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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


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奈米科技在機械產業之機會

工研院機械所蔡聖豐2003.11.18


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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


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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


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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


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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


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奈米國家型科技計畫之計畫目標


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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


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  • 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


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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


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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


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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


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奈米微粒之製程與設備


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奈米粉體之製程


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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。


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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)


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  • 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


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Marco

Lithography

Gap:5-100nm

Meso

Micro

Self-Assembly

加工與成型技術趨勢


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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)


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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


Semiconductor mems fab

Lithography : the most important & expensive process

(40% of total cost) of semiconductor fabrication

Semiconductor &MEMS Fab.


Lithography roadmap

Linewidth(nm)

UV

Next Generation Lithography (NGL)

DUV

NIL

E-Beam Writer

EUV (13.5nm)

Lithography Roadmap


Outlook

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


Nanoimprint lithography nil

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).


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  • 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


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奈米轉印三大主要技術

Soft Lithography

(μ-contact Printing)

Step and Flash Imprinting

Lithography

NanoImprint

Lithography


Nanoimprint lithography nil1

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


Step and flash imprinting lithography uv

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


Soft lithography

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


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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


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(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


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奈米轉印應用產品


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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


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供應商設備規格比較表


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奈米轉印技術專利布局


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  • 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


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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


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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


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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


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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


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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


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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)


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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


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奈米定位平台需求

兩兆“雙星”

奈米加工

奈米量測

奈米操縱

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)


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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

  • 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)


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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


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  • 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


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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


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核心設施設備建構時程規劃


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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


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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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簡報結束

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