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3.4微米/纳米技术3.4.1概述科学技术向微小领域发展，由毫米级、微米级继而涉足纳米级，人们把这个领域的技术称之为微米/纳米技术（Micro＆Nano-Technology）。当前，微米/纳米技术在国际上已使人类在改造自然方面进入一个新的层次，即以微米层次深入到原子、分子级的纳米层次，它作为本世纪出现的高技术，发展十分迅猛，并由此开创了纳米电子、纳米材料、纳米生物、纳米机械、纳米制造、纳米测量等等新的高技术群。3.4微米/纳米技术3.4.1概述正像产业革命、抗菌素、核能以及微电子技术的出现和应用所产生的巨大影响一样，微米/纳米技术将开发物质潜在的信息和结构潜力，使单位体积物质储存、处理信息和运动控制的能力实现又一次飞跃。在信息、材料、生物、医疗等方面，导致人类认识和改造世界的能力取得重大突破。从技术手段上，传统的机械加工、IC工艺和特种工艺（如电子束、离子束、分子束、激光束加工等）将有很大的发展；从技术和产业领域上，精密机械、材料科学技术、微电子技术、光学技术、信息技术、精细化工、物理和生命科学技术、生态农业将产生新的突破。所以，目前发达国家都在国家科学研究规划中投人大量的资金和人力的同时，开始注意对关键微米/纳米技术实行保密与技术封锁。3.4微米/纳米技术3.4.2微米/纳米技术自微电子技术问世以来，人们不断追求越来越完善的微小尺度结构的装置，并对生物、环境控制、医学、航空航天、先进传感器与数字通信等领域，不断提出微小型化方面的更新更高的要求。微米/纳米技术已成为现代科技研究的前沿，成为世界先进国家科技发展竞争的科技高峰之一。按照习惯的划分，微米技术是指在微米级（0.1～100μm）的材料、设计、制造、测量、控制和应用技术。3.4微米/纳米技术3.4.2微米/纳米技术从微米/纳米技术研究的技术途径亦可分为两类:一种是分子、原子组装技术的办法，即把具有特定理化性质的功能分子、原子、借助分子、原子内的作用力，精细地组成纳米尺度的分子线、膜和其他结构，再由纳米结构与功能单元进而集成为微米系统，这种方法称为由小到大的方法；另一种是用刻蚀等微细加工方法，将大的材料割小，或将现有的系统采用大规模集成电路中应用的制造技术，实现系统微型化，这种方法亦称为由大到小的方法。从目前的技术基础分析，由大到小的方法可能是我们主要应用的方法。3.4微米/纳米技术3.4.2微米/纳米技术1.微米技术（1）微小尺度的设计理论研究微型系统的设计并非简单的机械微小化，而需要从物理及物质相互作用等方面进行重新研究，形成一整套的设计理论与方法，其研究重点应包括：微动力学、微流体力学、微热力学、微机械学、微光学等，并且注重现代设计方法如CAD技术、仿真与拟实技术等在微型系统设计中的应用，通过上述研究解决微型系统设计中的尺寸效应、表面效应、误差效应及材料性能等的影响。微细加工技术与测量定位、控制技术是密切联系的，相应的测量定位、控制要高1～2个数量级，需要亚微米级及纳米级。3.4微米/纳米技术3.4.2微米/纳米技术1.微米技术（2）微细加工技术微细加工技术包含超精机械加工、IC工艺、化学腐蚀、能量束加工等诸多方法。对于简单的面、线轮廊的加工，可以采用单点金刚石和CBN切削、磨削、抛光等技术来实现，如激光陀螺的平面反射镜和平面度误差要求小于30nm，表面粗糙度Ra值小于1nm等。而对于稍稍复杂一点的结构，用机械加工的方法是不可能的，特别是制造复合结构，当今较为成熟的技术仍是IC工艺硅加工技术，如美国研制出直径仅为60～120μm的硅微型静电马达等。另外建立在深层同步辐射光刻、电镀、铸塑技术基础的LIGA技术，在制作具有很大纵横比的复杂微结构方面取得重大进展，并日趋成熟，其横向尺寸可小到0.5μm，加工精度达0.1μm。同时能量束加工如离子束加工、分子束加工、激光束加工以及电化学加工、精密电火花加工等，在微细加工甚至纳米加工领域发挥着越来越重要的作用。