第二节 微纳制造技术
一、概述
微纳制造技术指尺度为毫米、微米和纳米量级零件，以及由这些零件构成的部件或系统的优化设计、加工、组装、系统集成与应用技术。微纳制造主要研究特征尺寸在微米、纳米范围的功能结构、器件与系统设计制造中的科学问题，研究内容涉及微纳器件与系统的设计、加工、测试、封装与装备等，是开展高水平微米纳米技术研究的基础，是制造微传感器、执行器、微结构和功能微纳系统的基本手段和基础。微纳制造以批量化制造，结构尺寸跨越纳米至毫米级，包括三维和准三维可动结构加工为特征，解决尺寸跨度大、批量化制造和个性化制造交叉、平面结构和体结构共存、加工材料多种多样等问题，突出特点是通过批量制造降低生产成本，提高产品的一致性、可靠性。
微纳制造包括微制造和纳制造。微制造主要指MEMS微加工和机械微加工的制造。MEMS微加工是由微电子技术发展起来的批量微加工技术，主要有硅微加工技术和非硅微加工技术，包括硅干法深刻蚀技术、硅表面微加工技术、硅湿法各向异性刻蚀技术、键合技术、LIGA技术、UV-LIGA技术及其封装技术等。MEMS加工材料以硅、金属和塑料等材料的二维或者准三维加工为主。其特点是以微电子及其相关技术为核心技术，批量制造，易于与电子电路集成。机械微加工是指采用机械加工、特种加工技术、成型技术等传统加工技术形成的微加工技术，加工材料不受限制，可加工真三维曲面。其微加工工艺包括：微细磨削、微细车削、微细铣削、 微细钻削、微冲压、微成型等。
纳制造是构建适用于跨尺度（Micro/Meso/Macro）集成的、可提供具有特定功能的产品和服务的纳米尺度维度（一维、二维和三维）的结构、特征、器件和系统的制造。它包括纳米压印、离子束直写刻蚀、电子束直写刻蚀、自组装等自上而下和自下而上两种制造过程。
微纳制造涉及材料、设计、加工、封装、测试等方面的科技问题，形成了如图6-3所示的技术体系。
材料 加工技术 设计与仿真 封装与测试
? 金属 ? ?? ? ? ? ? ? 硅 石英 玻璃 陶瓷 聚合物 微纳 制造 ? 微切削 ? 特种微加工 ? 微注塑 ? 微成型 ? LIGA、准LIGA ? 体硅微加工 ? 表面硅微加工 ? SOI微加工 ? 键合 ? 封装 ? ?? ? 纳米压印 ? 离子束直写刻蚀 ? 电子束直写刻蚀 ? 自组装 ? ?? 宏制造 ? ? ? ? ? 多材料加工技术 数模电路混合集成技术 可靠性技术 生物兼容技术 ?? 核心技术 微制造 光电子技术 MEMS ? 蛋白质 ? ?? 自上而下 柔性电子技术 ?? 纳制造 自下而上 分子装配 NEMS 图6-3 微纳制造技术体系结构图
二、未来市场需求及产品
微纳器件及系统因其微型化、批量化、成本低的鲜明特点，对现代生产、生活产生巨大的促进作用，为相关传统产业升级实现跨越式发展提供了机遇，并催生了一批新兴产业，成为全世界增长最快的产业之一。在汽车、石化、通信等行业得到广泛应用，目前向环境与安全、医疗与健康等领域迅速扩展，并在新能源装备，半导体照明工程，柔性电子、光电子等信息器件方面具有重要的应用前景。
（―）汽车电子与消费电子产品
目前我国已成为全球第三大汽车制造国，2010年中国汽车年产量达到1826.5万辆，2020年有望超过2000万辆。目前一辆中档汽车上应用的传感器约40个，豪华汽车则超过200个，其中MEMS陀螺仪、加速度计、压力传感器、空气流量计等MEMS传感器约占20%。中国是世界上最大的手机、玩具等消费类电子产品的生产国和消费国，微麦克风、射频滤波器、压力计和加速度计等MEMS器件已开始大量应用，具有巨大的市场。
（二）新能源产业
用碳纳米管材料制造燃料电池可使得表面化学反应面积产生质的飞跃，大幅度提高燃料电池的能量转换效率，需要解决纳米材料（如碳纳米管）的低成本、大批量制造以及跨尺度集成等制造技术。光伏市场正在以年均30%左右的速度增长。2010年我国太阳能电池组件产量上升到10GW，占世界产量的45%，连续四年太阳能电池产量占世界第一。物理学研究表明，太阳电池能量转换效率的理论极限在
70%以上，太阳电池的表面减反结构是影响转换效率的重要因素，需要研究新型太阳电池材料、太阳电池功能微结构设计与制造等方面的基础理论、新原理和新方法。
（三）新型信息与光电器件
柔性电子是建立在非结晶硅、低温多晶硅、柔性基板、有机和无机半导体材料等基础上的新型电子技术。柔性电子可实现在任意形貌、柔性衬底上的大规模集成，改变传统集成电路的制造方法。据预测，柔性电子产能2015年将达到350亿美元，2025年达到3000亿美元。制造技术直接关系到柔性电子产业的发展，目前待解决的技术问题包括有机、无机电路与有机基板的连接和技术，精微制动技术，跨尺度互联技术，需要全新的制造原理和制造工艺。21世纪光电子信息技术的发展将遵从新的“摩尔定律”，即光纤通信的传输带宽平均每9~12个月增加一倍。据预测，未来10~15年内光通信网络的商用传输速率将达到40Tb/s，基于阵列波导光栅（集成光路）的集成光电子技术已成为支撑和引领下一代光通信技术发展的方向。2010年全球LED市场规模约为92.7亿美元，国内LED市场规模约为279亿元，LED封装工艺与装备是影响LED产业化的关键问题之一。
（四）民生科技产业
目前全国县级以上医院使用的医疗检测仪器几乎完全进口，大部分农村基层医院、卫生站缺少基本的医疗检测仪器。基于微纳制造技术的高性能、低成本、微小型医疗仪器具有广泛的应用和明确的产业化前景。我国约有盲人500万、听力语言残疾人2700余万，基于微
纳制造技术研究开发视觉假体和人工耳蜗，是使盲人和失聪人员重建光明、回到有声世界的有效途径。
随着经济建设的快速发展，工业生产和城市生活引起的环境污染十分严重，生产和生活中的安全事故隐患十分突出，环境与安全问题已成为我国社会发展的战略任务，如大气、水源、工业排放的监测，化工、煤矿、食品等行业的生产安全与质量监测等，用于环境与安全监测的微纳传感器与系统成为重要的发展方向和应用领域。
三、关键技术
随着微纳制造基础科学问题的研究不断深化，涉及的尺度从宏观向介观、微观、 纳观扩展，参数由常规向超常或极端发展，以及从宏观和微观两个方向向微米和纳米尺度领域过渡及相互耦合，结构维度由2D向3D发展，制造对象与过程涉及纳/微/宏跨尺度，尺度与界面/表面效应占主导作用。微纳制造涉及光、机、电、磁、生物等多学科交叉，需要对多介质场、多场耦合进行综合研究。由于微纳器件向更小尺度、更高功效方向发展以及材料的多样性，材料可加工性、测量与表征性成为重要的关键问题。
（―）微纳设计技术 1. 现状
随着微纳技术应用领域的不断扩展，器件与结构的特征尺寸从微米尺度向纳米尺度发展，金属材料、聚合物材料和玻璃等非硅材料在微纳制造中得到了越来越多的应用，多域耦合建模与仿真的相关理论