《中國機(jī)械工程路線圖》微納制造技術(shù)127-134

1、第二節(jié) 微納制造技術(shù)一、概述微納制造技術(shù)指尺度為毫米、微米和納米量級零件，以及由這些零件構(gòu)成的部件或系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計、加工、組裝、系統(tǒng)集成與應(yīng)用技術(shù)。微納制造主要研究特征尺寸在微米、納米范圍的功能結(jié)構(gòu)、器件與系統(tǒng)設(shè)計制造中的科學(xué)問題，研究內(nèi)容涉及微納器件與系統(tǒng)的設(shè)計、加工、測試、封裝與裝備等，是開展高水平微米納米技術(shù)研究的基礎(chǔ)，是制造微傳感器、執(zhí)行器、微結(jié)構(gòu)和功能微納系統(tǒng)的基本手段和基礎(chǔ)。微納制造以批量化制造，結(jié)構(gòu)尺寸跨越納米至毫米級，包括三維和準(zhǔn)三維可動結(jié)構(gòu)加工為特征，解決尺寸跨度大、批量化制造和個性化制造交叉、平面結(jié)構(gòu)和體結(jié)構(gòu)共存、加工材料多種多樣等問題，突出特點(diǎn)是通過批量制造降低生產(chǎn)成本，

2、提高產(chǎn)品的一致性、可靠性。微納制造包括微制造和納制造。微制造主要指MEMS微加工和機(jī)械微加工的制造。MEMS微加工是由微電子技術(shù)發(fā)展起來的批量微加工技術(shù)，主要有硅微加工技術(shù)和非硅微加工技術(shù)，包括硅干法深刻蝕技術(shù)、硅表面微加工技術(shù)、硅濕法各向異性刻蝕技術(shù)、鍵合技術(shù)、LIGA技術(shù)、UV-LIGA技術(shù)及其封裝技術(shù)等。MEMS加工材料以硅、金屬和塑料等材料的二維或者準(zhǔn)三維加工為主。其特點(diǎn)是以微電子及其相關(guān)技術(shù)為核心技術(shù)，批量制造，易于與電子電路集成。機(jī)械微加工是指采用機(jī)械加工、特種加工技術(shù)、成型技術(shù)等傳統(tǒng)加工技術(shù)形成的微加工技術(shù)，加工材料不受限制，可加工真三維曲面。其微加工工藝包括：微細(xì)磨削、微細(xì)車削

3、、微細(xì)銑削、 微細(xì)鉆削、微沖壓、微成型等。納制造是構(gòu)建適用于跨尺度（Micro/Meso/Macro）集成的、可提供具有特定功能的產(chǎn)品和服務(wù)的納米尺度維度（一維、二維和三維）的結(jié)構(gòu)、特征、器件和系統(tǒng)的制造。它包括納米壓印、離子束直寫刻蝕、電子束直寫刻蝕、自組裝等自上而下和自下而上兩種制造過程。微納制造涉及材料、設(shè)計、加工、封裝、測試等方面的科技問題，形成了如圖6-3所示的技術(shù)體系。材料 加工技術(shù) 設(shè)計與仿真 封裝與測試l 微切削l 特種微加工l 微注塑l 微成型l LIGA、準(zhǔn)LIGAl 體硅微加工l 表面硅微加工l SOI微加工l 鍵合l 封裝l l 納米壓印l 離子束直寫刻蝕l 電子束直寫

4、刻蝕l 自組裝l l 多材料加工技術(shù)l 數(shù)模電路混合集成技術(shù)l 可靠性技術(shù)l 生物兼容技術(shù)l 宏制造l 金屬l l 硅l 石英l 玻璃l 陶瓷l 聚合物l 蛋白質(zhì)l 核心技術(shù)MEMS微制造微納制造自上而下光電子技術(shù)柔性電子技術(shù)NEMS納制造自下而上分子裝配圖6-3 微納制造技術(shù)體系結(jié)構(gòu)圖二、未來市場需求及產(chǎn)品微納器件及系統(tǒng)因其微型化、批量化、成本低的鮮明特點(diǎn)，對現(xiàn)代生產(chǎn)、生活產(chǎn)生巨大的促進(jìn)作用，為相關(guān)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級實現(xiàn)跨越式發(fā)展提供了機(jī)遇，并催生了一批新興產(chǎn)業(yè)，成為全世界增長最快的產(chǎn)業(yè)之一。在汽車、石化、通信等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，目前向環(huán)境與安全、醫(yī)療與健康等領(lǐng)域迅速擴(kuò)展，并在新能源裝備，半導(dǎo)體照

