盤點(diǎn)微納制造的六大“神技”

馬將

納米材料的制備和研究，一直是整個(gè)納米科技的基礎(chǔ)。令我們驚嘆的是，直徑不到1毫米的微電機(jī)、指甲大小的微攝像頭、餅干大小的納型衛(wèi)星……都是由微納米制造材料及技術(shù)等來制備。

全球正在邁入納米時(shí)代！微納制造能將器件復(fù)雜龐大的尺度，縮小至微納米尺度后，仍保有其原功能，這不就像古人說的“螺螄殼里做道場(chǎng)”嗎？微納制造真正使其成為了現(xiàn)實(shí)！

機(jī)械微加工

激光微加工

電火花微加工

納米時(shí)代呼嘯而來！

21世紀(jì)后，系統(tǒng)微型化革命已進(jìn)入了新時(shí)代，也就是納米時(shí)代。人類在微型化道路上從微米到納米的過渡，不僅僅是量的過渡，也代表了質(zhì)的躍遷。

1947年12月，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們，發(fā)明了世界上第一只晶體管。他們不會(huì)想到60多年后，這場(chǎng)由晶體管引發(fā)的微電子技術(shù)革命將深刻影響社會(huì)的面貌。它既成了現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)的主要支柱，還深入到現(xiàn)代生活的所有領(lǐng)域。

這一場(chǎng)由晶體管引發(fā)的技術(shù)革命，尤其深刻地改變了3C領(lǐng)域，即消費(fèi)類電子產(chǎn)品（consumer），計(jì)算機(jī)（computer）與通信（communication）領(lǐng)域。

譬如，輕便的筆記本電腦，品種繁多的移動(dòng)通信終端設(shè)備等，而其中直徑不到1毫米的微電機(jī)，指甲大的微攝像機(jī)，豌豆大的氣相色譜分析裝置，芯片上的光學(xué)平臺(tái)等。這些小巧玲瓏的微電子工具能流行起來，微型化技術(shù)功不可沒。

微納制造領(lǐng)域，若材料與結(jié)構(gòu)在100nm下，可能會(huì)顯現(xiàn)諸多異于宏觀尺寸中的性質(zhì)。因此，納米科技呈現(xiàn)了一個(gè)微觀世界的新天地：從微電子到微機(jī)械再到微流體，從微米技術(shù)到納米技術(shù)……如今，這些詞都已成為當(dāng)今高科技的代名詞。

微納米加工技術(shù)能制作單電子晶體管，可操縱單個(gè)分子與原子，可以搭建人類進(jìn)入微觀世界的橋梁，是人類了解和利用微觀世界的工具。大家能先了解微納米加工技術(shù)，這對(duì)于理解微納米科技和其支撐的現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)很重要。

21世紀(jì)，伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)微型化將成為日后現(xiàn)代工業(yè)的必然趨勢(shì)之一，而納米時(shí)代已然來臨！

微納制造“神技”閃耀登場(chǎng)

微納制造的技術(shù)及材料，一直是建筑納米科技大廈的基石。下面，我將從技術(shù)及材料兩大方面，帶領(lǐng)大家揭開微納米制造技術(shù)的神秘面紗。

機(jī)械微加工

機(jī)械微加工是微納制造中最方便，也最接近傳統(tǒng)材料加工方式的微成型技術(shù)。它一般包括車削、鉆孔、磨削等加工法?，F(xiàn)代機(jī)械微加工為提高精度和自動(dòng)化程度，通常配備有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[如computer-numerical-control（CNC）數(shù)字控制機(jī)床等]，再通過金剛石刀具在材料表面制備出高質(zhì)量的微結(jié)構(gòu)。

曝光+刻蝕

電鑄微加工

機(jī)械微加工法的工藝過程簡單，加工過程方便，但對(duì)加工材料有選擇性。它常采用的加工材料是銅合金、鎳合金等。像鋼這種我們最常用的金屬材料，卻不能用機(jī)械微加工法來做，因?yàn)殇撝泻紩?huì)和金剛石刀具發(fā)生反應(yīng)。

另外，機(jī)械微加工法能得到的最小微結(jié)構(gòu)尺寸非常有限，僅為200微米左右，這也限制了該方法在更小尺寸微結(jié)構(gòu)器件方面的應(yīng)用。

