盘点微纳制造的六大“神技”

马将

纳米材料的制备和研究，一直是整个纳米科技的基础。令我们惊叹的是，直径不到1毫米的微电机、指甲大小的微摄像头、饼干大小的纳型卫星……都是由微纳米制造材料及技术等来制备。

全球正在迈入纳米时代！微纳制造能将器件复杂庞大的尺度，缩小至微纳米尺度后，仍保有其原功能，这不就像古人说的“螺蛳壳里做道场”吗？微纳制造真正使其成为了现实！

机械微加工

激光微加工

电火花微加工

纳米时代呼啸而来！

21世纪后，系统微型化革命已进入了新时代，也就是纳米时代。人类在微型化道路上从微米到纳米的过渡，不仅仅是量的过渡，也代表了质的跃迁。

1947年12月，美国贝尔实验室的科学家们，发明了世界上第一只晶体管。他们不会想到60多年后，这场由晶体管引发的微电子技术革命将深刻影响社会的面貌。它既成了现代高科技产业的主要支柱，还深入到现代生活的所有领域。

这一场由晶体管引发的技术革命，尤其深刻地改变了3C领域，即消费类电子产品（consumer），计算机（computer）与通信（communication）领域。

譬如，轻便的笔记本电脑，品种繁多的移动通信终端设备等，而其中直径不到1毫米的微电机，指甲大的微摄像机，豌豆大的气相色谱分析装置，芯片上的光学平台等。这些小巧玲珑的微电子工具能流行起来，微型化技术功不可没。

微纳制造领域，若材料与结构在100nm下，可能会显现诸多异于宏观尺寸中的性质。因此，纳米科技呈现了一个微观世界的新天地：从微电子到微机械再到微流体，从微米技术到纳米技术……如今，这些词都已成为当今高科技的代名词。

微纳米加工技术能制作单电子晶体管，可操纵单个分子与原子，可以搭建人类进入微观世界的桥梁，是人类了解和利用微观世界的工具。大家能先了解微纳米加工技术，这对于理解微纳米科技和其支撑的现代高科技产业很重要。

21世纪，伴随着科学技术的发展，系统微型化将成为日后现代工业的必然趋势之一，而纳米时代已然来临！

微纳制造“神技”闪耀登场

微纳制造的技术及材料，一直是建筑纳米科技大厦的基石。下面，我将从技术及材料两大方面，带领大家揭开微纳米制造技术的神秘面纱。

机械微加工

机械微加工是微纳制造中最方便，也最接近传统材料加工方式的微成型技术。它一般包括车削、钻孔、磨削等加工法。现代机械微加工为提高精度和自动化程度，通常配备有计算机控制系统[如computer-numerical-control（CNC）数字控制机床等]，再通过金刚石刀具在材料表面制备出高质量的微结构。

曝光+刻蚀

电铸微加工

机械微加工法的工艺过程简单，加工过程方便，但对加工材料有选择性。它常采用的加工材料是铜合金、镍合金等。像钢这种我们最常用的金属材料，却不能用机械微加工法来做，因为钢中含碳会和金刚石刀具发生反应。

另外，机械微加工法能得到的最小微结构尺寸非常有限，仅为200微米左右，这也限制了该方法在更小尺寸微结构器件方面的应用。

激光微加工

激光技术被誉为20世纪四大重要发明之一，随着小型电子产品和微电子元器件需求的激增，激光微加工已成为激光在工业应用中发展极快的领域之一。

激光能量密度高、方向性好、光斑大小可调，激光加工利用其这些特点将光能转变为热能来蚀除材料。激光微加工的材料种类非常广，几乎囊括了所有金属和非金属材料，它与机械微加工相比属于非接触式加工，不存在工具损耗，也没有明显的机械力，因而不会产生加工变形。

目前激光微加工技术仍处于发展初期，随着激光技术的发展（如光源、能量密度等的改善），相信未来此“神技”在微纳制造中会大展拳脚。

电火花微加工

电火花加工（electric discharge machining，EDM）是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用，蚀除导电材料的特种微纳制造加工法。

电火花微加工技术不受材料硬度的影响，并且通过调整电参数便可方便实现粗、半精、精、超精加工之间的切换，因此也被应用到微加工领域。目前，这种加工方法最大的缺点就是加工效率低。

曝光+刻蚀

 光刻工艺过程示意图

目前微纳制造领域最常用的一种微细加工技术是LIGA（德文缩写，Lithographie，Galanoformung和Abformung，即光刻、电铸和注塑）。

这项技术由于可加工尺寸小、精度高，适合加工半导体材料，因而在半导体产业中得到广泛的应用，其最基础的核心技术是光刻，即曝光和刻蚀工艺，其主要工艺过程如下：

首先，需要在加工微结构的基体（通常为硅或硅氧化物）上涂一层对光敏感的光刻胶，然后让光通过特定的形状对光刻胶进行照射，完成曝光过程。光刻胶被照射部分发生变性，在特定的溶液中将变性部分的光刻胶洗去，该过程称显影。