5、明工程，柔性電子、光電子等信息器件方面具有重要的應(yīng)用前景。（）汽車電子與消費(fèi)電子產(chǎn)品目前我國已成為全球第三大汽車制造國，2010年中國汽車年產(chǎn)量達(dá)到1826.5萬輛，2020年有望超過2000萬輛。目前一輛中檔汽車上應(yīng)用的傳感器約40個，豪華汽車則超過200個，其中MEMS陀螺儀、加速度計、壓力傳感器、空氣流量計等MEMS傳感器約占20%。中國是世界上最大的手機(jī)、玩具等消費(fèi)類電子產(chǎn)品的生產(chǎn)國和消費(fèi)國，微麥克風(fēng)、射頻濾波器、壓力計和加速度計等MEMS器件已開始大量應(yīng)用，具有巨大的市場。（二）新能源產(chǎn)業(yè)用碳納米管材料制造燃料電池可使得表面化學(xué)反應(yīng)面積產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，大幅度提高燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率，

6、需要解決納米材料（如碳納米管）的低成本、大批量制造以及跨尺度集成等制造技術(shù)。光伏市場正在以年均30%左右的速度增長。2010年我國太陽能電池組件產(chǎn)量上升到10GW，占世界產(chǎn)量的45%，連續(xù)四年太陽能電池產(chǎn)量占世界第一。物理學(xué)研究表明，太陽電池能量轉(zhuǎn)換效率的理論極限在70%以上，太陽電池的表面減反結(jié)構(gòu)是影響轉(zhuǎn)換效率的重要因素，需要研究新型太陽電池材料、太陽電池功能微結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造等方面的基礎(chǔ)理論、新原理和新方法。（三）新型信息與光電器件柔性電子是建立在非結(jié)晶硅、低溫多晶硅、柔性基板、有機(jī)和無機(jī)半導(dǎo)體材料等基礎(chǔ)上的新型電子技術(shù)。柔性電子可實現(xiàn)在任意形貌、柔性襯底上的大規(guī)模集成，改變傳統(tǒng)集成電路的制

7、造方法。據(jù)預(yù)測，柔性電子產(chǎn)能2015年將達(dá)到350億美元，2025年達(dá)到3000億美元。制造技術(shù)直接關(guān)系到柔性電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，目前待解決的技術(shù)問題包括有機(jī)、無機(jī)電路與有機(jī)基板的連接和技術(shù)，精微制動技術(shù)，跨尺度互聯(lián)技術(shù)，需要全新的制造原理和制造工藝。21世紀(jì)光電子信息技術(shù)的發(fā)展將遵從新的“摩爾定律”，即光纖通信的傳輸帶寬平均每912個月增加一倍。據(jù)預(yù)測，未來1015年內(nèi)光通信網(wǎng)絡(luò)的商用傳輸速率將達(dá)到40Tb/s，基于陣列波導(dǎo)光柵（集成光路）的集成光電子技術(shù)已成為支撐和引領(lǐng)下一代光通信技術(shù)發(fā)展的方向。2010年全球LED市場規(guī)模約為92.7億美元，國內(nèi)LED市場規(guī)模約為279億元，LED封裝工藝與

8、裝備是影響LED產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵問題之一。（四）民生科技產(chǎn)業(yè)目前全國縣級以上醫(yī)院使用的醫(yī)療檢測儀器幾乎完全進(jìn)口，大部分農(nóng)村基層醫(yī)院、衛(wèi)生站缺少基本的醫(yī)療檢測儀器。基于微納制造技術(shù)的高性能、低成本、微小型醫(yī)療儀器具有廣泛的應(yīng)用和明確的產(chǎn)業(yè)化前景。我國約有盲人500萬、聽力語言殘疾人2700余萬，基于微納制造技術(shù)研究開發(fā)視覺假體和人工耳蝸，是使盲人和失聰人員重建光明、回到有聲世界的有效途徑。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)和城市生活引起的環(huán)境污染十分嚴(yán)重，生產(chǎn)和生活中的安全事故隱患十分突出，環(huán)境與安全問題已成為我國社會發(fā)展的戰(zhàn)略任務(wù)，如大氣、水源、工業(yè)排放的監(jiān)測，化工、煤礦、食品等行業(yè)的生產(chǎn)安全與質(zhì)量