激光微加工

激光技術(shù)被譽(yù)為20世紀(jì)四大重要發(fā)明之一，隨著小型電子產(chǎn)品和微電子元器件需求的激增，激光微加工已成為激光在工業(yè)應(yīng)用中發(fā)展極快的領(lǐng)域之一。

激光能量密度高、方向性好、光斑大小可調(diào)，激光加工利用其這些特點(diǎn)將光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軄砦g除材料。激光微加工的材料種類非常廣，幾乎囊括了所有金屬和非金屬材料，它與機(jī)械微加工相比屬于非接觸式加工，不存在工具損耗，也沒有明顯的機(jī)械力，因而不會(huì)產(chǎn)生加工變形。

目前激光微加工技術(shù)仍處于發(fā)展初期，隨著激光技術(shù)的發(fā)展（如光源、能量密度等的改善），相信未來此“神技”在微納制造中會(huì)大展拳腳。

電火花微加工

電火花加工（electric discharge machining，EDM）是利用浸在工作液中的兩極間脈沖放電時(shí)產(chǎn)生的電蝕作用，蝕除導(dǎo)電材料的特種微納制造加工法。

電火花微加工技術(shù)不受材料硬度的影響，并且通過調(diào)整電參數(shù)便可方便實(shí)現(xiàn)粗、半精、精、超精加工之間的切換，因此也被應(yīng)用到微加工領(lǐng)域。目前，這種加工方法最大的缺點(diǎn)就是加工效率低。

曝光+刻蝕

?光刻工藝過程示意圖

目前微納制造領(lǐng)域最常用的一種微細(xì)加工技術(shù)是LIGA（德文縮寫，Lithographie，Galanoformung和Abformung，即光刻、電鑄和注塑）。

這項(xiàng)技術(shù)由于可加工尺寸小、精度高，適合加工半導(dǎo)體材料，因而在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，其最基礎(chǔ)的核心技術(shù)是光刻，即曝光和刻蝕工藝，其主要工藝過程如下：

首先，需要在加工微結(jié)構(gòu)的基體（通常為硅或硅氧化物）上涂一層對(duì)光敏感的光刻膠，然后讓光通過特定的形狀對(duì)光刻膠進(jìn)行照射，完成曝光過程。光刻膠被照射部分發(fā)生變性，在特定的溶液中將變性部分的光刻膠洗去，該過程稱顯影。

然后，顯影后的基體上已有特定微結(jié)構(gòu)的存在，將顯影后的樣品進(jìn)行刻蝕，基體上殘留的被光刻膠覆蓋的部分對(duì)基體起了保護(hù)作用而沒有被刻蝕掉，而基體上沒有覆蓋光刻膠的部分則被刻蝕掉，最后將光刻膠在有機(jī)溶劑（如酒精、丙酮）中洗去，便在基體上制備出了微結(jié)構(gòu)。

隨著LIGA技術(shù)的發(fā)展，人們開發(fā)出了很多種不同的曝光、刻蝕工藝，以滿足不同精度尺寸、生產(chǎn)效率等的需求。曝光方式有X射線、紫外線、激光、電子束曝光等多種光源。刻蝕則有濕法和干法兩種。濕法刻蝕是利用材料的化學(xué)特性，將材料在特定的溶液中溶解掉。它有高選擇比、均勻性、對(duì)硅片損傷少等優(yōu)點(diǎn)，也有圖形保真性不強(qiáng)、橫向、過腐蝕嚴(yán)重等缺陷。

干法刻蝕是利用氣態(tài)的原子、分子與表面薄膜反應(yīng)，形成揮發(fā)性物質(zhì)，或直接轟擊薄膜表面使之被腐蝕的工藝。它能實(shí)現(xiàn)各向異性刻蝕（即縱向刻蝕速率遠(yuǎn)大于橫向刻蝕速率），保證細(xì)小圖形轉(zhuǎn)移后的保真度。目前常用的干法刻蝕技術(shù)主要有反應(yīng)離子束刻蝕（Reactive Ion Etching，RIE）、感應(yīng)耦合等離子體刻蝕（Inductively Coupled Plasma，ICP）等。