3.4微米/纳米技术3.4.2微米/纳米技术1.微米技术（3）精密测试技术具有微米及亚微米测量精度的几何量与表面形貌测量技术亦已成熟，如具有0.01μm精度的HP5528双频激光干涉测量系统，具有0.01μm精度的光学与触针式轮廓扫描系统等。因此，目前精密测试技术的一个重要研究对象是微结构的力学性能，如谐振频率、弹性模量、残余应力的测试和微结构的表面形貌及内部结构，如微体缺陷、微裂缝、微沉积物的测试，由此出现了软X射线显微镜、扫描光声显微镜等新技术。3.4微米/纳米技术3.4.2微米/纳米技术1.微米技术（4）微系统技术在研究微系统设计、加工、测量的基础上，国内外较广泛地开展了微型传感、微执行机构、微电子信号处理等方面的研究工作，如已制作出微型力传感器、微型泵、微电机等。下一阶段的目标是如何将微机构、微传感器、微执行器、微电子信号处理电路等集成于一体，这种集成技术亦是建立于微细加工的基础之上，其主要研究问题包括：微系统的宏微界面接口技术，封装技术，粘接技术，系统自检、自律、自校正技术等。同时已经研制出了一些典型微系统，如用于化学成分检测的微成分检测系统(5mm×5mm×3mm)，用于心脏状态监测的微系统（φ4mm×8mm），用于导航的微惯性系统（20mm×20mm×5mm）等。3.4微米/纳米技术3.4.2微米/纳米技术2.纳米技术纳米技术通常指纳米级0.1nm～100nm的材料、设计、制造、测量、控制和产品的技术。纳米技术是科技发展的一个新兴领域，它不仅仅是将加工和测量精度从微米级提高到纳米级的问题，而是人类对自然的认识和改造方面，从宏观领域进入到物理的微观领域，深入了一个新的层次，即从微米层深入到分子、原子级的纳米层次。在深入到纳米层次时，所面临的决不是几何上的“相似缩小”的问题，而是一系列新的现象和新的规律。在这纳米层次上，也就是原子尺寸级别的层次上，一些宏观的物理量，如弹性模量、密度、温度等已要求重新定义，在工程科学中习以为常的欧几米德几何，牛顿力学，宏观热力学和电磁学都已不能正常描述纳米级的工程现象和规律，而量子效应，物质的波动特性和微观涨落等已是不可忽略的因素，甚至成为主导因素。3.4微米/纳米技术3.4.2微米/纳米技术2.纳米技术纳米技术主要包括：纳米级精度和表面形貌的测量；纳米级表层物理、化学、力学性能的检测；纳米级精度的加工和纳米级表层的加工-原子和分子的去除、搬迁和重组；纳米材料；纳米级传感器和控制技术；微型和超微型机械；微型和超微型机电系统和其他综合系统；纳米生物学等。3.4微米/纳米技术3.4.2微米/纳米技术2.纳米技术（1）纳米电子技术在过去的40年里，晶体管的特征尺寸由10mm减小到小于1μm，现在商用上可实现在一个集成片上包含100万个单元。对于这种尺度的电子线路，宏观规律仍旧有效，然而未来一二十年的科技发展使尺寸进一步缩小10～100倍进入到纳米尺度，量子力学及电子的波动性就不能不再考虑了。目前扫描探针显微技术可以在表面上形成纳米级宽度的线条，如日本、英国、美国均已成功地加工出了5～20nm的线条，由此将集成电路的几何结构进一步减小，超越目前发展中的极限，因而使得功能密度和数据通过率达到目前难以想象的水平。在这个尺度上，新的物理效应将会出现，利用它可以发展新颖的量子器件，像原子开关、共振隧道二极管、量子激光器等器件。纳米电子技术的另一个诱人的研究方向是发展分子电子器件和生物芯片，它们以分子组合为基础，是一种全新的电子元件。3.4微米/纳米技术3.4.2微米/纳米技术2.纳米技术（2）纳米机械技术纳米机械技术包括的领域很广，其研究基础包括纳米加工过程的动力学模拟、纳米构件与表面分子工程、纳米摩擦学等，这里所指的纳米机械是能实现纳米尺寸上某种功能的机械，如纳米制造设备及纳米执行器，纳米执行器能实现纳米尺度的移动与定位。典型的纳米执行器有两种，一种是基于线性马达的Yoshida系统，有1nm定位精度和200nm／s的速度；另一种是基于压电陶瓷管的蠕动爬行装置，以步进方式很容易实现1nm的定位以及在扫描隧道显微镜（ScanningTunnelingMicroscope，简称STM）和原子力显微镜（AtomicForceMicroscope，简称AFM）上达到0.01nm的精确定位。