9、監(jiān)測等，用于環(huán)境與安全監(jiān)測的微納傳感器與系統(tǒng)成為重要的發(fā)展方向和應(yīng)用領(lǐng)域。三、關(guān)鍵技術(shù)隨著微納制造基礎(chǔ)科學(xué)問題的研究不斷深化，涉及的尺度從宏觀向介觀、微觀、 納觀擴(kuò)展，參數(shù)由常規(guī)向超?；驑O端發(fā)展，以及從宏觀和微觀兩個方向向微米和納米尺度領(lǐng)域過渡及相互耦合，結(jié)構(gòu)維度由2D向3D發(fā)展，制造對象與過程涉及納/微/宏跨尺度，尺度與界面/表面效應(yīng)占主導(dǎo)作用。微納制造涉及光、機(jī)、電、磁、生物等多學(xué)科交叉，需要對多介質(zhì)場、多場耦合進(jìn)行綜合研究。由于微納器件向更小尺度、更高功效方向發(fā)展以及材料的多樣性，材料可加工性、測量與表征性成為重要的關(guān)鍵問題。（）微納設(shè)計技術(shù)1. 現(xiàn)狀隨著微納技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，器件

10、與結(jié)構(gòu)的特征尺寸從微米尺度向納米尺度發(fā)展，金屬材料、聚合物材料和玻璃等非硅材料在微納制造中得到了越來越多的應(yīng)用，多域耦合建模與仿真的相關(guān)理論與方法、跨微納尺度的理論和方法、非硅材料在微納尺度下的結(jié)構(gòu)或機(jī)構(gòu)設(shè)計問題以及與物理、化學(xué)、生命科學(xué)、電子工程等學(xué)科的交叉問題成為微納設(shè)計理論與方法的重要研究方向。2. 挑戰(zhàn)針對微納機(jī)械學(xué)的發(fā)展趨勢，結(jié)合MEMS/NENS、柔性電子、光電子制造的需求，重點(diǎn)研究包括下述方面。（1）微納設(shè)計平臺：集成版圖設(shè)計、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能仿真、工藝設(shè)計和仿真、工藝和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫等在內(nèi)的微納設(shè)計平臺；微納設(shè)計平臺和AUTOCAD、ANSYS等其他技術(shù)平臺的數(shù)據(jù)交換技術(shù)等。（2

11、）微納器件和系統(tǒng)可靠性：微納器件可靠性設(shè)計技術(shù)、微納器件質(zhì)量評價和認(rèn)證技術(shù)、典型可靠性測試結(jié)構(gòu)技術(shù)等。（3）復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計：多材料、跨尺度、復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的設(shè)計和仿真技術(shù)；與制造系統(tǒng)集成的微納制造設(shè)計工具。3. 目標(biāo)預(yù)計到2020年，將開發(fā)出基于多尺度多能量域的實用化MEMS設(shè)計方法與工具，多材料、跨尺度、與制造系統(tǒng)集成的微納制造設(shè)計工具。（二）微納加工技術(shù)1. 現(xiàn)狀（1）微加工：低成本、規(guī)模化、集成化以及非硅加工是微加工的重要發(fā)展趨勢。目前從規(guī)模集成向功能集成方向發(fā)展，集成加工技術(shù)正由二維向準(zhǔn)三維過渡，三維集成加工技術(shù)將使系統(tǒng)的體積和重量減少12個數(shù)量級，提高互連效率及帶寬，提高制造效率和可靠

12、性。非硅微加工技術(shù)擴(kuò)展了MEMS的材料，通過硅與非硅材料混合集成加工技術(shù)的研究和開發(fā)，將制備出含有金屬、塑料、陶瓷或硅微結(jié)構(gòu)，并與集成電路一體化的微傳感器和執(zhí)行器。（2）納米加工：納米加工就是通過大規(guī)模平行過程和自組裝方式，集成具有從納米到微米尺度的功能器件和系統(tǒng)，實現(xiàn)對功能性納米產(chǎn)品的可控生產(chǎn)。目前被認(rèn)同的批量化納米制造技術(shù)主要集中在：納米壓印技術(shù)；納米生長技術(shù)；特種LIGA技術(shù)；納米自組裝技術(shù)等。（4）微納復(fù)合加工：隨著微加工技術(shù)的不斷完善和納米加工技術(shù)與納米材料科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，發(fā)揮微加工、納米加工和納米材料的各自特點(diǎn)，出現(xiàn)了納米加工與微加工結(jié)合的自上而下的微納復(fù)合加工和納米材料與微加工

