughput • 加熱加壓 • 需高潔淨度無塵室 • 第一台設備  Nanonex公司 • 第一個產品  Nanopto公司 Nanopto S.Y. Chou, Princeton

  27. Step and Flash Imprinting Lithography--於室溫下以UV光曝照重複壓印成大面積 • 技術來源：C. G. Willson, U. of Texas • 室溫低壓 • 多層對準 • 小面積並重複壓印 • 第一台設備  MII公司 Micron scale 3-tier imprint 50 nm pillars MII C.G. Willson, U. of Texas

  28. Soft Lithography--軟質模仁之橡皮圖章 Soft Lithography- Microcontact printing (μCP) Micromolding in Capillaries • 技術配合：G. M. Whitesides, Harvard U. • 彈性模仁 • Self assembled monolayer • 結合Top down與bottom up技術 • 尚未有設備銷售 B.D. Terris, IBM

  29. 奈米轉印三大技術特徵比較 Soft Lithography NIL SFIL 1.硬質模仁（如矽或石英） 2.模具成本高 3.機械高壓力壓印 4.加熱達Tg以上 5.直接在PMMA轉印圖樣 6.可用於3D多層結構 1.透UV光硬質模仁（如石英） 2.模具成本低 3.機械中低壓壓印 4.不需加熱 5.紫外光曝光硬化轉印圖案 6.可用於3D多層結構 1.彈性模仁（如高分子材料PDMS） 2.模具成本低 3.低壓手工壓印 4.不需加熱 5.利用自我組裝特性轉印圖樣 6.只用於2D單層結構

  30. (5)Product (3)Machine (2)Mold (4)Molding (6)Measurement SPM E-Beam 奈米轉印設備關聯技術 奈米級平行度調整機構技術 高精度均勻施壓機構技術 快速昇溫/降溫/均溫技術 奈米級精密對位技術 • (1) Material • substrate • resist • anti-sticking

  31. 奈米轉印應用產品

  32. 奈米轉印設備供應商 奧地利 EV Group EV 520HE 美國 NANONAX Voyager 德國 SÜSS MA1006 瑞典 Obducat NIL2.5 美國 MII IMPRIO

  33. 供應商設備規格比較表

  34. 奈米轉印技術專利布局

  35. 奈米商機 vs 機械產業之機會 • 奈米材料加工設備 • 奈米級加工技術/奈米轉印 • 奈米轉印製程與設備 • 奈米級設備儀器之平台技術 隔振平台 定位平台 • 奈米核心設施及其他

  36. 隔振技術在微奈米製程設備之需求 • 製程所要求的精度越來越高 • 0.25m→ 0.18m→ 0.13m→?? • 設備的重量越來越重 • Wafer：6” → 8” → 12” →?? • LCD： 13” → 15” → 17” →→40” →?? • 要求的產能越來越高 • Scan Speed加快→平台不只是承載重量，更需要較好的結構設計及動態特性。 • 廠房的環境日益惡化

  37. 微奈米製程設備之環境變遷例 資料來源 Semiconductor International, July, 1997 Active Vibration Control in Fabs

  38. 國外廠房環境振動變化之實例 資料來源 Generic Vibration Criteria for Vibration-Sensitive Equipment -By Colin G. Gordon

  39. 次世代微奈米製程要求之環境規格 資料來源 Presented at Symposium on Nano Device Technology 2002 May 2-3, 2002, National Chiao-Tung University, Hsinchu, Taiwan Hal Amick, Michael Gendreau and Colin G. Gordon 資料來源 Presented at Symposium on Nano Device Technology 2002 May 2-3, 2002, National Chiao-Tung University, Hsinchu, Taiwan Hal Amick, Michael Gendreau and Colin G. Gordon

  40. 微環境振動控制之解決方案 • 消極面 • 高剛性平台 • 不放大振動，不延長振動 • 被動隔振 • 在特定頻率會放大振動，如氣墊、橡膠墊、彈簧… • 積極面 • 主動隔振系統 • 利用環境振動作為回授訊號，用以驅動致動器以消除平台上由環境振動造成之影響

