盤點微納制造的六大“神技”

馬將

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

全球正在邁入納米時代！微納制造能將器件復雜龐大的尺度，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”嗎？微納制造真正使其成為了現實！

機械微加工

激光微加工

電火花微加工

納米時代呼嘯而來！

21世紀后，系統微型化革命已進入了新時代，也就是納米時代。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，也代表了質的躍遷。

1947年12月，美國貝爾實驗室的科學家們，發明了世界上第一只晶體管。他們不會想到60多年后，這場由晶體管引發的微電子技術革命將深刻影響社會的面貌。它既成了現代高科技產業的主要支柱，還深入到現代生活的所有領域。

這一場由晶體管引發的技術革命，尤其深刻地改變了3C領域，即消費類電子產品（consumer），計算機（computer）與通信（communication）領域。

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

微納制造領域，若材料與結構在100nm下，可能會顯現諸多異于宏觀尺寸中的性質。因此，納米科技呈現了一個微觀世界的新天地：從微電子到微機械再到微流體，從微米技術到納米技術……如今，這些詞都已成為當今高科技的代名詞。

微納米加工技術能制作單電子晶體管，可操縱單個分子與原子，可以搭建人類進入微觀世界的橋梁，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，這對于理解微納米科技和其支撐的現代高科技產業很重要。

21世紀，伴隨著科學技術的發展，系統微型化將成為日后現代工業的必然趨勢之一，而納米時代已然來臨！

微納制造“神技”閃耀登場

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

機械微加工

機械微加工是微納制造中最方便，也最接近傳統材料加工方式的微成型技術。它一般包括車削、鉆孔、磨削等加工法。現代機械微加工為提高精度和自動化程度，通常配備有計算機控制系統[如computer-numerical-control（CNC）數字控制機床等]，再通過金剛石刀具在材料表面制備出高質量的微結構。

曝光+刻蝕

電鑄微加工

機械微加工法的工藝過程簡單，加工過程方便，但對加工材料有選擇性。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，卻不能用機械微加工法來做，因為鋼中含碳會和金剛石刀具發生反應。

另外，機械微加工法能得到的最小微結構尺寸非常有限，僅為200微米左右，這也限制了該方法在更小尺寸微結構器件方面的應用。

激光微加工

激光技術被譽為20世紀四大重要發明之一，隨著小型電子產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應用中發展極快的領域之一。

激光能量密度高、方向性好、光斑大小可調，激光加工利用其這些特點將光能轉變為熱能來蝕除材料。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，也沒有明顯的機械力，因而不會產生加工變形。

目前激光微加工技術仍處于發展初期，隨著激光技術的發展（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產生的電蝕作用，蝕除導電材料的特種微納制造加工法。

電火花微加工技術不受材料硬度的影響，并且通過調整電參數便可方便實現粗、半精、精、超精加工之間的切換，因此也被應用到微加工領域。目前，這種加工方法最大的缺點就是加工效率低。

曝光+刻蝕

?光刻工藝過程示意圖

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

這項技術由于可加工尺寸小、精度高，適合加工半導體材料，因而在半導體產業中得到廣泛的應用，其最基礎的核心技術是光刻，即曝光和刻蝕工藝，其主要工藝過程如下：

首先，需要在加工微結構的基體（通常為硅或硅氧化物）上涂一層對光敏感的光刻膠，然后讓光通過特定的形狀對光刻膠進行照射，完成曝光過程。光刻膠被照射部分發生變性，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構的存在，將顯影后的樣品進行刻蝕，基體上殘留的被光刻膠覆蓋的部分對基體起了保護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溶劑（如酒精、丙酮）中洗去，便在基體上制備出了微結構。

隨著LIGA技術的發展，人們開發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、對硅片損傷少等優點，也有圖形保真性不強、橫向、過腐蝕嚴重等缺陷。

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

LIGA技術經過多年的發展，工藝已經相當成熟，但是這項技術的基本原理決定了它必然會存在的一些缺陷，比如工藝過程復雜、制備環境要求高（比如需要凈化間等）、設備投入大、生產成本高等。

電鑄微加工

電鑄是利用金屬的電解沉積原理來精確復制某些復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來制備微結構。

?彩色的有機玻璃（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、環氧樹脂、有機玻璃等材料。經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，當電鑄層達到需要的厚度后，采用機械或化學方法將沉積金屬與母模分離。

該加工法的復制精度和重復精度高，適用范圍廣，可用于制造精密、復雜內型面零件。但因技術原理的限制，電鑄鑄層質量不穩定，易出現麻點、針孔、晶粒粗大、應力過大等缺陷，致使鑄層物理特性和力學性能下降，嚴重時零件需報廢。

另外，鑄層均勻性差，復雜型面的鑄模因電場分布極不均勻，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間延長會加劇，它加工時間長、鑄種材料有限，亦屬劣勢。

?未來微型化的世界，芯片上能走微納米機器人（概念圖）

模型加工

模型加工法是利用微納米尺寸的模具復制出相應的微納米結構。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，對其施加一定的應力使其在微模型中進行充型流動;最后微模型上的微納米結構便成功轉移到熱塑性材料的表面上。

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

?熱塑性微加工示意圖

模壓技術即傳統的塑料模壓成型技術，模壓的結構尺寸在微米以上，多用于微流體與生物芯片的制作。模壓技術也是一種低成本微細加工技術。模鑄技術包括塑料模鑄和金屬模鑄。無論是模壓還是模鑄都是傳統加工技術向微納米領域的延伸，其成型速度快，也適用于大批量生產的工藝。

近年，微納米技術的研究和應用涌起新熱潮，若從科研角度來看，現有的加工技術已能滿足納米器件的制作與研究，但這些“神技”畢竟很難用于大規模地生產。為了微納米科研成果的產業化，未來仍需開發高生產率、低成本的微加工技術。

可預測，未來50年將是微納米技術蓬勃發展的時代！微納米加工技術的發展潛力巨大，新穎的加工技術將不斷涌現。它們將助力人類開發出更多新型微納米器件及系統，進一步邁入微型化的新世界。