《中國機械工程路線圖》微納制造技術127-134

1、第二節(jié) 微納制造技術一、概述微納制造技術指尺度為毫米、微米和納米量級零件，以及由這些零件構成的部件或系統(tǒng)的優(yōu)化設計、加工、組裝、系統(tǒng)集成與應用技術。微納制造主要研究特征尺寸在微米、納米范圍的功能結構、器件與系統(tǒng)設計制造中的科學問題，研究內(nèi)容涉及微納器件與系統(tǒng)的設計、加工、測試、封裝與裝備等，是開展高水平微米納米技術研究的基礎，是制造微傳感器、執(zhí)行器、微結構和功能微納系統(tǒng)的基本手段和基礎。微納制造以批量化制造，結構尺寸跨越納米至毫米級，包括三維和準三維可動結構加工為特征，解決尺寸跨度大、批量化制造和個性化制造交叉、平面結構和體結構共存、加工材料多種多樣等問題，突出特點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微加工和機械微加工的制造。MEMS微加工是由微電子技術發(fā)展起來的批量微加工技術，主要有硅微加工技術和非硅微加工技術，包括硅干法深刻蝕技術、硅表面微加工技術、硅濕法各向異性刻蝕技術、鍵合技術、LIGA技術、UV-LIGA技術及其封裝技術等。MEMS加工材料以硅、金屬和塑料等材料的二維或者準三維加工為主。其特點是以微電子及其相關技術為核心技術，批量制造，易于與電子電路集成。機械微加工是指采用機械加工、特種加工技術、成型技術等傳統(tǒng)加工技術形成的微加工技術，加工材料不受限制，可加工真三維曲面。其微加工工藝包括：微細磨削、微細車削

3、、微細銑削、 微細鉆削、微沖壓、微成型等。納制造是構建適用于跨尺度（Micro/Meso/Macro）集成的、可提供具有特定功能的產(chǎn)品和服務的納米尺度維度（一維、二維和三維）的結構、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所示的技術體系。材料 加工技術 設計與仿真 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l 數(shù)模電路混合集成技術l 可靠性技術l 生物兼容技術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MEMS微制造微納制造自上而下光電子技術柔性電子技術NEMS納制造自下而上分子裝配圖6-3 微納制造技術體系結構圖二、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，對現(xiàn)代生產(chǎn)、生活產(chǎn)生巨大的促進作用，為相關傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級實現(xiàn)跨越式發(fā)展提供了機遇，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)得到廣泛應用，目前向環(huán)境與安全、醫(yī)療與健康等領域迅速擴展，并在新能源裝備，半導體照

5、明工程，柔性電子、光電子等信息器件方面具有重要的應用前景。（）汽車電子與消費電子產(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)量達到1826.5萬輛，2020年有望超過2000萬輛。目前一輛中檔汽車上應用的傳感器約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、玩具等消費類電子產(chǎn)品的生產(chǎn)國和消費國，微麥克風、射頻濾波器、壓力計和加速度計等MEMS器件已開始大量應用，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反應面積產(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。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構是影響轉(zhuǎn)換效率的重要因素，需要研究新型太陽電池材料、太陽電池功能微結構設計與制造等方面的基礎理論、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晶硅、低溫多晶硅、柔性基板、有機和無機半導體材料等基礎上的新型電子技術。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)預測，柔性電子產(chǎn)能2015年將達到350億美元，2025年達到3000億美元。制造技術直接關系到柔性電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，目前待解決的技術問題包括有機、無機電路與有機基板的連接和技術，精微制動技術，跨尺度互聯(lián)技術，需要全新的制造原理和制造工藝。21世紀光電子信息技術的發(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)預測，未來1015年內(nèi)光通信網(wǎng)絡的商用傳輸速率將達到40Tb/s，基于陣列波導光柵（集成光路）的集成光電子技術已成為支撐和引領下一代光通信技術發(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?；谖⒓{制造技術的高性能、低成本、微小型醫(yī)療儀器具有廣泛的應用和明確的產(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)濟建設的快速發(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，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)展方向和應用領域。三、關鍵技術隨著微納制造基礎科學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域過渡及相互耦合，結構維度由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/表面效應占主導作用。微納制造涉及光、機、電、磁、生物等多學科交叉，需要對多介質(zhì)場、多場耦合進行綜合研究。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鍵問題。（）微納設計技術1. 現(xiàn)狀隨著微納技術應用領域的不斷擴展，器件

10、與結構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用，多域耦合建模與仿真的相關理論與方法、跨微納尺度的理論和方法、非硅材料在微納尺度下的結構或機構設計問題以及與物理、化學、生命科學、電子工程等學科的交叉問題成為微納設計理論與方法的重要研究方向。2. 挑戰(zhàn)針對微納機械學的發(fā)展趨勢，結合MEMS/NENS、柔性電子、光電子制造的需求，重點研究包括下述方面。（1）微納設計平臺：集成版圖設計、器件結構設計和性能仿真、工藝設計和仿真、工藝和結構數(shù)據(jù)庫等在內(nèi)的微納設計平臺；微納設計平臺和AUTOCAD、ANSYS等其他技術平臺的數(shù)據(jù)交換技術等。（2