3.4微米/纳米技术3.4.2微米/纳米技术2.纳米技术（3）纳米材料技术纳米材料技术是发展最早且研究最深入的学科。纳米材料由于其结构的特殊性，如大的表面比及小尺寸效应、界面效应、量子效应和量子隧道效应等一系列新的效应。使纳米材料出现许多不同于传统材料的独特性能，从而使其在未来新材料上充当角色，如隐身材料，高灵敏度、高响应的传格材料，多功能复相陶瓷材料等。纳米材料还为基础研究提供可控参数的样品，如纳米薄膜、纳米超微粉等用于研究上述效应。3.4微米/纳米技术3.4.2微米/纳米技术2.纳米技术（4）纳米加工技术纳米加工技术的发展面临两大途径：一方面是将传统的超精加工技术，如机械加工（单点金刚石和CBN刀具切削、磨削、抛光）、电化学加工（ECM）、电火花加工（EDM）、离子和等离子体蚀刻、分子束外延（MBE）、物理和化学气相沉积、激光束加工、LIGA技术等向其极限精度逼近，使其具有纳米的加工能力。另一方面，开拓新效应的加工方法，如STM对表面的纳米加工，可操纵原子和分子，并对表面进行刻蚀。如美国的IBM公司利用STM将35个原子排出“IBM”三个字样，且在硅片上覆盖一层20nm厚的聚甲基丙烯甲酯（PMMA），再利用STM光刻，得到l0nm宽的线条等。3.4微米/纳米技术3.4.2微米/纳米技术2.纳米技术（5）纳米测量技术以上所涉及有关纳米技术的研究，均离不开对它们的分析测试工作——纳米测量技术，或称之为纳分析和纳探针技术。其中纳探针技术发展迅速并较为成熟，随着20世纪80年代STM的出现，使人们能直接观察到物质表面的原子结构，把人们带到了微观世界。STM具有极高的空间分辨率（横向可达0.1nm，纵向可低于0.01nm）和广泛的适用性，在国际上一度掀起STM的热潮，并在一定程度上推动了纳米技术的产生与发展。3.4微米/纳米技术3.4.2微米/纳米技术2.纳米技术基于STM发展起来了一系列利用探针与样品的不同相互作用，来探测表面或界面纳米尺寸上表现出来的物理与化学性质扫描探针显微镜（SPM），如：原子力显微镜（AFM）、磁力显微镜（MFM）、摩擦力显微镜（LFM）、弹道电子发射显微镜（BEEM）、光子扫描隧道显微镜（PSTM）、扫描隧道电位（STP）、扫描离子电导显微镜（SICM）、扫描热显微镜（STM）、扫描力显微镜（SFM）等。3.4微米/纳米技术3.4.3微机电系统在微小尺寸范围，机械依其特征尺寸可以划分为1～10mm的小型机械，1μm～1mm的微型机械，以及1nm～1μm的纳米机械。所谓微型机械，从广义上包含了微小型和纳米机械，但并非机械的单纯微小化，而是指可以批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，甚至外围接口、通讯电路和电源等于一体的微型电子机械系统（MEMS），或称之为微系统。3.4微米/纳米技术3.4.3微机电系统无论是MEMS或其他最近出现的相关新技术词汇，它们实际上指微小尺寸范围的装置和系统的设计、研究和制造，以及它们与宏观世界的联接（界面）和集成。MEMS的目的不仅在于缩小尺寸和体积，还在于通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新技术领域，形成批量化产业。MEMS产品具有尺寸小、精度高、响应速度快和成本低的优势。3.4微米/纳米技术3.4.3微机电系统MEMS已成为一个具有交叉学科性质的前沿研究领域，涉及电子工程、材料工程、机械工程、信息工程、物理学、化学、光学、医学以及生物技术等多种工程技术和科学，其研究开发内容包括基础理论、设计、材料、制作工艺、微型传感和执行元件、测试技术、微操作与控制技术、宏/微接口和通讯技术、能源供给、系统集成以及应用等许多方面。MEMS在工业、国防、航空航天、航海、医学和生物工程、农业和家庭服务等领域，有