13、結(jié)合的自下而上的微納復(fù)合加工等方法，是微納制造領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。2. 挑戰(zhàn)（1）微加工技術(shù)：針對汽車、能源、信息等產(chǎn)業(yè)以及醫(yī)療與健康、環(huán)境與安全等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芪⒓{器件與系統(tǒng)的需求以及集成化、高性能等特點(diǎn)，重點(diǎn)研究微結(jié)構(gòu)與IC、硅與非硅混合集成加工及三維集成等集成加工，MEMS非硅加工，生物相容加工，大規(guī)模加工及系統(tǒng)集成制造等微加工技術(shù)。（2）納米加工技術(shù)：針對納米壓印技術(shù)、納米生長技術(shù)、特種LIGA技術(shù)、納米自組裝技術(shù)等納米加工技術(shù)，研究納米結(jié)構(gòu)成形過程中的動態(tài)尺度效應(yīng)、納米結(jié)構(gòu)制造的多場誘導(dǎo)、納米仿生加工等基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)，形成實用化納米加工方法。（3）微納復(fù)合加工：重要研究“自上而下”

14、的微納復(fù)合加工、納米材料與微加工結(jié)合“自下而上”的納微復(fù)合加工和從納米到毫米的多尺度結(jié)合等微納復(fù)合加工技術(shù)。3. 目標(biāo)（1）三維多功能微系統(tǒng)集成加工技術(shù)。預(yù)計到2020年三維多功能微系統(tǒng)集成加工技術(shù)將得到整體突破，2030年將實現(xiàn)微納集成制造裝備的廣泛應(yīng)用。（2）硅與非硅材料混合集成加工技術(shù)。預(yù)計到2020年實現(xiàn)在信息、汽車、生物醫(yī)藥、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造等領(lǐng)域的實際應(yīng)用，2030年實現(xiàn)多材料集成制造裝備。（3）納米壓印技術(shù)。在陶瓷、高分子和玻璃等材料為基板生產(chǎn)器件時，納米壓印技術(shù)因其成本低、工藝簡單和可靠性高而成為取代傳統(tǒng)光刻工藝的良好選擇。復(fù)雜的任意圖形的轉(zhuǎn)移是該方向今后需突破的關(guān)鍵技術(shù)。預(yù)計到2

15、020年納米壓印在高檔印刷品、平板顯示、光伏電池、柔性電子、納機(jī)電系統(tǒng)等納米制造中得到廣泛應(yīng)用，2030年實現(xiàn)低成本大尺度納米壓印裝備。（4）特種LIGA加工技術(shù)。100nm尺寸精度的SR（同步輻射）光刻用掩模板加工、100nm尺寸精度的高深寬比（10以上）光刻、納米電鑄、納米模壓等是特種納米LIGA加工技術(shù)的重要研究方向。預(yù)計到2020年特種納米LIGA加工技術(shù)將開發(fā)成功，2030年將突破成本界限，實現(xiàn)LIGA工藝的低成本制造。（5）可控自組裝技術(shù)。具有分子識別功能的新型非共價鍵中間分子體的設(shè)計、 合成及納米結(jié)構(gòu)單元聚集體行為和自組織排列體系的構(gòu)建，以生物分子馬達(dá)為基礎(chǔ)的微納機(jī)器人、功能材料

16、的應(yīng)用，納米結(jié)構(gòu)模塊化組裝，生物分子納米結(jié)構(gòu)可控自組裝是納米結(jié)構(gòu)的可控自組裝技術(shù)的重要方向。預(yù)計到2020年納米結(jié)構(gòu)的可控自組裝技術(shù)將開發(fā)成功，在生物傳感器、仿生、疾病診斷與治療等領(lǐng)域得到應(yīng)用，2030 年將實現(xiàn)跨尺度多材料自組裝技術(shù)及裝備。（6）無掩模納米光刻技術(shù)。無掩模光刻技術(shù)在計算機(jī)的控制下可直接在光或熱阻薄膜材料上獲得任意形狀的模式構(gòu)造，可滿足微納器件的特征尺度持續(xù)縮小以及產(chǎn)品個性化、小批量和更新周期變短的發(fā)展趨勢，重點(diǎn)研究基于光學(xué)近場技術(shù)、SIL（Solid Immersion Lens）技術(shù)、短波長技術(shù)、靜電可縮小光學(xué)技術(shù)和MEMS等技術(shù)開發(fā)無掩模光學(xué)真刻制備數(shù)十納米級復(fù)雜結(jié)構(gòu)器件