LIGA技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是這項(xiàng)技術(shù)的基本原理決定了它必然會(huì)存在的一些缺陷，比如工藝過程復(fù)雜、制備環(huán)境要求高（比如需要凈化間等）、設(shè)備投入大、生產(chǎn)成本高等。

電鑄微加工

電鑄是利用金屬的電解沉積原理來精確復(fù)制某些復(fù)雜或特殊形狀工件的特種加工方法。它通過在母模上沉積金屬層的增材制造技術(shù)來制備微結(jié)構(gòu)。

?彩色的有機(jī)玻璃（電鑄微加工母模材料）

電鑄微加工中的母模常用不銹鋼、鋁、鈦、環(huán)氧樹脂、有機(jī)玻璃等材料。經(jīng)過簡單的表面處理后將母模放入電解槽，利用電解沉積原理在母模上沉積金屬，當(dāng)電鑄層達(dá)到需要的厚度后，采用機(jī)械或化學(xué)方法將沉積金屬與母模分離。

該加工法的復(fù)制精度和重復(fù)精度高，適用范圍廣，可用于制造精密、復(fù)雜內(nèi)型面零件。但因技術(shù)原理的限制，電鑄鑄層質(zhì)量不穩(wěn)定，易出現(xiàn)麻點(diǎn)、針孔、晶粒粗大、應(yīng)力過大等缺陷，致使鑄層物理特性和力學(xué)性能下降，嚴(yán)重時(shí)零件需報(bào)廢。

另外，鑄層均勻性差，復(fù)雜型面的鑄模因電場(chǎng)分布極不均勻，因此電流密度在鑄模表面各處不一致，易造成各處的沉積厚度相差懸殊，從而影響零件性能，這種不均勻隨沉積時(shí)間延長會(huì)加劇，它加工時(shí)間長、鑄種材料有限，亦屬劣勢(shì)。

?未來微型化的世界，芯片上能走微納米機(jī)器人（概念圖）

模型加工

模型加工法是利用微納米尺寸的模具復(fù)制出相應(yīng)的微納米結(jié)構(gòu)。該方法主要適用于具有熱塑性的材料，如高分子塑料，金屬玻璃等。

首先，將加熱臺(tái)上的熱塑性材料與微模型加熱到一定溫度;熱塑性材料因黏度降低軟化后，對(duì)其施加一定的應(yīng)力使其在微模型中進(jìn)行充型流動(dòng);最后微模型上的微納米結(jié)構(gòu)便成功轉(zhuǎn)移到熱塑性材料的表面上。

模型加工包括納米壓印技術(shù)、塑料模壓技術(shù)和模鑄技術(shù)。納米壓印是利用含有微納米圖形的圖章（即微模型）壓印到軟化的有機(jī)聚合物層上。納米圖章可用其他微納米加工技術(shù)制作。該技術(shù)可低成本，大量復(fù)制納米圖形。納米壓印還有多種派生技術(shù)，如以曝光輔助壓印形成納米圖形等。

?熱塑性微加工示意圖

模壓技術(shù)即傳統(tǒng)的塑料模壓成型技術(shù)，模壓的結(jié)構(gòu)尺寸在微米以上，多用于微流體與生物芯片的制作。模壓技術(shù)也是一種低成本微細(xì)加工技術(shù)。模鑄技術(shù)包括塑料模鑄和金屬模鑄。無論是模壓還是模鑄都是傳統(tǒng)加工技術(shù)向微納米領(lǐng)域的延伸，其成型速度快，也適用于大批量生產(chǎn)的工藝。

近年，微納米技術(shù)的研究和應(yīng)用涌起新熱潮，若從科研角度來看，現(xiàn)有的加工技術(shù)已能滿足納米器件的制作與研究，但這些“神技”畢竟很難用于大規(guī)模地生產(chǎn)。為了微納米科研成果的產(chǎn)業(yè)化，未來仍需開發(fā)高生產(chǎn)率、低成本的微加工技術(shù)。

可預(yù)測(cè)，未來50年將是微納米技術(shù)蓬勃發(fā)展的時(shí)代！微納米加工技術(shù)的發(fā)展?jié)摿薮?，新穎的加工技術(shù)將不斷涌現(xiàn)。它們將助力人類開發(fā)出更多新型微納米器件及系統(tǒng)，進(jìn)一步邁入微型化的新世界。