然后，显影后的基体上已有特定微结构的存在，将显影后的样品进行刻蚀，基体上残留的被光刻胶覆盖的部分对基体起了保护作用而没有被刻蚀掉，而基体上没有覆盖光刻胶的部分则被刻蚀掉，最后将光刻胶在有机溶剂（如酒精、丙酮）中洗去，便在基体上制备出了微结构。

随着LIGA技术的发展，人们开发出了很多种不同的曝光、刻蚀工艺，以满足不同精度尺寸、生产效率等的需求。曝光方式有X射线、紫外线、激光、电子束曝光等多种光源。刻蚀则有湿法和干法两种。湿法刻蚀是利用材料的化学特性，将材料在特定的溶液中溶解掉。它有高选择比、均匀性、对硅片损伤少等优点，也有图形保真性不强、横向、过腐蚀严重等缺陷。

干法刻蚀是利用气态的原子、分子与表面薄膜反应，形成挥发性物质，或直接轰击薄膜表面使之被腐蚀的工艺。它能实现各向异性刻蚀（即纵向刻蚀速率远大于横向刻蚀速率），保证细小图形转移后的保真度。目前常用的干法刻蚀技术主要有反应离子束刻蚀（Reactive Ion Etching，RIE）、感应耦合等离子体刻蚀（Inductively Coupled Plasma，ICP）等。

LIGA技术经过多年的发展，工艺已经相当成熟，但是这项技术的基本原理决定了它必然会存在的一些缺陷，比如工艺过程复杂、制备环境要求高（比如需要净化间等）、设备投入大、生产成本高等。

电铸微加工

电铸是利用金属的电解沉积原理来精确复制某些复杂或特殊形状工件的特种加工方法。它通过在母模上沉积金属层的增材制造技术来制备微结构。

 彩色的有机玻璃（电铸微加工母模材料）

电铸微加工中的母模常用不锈钢、铝、钛、环氧树脂、有机玻璃等材料。经过简单的表面处理后将母模放入电解槽，利用电解沉积原理在母模上沉积金属，当电铸层达到需要的厚度后，采用机械或化学方法将沉积金属与母模分离。

该加工法的复制精度和重复精度高，适用范围广，可用于制造精密、复杂内型面零件。但因技术原理的限制，电铸铸层质量不稳定，易出现麻点、针孔、晶粒粗大、应力过大等缺陷，致使铸层物理特性和力学性能下降，严重时零件需报废。

另外，铸层均匀性差，复杂型面的铸模因电场分布极不均匀，因此电流密度在铸模表面各处不一致，易造成各处的沉积厚度相差悬殊，从而影响零件性能，这种不均匀随沉积时间延长会加剧，它加工时间长、铸种材料有限，亦属劣势。

 未来微型化的世界，芯片上能走微纳米机器人（概念图）

模型加工

模型加工法是利用微纳米尺寸的模具复制出相应的微纳米结构。该方法主要适用于具有热塑性的材料，如高分子塑料，金属玻璃等。

首先，将加热台上的热塑性材料与微模型加热到一定温度;热塑性材料因黏度降低软化后，对其施加一定的应力使其在微模型中进行充型流动;最后微模型上的微纳米结构便成功转移到热塑性材料的表面上。

模型加工包括纳米压印技术、塑料模压技术和模铸技术。纳米压印是利用含有微纳米图形的图章（即微模型）压印到软化的有机聚合物层上。纳米图章可用其他微纳米加工技术制作。该技术可低成本，大量复制纳米图形。纳米压印还有多种派生技术，如以曝光辅助压印形成纳米图形等。

 热塑性微加工示意图

模压技术即传统的塑料模压成型技术，模压的结构尺寸在微米以上，多用于微流体与生物芯片的制作。模压技术也是一种低成本微细加工技术。模铸技术包括塑料模铸和金属模铸。无论是模压还是模铸都是传统加工技术向微纳米领域的延伸，其成型速度快，也适用于大批量生产的工艺。

近年，微纳米技术的研究和应用涌起新热潮，若从科研角度来看，现有的加工技术已能满足纳米器件的制作与研究，但这些“神技”毕竟很难用于大规模地生产。为了微纳米科研成果的产业化，未来仍需开发高生产率、低成本的微加工技术。

可预测，未来50年将是微纳米技术蓬勃发展的时代！微纳米加工技术的发展潜力巨大，新颖的加工技术将不断涌现。它们将助力人类开发出更多新型微纳米器件及系统，进一步迈入微型化的新世界。