17、的技術(shù)。預(yù)計到2020年無掩模納米光刻技術(shù)將得到實際應(yīng)用，2030年將實現(xiàn)10nm量級的無掩膜納米光刻。（三）微納操作、裝配與封裝技術(shù)1. 現(xiàn)狀針對微機(jī)電系統(tǒng)的組裝、納米互連和生物粒子等操作，需要研究基于單場或多場和尺度效應(yīng)的高精度、高通量、低成本和多維操縱技術(shù)。由于微納結(jié)構(gòu)、器件和系統(tǒng)的多樣性，利用不同材料和加工方法制作的、不同功能、不同尺度的多芯片的集成封裝最具代表性，是實現(xiàn)光、機(jī)、電、生物、化學(xué)等復(fù)雜微納系統(tǒng)的重要技術(shù)，跨尺度集成是微納制造中的關(guān)鍵問題之一。2. 挑戰(zhàn)針對微機(jī)電系統(tǒng)的組裝、納米互連和生物粒子等操作，重點(diǎn)研究基于單場或多場和尺度效應(yīng)的高精度、高通量、低成本和多維操縱方法與關(guān)

18、鍵技術(shù)。由于在微納尺度下進(jìn)行裝配，精密定位與對準(zhǔn)、黏滯力與重力的控制、速度與效率等面臨挑戰(zhàn)， 因此高速、高精度、并行裝配技術(shù)成為未來的發(fā)展方向。微納器件或系統(tǒng)的封裝成本往往約占整個成本的70%，高性能鍵合技術(shù)、真空封裝技術(shù)，氣密封裝技術(shù)，封裝材料，封裝的熱性能、機(jī)械性能、電磁性能等引起的可靠性等技術(shù)是微納器件與系統(tǒng)制造的“瓶頸技術(shù)”。3. 目標(biāo)預(yù)計到2020年，開發(fā)出面向細(xì)胞操作的高通量實用化的微納操作系統(tǒng)、微米尺度的裝配系統(tǒng)和系列化高速、并行微納裝配系統(tǒng)與裝備。到2030年，開發(fā)出實用化、一體化的微納操作、裝配與封裝技術(shù)和系統(tǒng)。（四）微納測試與表征技術(shù)1. 現(xiàn)狀特征尺寸和表面形貌等幾何參數(shù)的

19、測量；表面力學(xué)量及結(jié)構(gòu)機(jī)械性能的測量；含有可動機(jī)械部件的微納系統(tǒng)動態(tài)機(jī)械性能測試；微納制造工藝的實時在線測試方法和微納器件質(zhì)量快速檢測等是微納測試與表征領(lǐng)域的重要問題。微納測試與表征技術(shù)正朝著從二維到三維、從表面到內(nèi)部、從靜態(tài)到動態(tài)、從單參量到多參量耦合、 從封裝前到封裝后的方向發(fā)展。探索新的測量原理、測試方法和表征技術(shù)，發(fā)展微納制造實時在線測試方法和微納器件質(zhì)量快速檢測系統(tǒng)已成為了微納測試與表征的主要發(fā)展趨勢。2. 挑戰(zhàn)重點(diǎn)研究微納結(jié)構(gòu)中幾何參量、動態(tài)特性、力學(xué)參數(shù)與工藝過程特征參數(shù)等微納測試與表征原理和方法，大范圍和高精度的微納三維空間坐標(biāo)測量、圓片級加工質(zhì)量的在線測試與表征、微納機(jī)械力學(xué)特性在線測試等微納制造過程檢測技術(shù)與裝備，微納結(jié)構(gòu)、器件與系統(tǒng)的可靠性測量與評價技術(shù)等。3. 目標(biāo)預(yù)計到2020年，開發(fā)出微細(xì)結(jié)構(gòu)高空間分辨圖譜顯微層析成像、檢測技術(shù)與裝備。預(yù)計到2030年，開發(fā)出基于SPM和透射電子顯微鏡等原理的原子、分子分辨率納米表征測試技術(shù)與裝備，并將得到實際應(yīng)用。（五）微納器件與系統(tǒng)技術(shù)1. 現(xiàn)狀工業(yè)與生產(chǎn)、醫(yī)療與健康、環(huán)境與安全