11、）微納器件和系統(tǒng)可靠性：微納器件可靠性設計技術、微納器件質(zhì)量評價和認證技術、典型可靠性測試結構技術等。（3）復雜結構的設計：多材料、跨尺度、復雜三維結構的設計和仿真技術；與制造系統(tǒng)集成的微納制造設計工具。3. 目標預計到2020年，將開發(fā)出基于多尺度多能量域的實用化MEMS設計方法與工具，多材料、跨尺度、與制造系統(tǒng)集成的微納制造設計工具。（二）微納加工技術1. 現(xiàn)狀（1）微加工：低成本、規(guī)?；?、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，集成加工技術正由二維向準三維過渡，三維集成加工技術將使系統(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。非硅微加工技術擴展了MEMS的材料，通過硅與非硅材料混合集成加工技術的研究和開發(fā)，將制備出含有金屬、塑料、陶瓷或硅微結構，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)。目前被認同的批量化納米制造技術主要集中在：納米壓印技術；納米生長技術；特種LIGA技術；納米自組裝技術等。（4）微納復合加工：隨著微加工技術的不斷完善和納米加工技術與納米材料科學與技術的發(fā)展，發(fā)揮微加工、納米加工和納米材料的各自特點，出現(xiàn)了納米加工與微加工結合的自上而下的微納復合加工和納米材料與微加工

13、結合的自下而上的微納復合加工等方法，是微納制造領域的重要發(fā)展方向。2. 挑戰(zhàn)（1）微加工技術：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，重點研究微結構與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。（2）納米加工技術：針對納米壓印技術、納米生長技術、特種LIGA技術、納米自組裝技術等納米加工技術，研究納米結構成形過程中的動態(tài)尺度效應、納米結構制造的多場誘導、納米仿生加工等基礎理論與關鍵技術，形成實用化納米加工方法。（3）微納復合加工：重要研究“自上而下”

14、的微納復合加工、納米材料與微加工結合“自下而上”的納微復合加工和從納米到毫米的多尺度結合等微納復合加工技術。3. 目標（1）三維多功能微系統(tǒng)集成加工技術。預計到2020年三維多功能微系統(tǒng)集成加工技術將得到整體突破，2030年將實現(xiàn)微納集成制造裝備的廣泛應用。（2）硅與非硅材料混合集成加工技術。預計到2020年實現(xiàn)在信息、汽車、生物醫(yī)藥、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造等領域的實際應用，2030年實現(xiàn)多材料集成制造裝備。（3）納米壓印技術。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。復雜的任意圖形的轉(zhuǎn)移是該方向今后需突破的關鍵技術。預計到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、納機電系統(tǒng)等納米制造中得到廣泛應用，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。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加工技術的重要研究方向。預計到2020年特種納米LIGA加工技術將開發(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。具有分子識別功能的新型非共價鍵中間分子體的設計、 合成及納米結構單元聚集體行為和自組織排列體系的構建，以生物分子馬達為基礎的微納機器人、功能材料

16、的應用，納米結構模塊化組裝，生物分子納米結構可控自組裝是納米結構的可控自組裝技術的重要方向。預計到2020年納米結構的可控自組裝技術將開發(fā)成功，在生物傳感器、仿生、疾病診斷與治療等領域得到應用，2030 年將實現(xiàn)跨尺度多材料自組裝技術及裝備。（6）無掩模納米光刻技術。無掩模光刻技術在計算機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，重點研究基于光學近場技術、SIL（Solid Immersion Lens）技術、短波長技術、靜電可縮小光學技術和MEMS等技術開發(fā)無掩模光學真刻制備數(shù)十納米級復雜結構器件

17、的技術。預計到2020年無掩模納米光刻技術將得到實際應用，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1. 現(xiàn)狀針對微機電系統(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的高精度、高通量、低成本和多維操縱技術。由于微納結構、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、電、生物、化學等復雜微納系統(tǒng)的重要技術，跨尺度集成是微納制造中的關鍵問題之一。2. 挑戰(zhàn)針對微機電系統(tǒng)的組裝、納米互連和生物粒子等操作，重點研究基于單場或多場和尺度效應的高精度、高通量、低成本和多維操縱方法與關

18、鍵技術。由于在微納尺度下進行裝配，精密定位與對準、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、真空封裝技術，氣密封裝技術，封裝材料，封裝的熱性能、機械性能、電磁性能等引起的可靠性等技術是微納器件與系統(tǒng)制造的“瓶頸技術”。3. 目標預計到2020年，開發(fā)出面向細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、裝配與封裝技術和系統(tǒng)。（四）微納測試與表征技術1. 現(xiàn)狀特征尺寸和表面形貌等幾何參數(shù)的

19、測量；表面力學量及結構機械性能的測量；含有可動機械部件的微納系統(tǒng)動態(tài)機械性能測試；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域的重要問題。微納測試與表征技術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，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)重點研究微納結構中幾何參量、動態(tài)特性、力學參數(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測量、圓片級加工質(zhì)量的在線測試與表征、微納機械力學特性在線測試等微納制造過程檢測技術與裝備，微納結構、器件與系統(tǒng)的可靠性測量與評價技術等。3. 目標預計到2020年，開發(fā)出微細結構高空間分辨圖譜顯微層析成像、檢測技術與裝備。預計到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與裝備，并將得到實際應用。（五）微納器件與系統(tǒng)技術1. 現(xiàn)狀工業(yè)與生產(chǎn)、醫(yī)療與健康、環(huán)境與安全