  41. M M k c c k Elastomer Fa(t) Active (parallel) Passive 主動控制之形式 • 設計與分析主動串聯式平台系統的特性。 • 利用回饋最佳化回授控制或適應性前饋的主動控制於此一系統。 Active (Serial)

  42. 主動隔振系統之性能 規格:6自由度，頻寬2-25Hz，隔振效率80% 主動隔振系統 主動隔振系統實測結果

  43. 奈米定位平台需求 兩兆“雙星” 奈米加工 奈米量測 奈米操縱 行 程 微米 長行程 1000 ★ Nano- imprinter Stepper 氣浮滑軌 線性馬達 SEM/TEM/SPM SNOM/CMM 長短行程 複合定位平台 EB writer 複合平台 100 10 Fiber Optic Alignment DC伺服馬達 與壓電平台 “兩兆”雙星 半導體 光電 光通訊 (mm) 1 Nano- manipulator 短行程 壓電平台 100 短行程 奈米 10 (μm) 1 100(nm) 1 (μm) 10 10 0.1 1 定位解析度 (照片摘錄自各公司型錄與網站)

  44. 奈米平台相關產業&設備 2008兩兆雙星計畫 8“與12” 半導體產業 奈米檢測、加工、操縱 精密機械&生醫產業 TFT LCD 顯示器產業 產 業 與 設 備 • SEM/TEM/SPM • SPM/LSM/SNOM • Nano CMM 檢測設備 • SEM/TEM/SPM • OM • SEM/TEM/SPM • OM • 電子束加工設備 • SPM加工設備 • Nanoimprint設備 • 顯影曝光設備 • 顯影曝光設備 • 電子束加工設備 加工設備 • Nano manipulator • Nano assembly 操縱設備 產業界 國家型奈米計畫 VC-C 1 m以下製程 VC-E 0.1 m以下製程 環境振動需求 VC-D 0.3 m以下製程 10 100 定位解析度(nm)

  45. 奈米級長行程定位平台技術 • 目標 • 設計並實現一具備行程長5 cm解析度達5 nm之表面聲波致動奈米平台 • 創新性 • 結合氣浮平台與預壓調變裝置之表面聲波致動奈米平台

  46. 奈米商機 vs 機械產業之機會 • 奈米材料加工設備 • 奈米級加工技術/奈米轉印 • 奈米轉印製程與設備 • 奈米級設備儀器之平台技術 隔振平台 定位平台 • 奈米核心設施及其他

  47. 奈米共同實驗室角色與定位 奈米構裝 奈米電子 顯示器 資訊儲存 通訊 奈米生技 傳統產業 能源應用 應用創新 發揮奈米特性，結合產業專門知識 • 平台技術 • 理論模擬 • 奈米基礎材料 • 奈米共同實驗室 • 資源整合，發揮綜效 • 降低R&D資本投資並提供專業服務 • 專精產業新興技術, 創造機會 • 奈米設備開發 • 奈米製程技術 • 奈米儀器與檢測技術 • nanoimprint 基礎環境建構

  48. 核心設施設備建構時程規劃

  49. 92.09 92.01 92.02 92.06 92.12 核心設施陸續驗收 、人員進駐及第二階段訓練 92.03 92.05 進行設備採購 整建完工驗收 計畫進駐、核心設施陸續交機 、完成網路預約系統、使用聯盟成立 開始營運 完成設備採購審查、中心人員進駐、奈米網絡第二階段測試 奈米展示室完工、進行第一階段人員訓練 檢測分析區 核心設施建構-核心設施建置時程 Total Space：11222m2 LAB ：2181 m2 Clean Room：1107 m2 Office ：2340m2 Utility:5478m2 參觀走道 製程設備區

  50. 工研院檢測分析與製程設備能量 奈米實驗室 設備上網數量 Stanford 70 Cornell 69 ITRI 62(81) UCSB 47 • 彙整共同實驗室及各所/中心之奈米實驗室設備資訊，目前共建置62套設備資訊。 • 92.8設備共享預約系統開放線上預約測試。 • 92.11開放材、化兩所線上預約。 Penn State 33 Howard 27 ITRI vs.NUUN奈米實驗室設備數量

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