微纳制造方法优化方案

微纳制造就是将制造的几何尺寸稳定地控制在微纳米量级的制造，这是一种狭义的理解。而从广义上看，微纳制造则是对制造的认识尺度达到微纳米量级的制造。常规尺度产品中关键的微结构特征需要通过微纳制造技术来实现，这些微纳结构特征的加工质量的好坏直接关系到产品的总体性能。各行各业尖端技术的需求不断促进微纳制造技术的发展，以物理的、生物的或化学的方式对物质对象的结构进行加工成形，各种微纳制造方法和技术也不断丰富，已经形成一个庞大的微纳制造技术体系。微纳制造技术领域的划分概况如图1-13所示。

图1-13　微纳制造技术领域的划分概况

从材料流变特征看，图1-13所示的微纳制造方法也可以概括分为微纳减材、增材及定材三类。每种类型根据加工成形机理和工艺的不同，又分为很多不同的具体加工制造方法。

1.微纳减材加工技术

微纳减材加工一般是指通过高分辨率的实体微小刀具，利用机械力的作用，实现对工件材料微量去除加工或通过极微细切削实现纳米级精度的微细加工方法。根据微小型构件的加工要求，适用于微细切削的刀具或工件直径应小于1 mm，最小加工特征尺度应在亚微米至数十微米之间。按照刀具类型和切削方式进行区分，微细切削刀具主要有微细车削、微细铣削、微细磨削、微细钻削和微细车铣复合加工等形式。由于微细切削是微量切削，因此其具有特殊的切削机理。

特征尺度的减小，使微细切削在表面力学、摩擦学和传热学等方面有着与常规尺度切削截然不同的特点，其切削机理与常规尺度切削有着很大的区别。微细切削尺度的急剧减小，带来了不可忽视的尺度效应影响，使得常规尺度切削理论中可以忽略的错位问题凸显出来，其非自由切削程度明显高于常规尺度切削，因此，非自由切削成为微细切削的主要表现形式。微细切削极小的吃刀量可能小于晶粒的大小，这时刀刃上所承受的切应力不再是晶粒之间的破坏力，而是要超过晶体内部的原子或分子结合力的破坏力；同时，刀尖几何参数对加工质量的影响也不能再被忽略，而应成为建立切削模型、理解切削过程的重要理论依据。依据加工工艺机理特征不同，常用的微纳减材加工具体方法主要有微纳车、铣、钻、磨、研、抛、电加工、激光切割与刻蚀等。

1）微纳车削

微纳车削适用于加工具有微细圆柱轴、端面、台阶轴、螺纹、螺旋槽等结构的回转体，应用成形车刀还可以加工各种微小异型结构。采用超声振动原理的微纳车削是一种行之有效的加工手段。

2）微纳铣削

在微结构制作及材料去除加工中，微纳铣削加工技术可以获得较高的加工效率和表面质量，表现出极强的发展潜力。微纳铣削的具体工艺方法很多，如超声微铣削、微雕、微纳飞切等，各自具有不同的特点和加工条件。

3）微纳车铣复合

微纳车铣复合加工是基于车铣原理的微细加工方法。微纳车铣复合加工不是普通意义上的车削与铣削功能的简单组合，它利用铣刀旋转和工件旋转的合成运动来实现回转体工件的切削加工。微纳车铣复合加工的最主要优势在于，通过车铣联动，不需要工件高转速，而是利用铣削主轴的高转速和工件-刀具的速度合成，来解决车削微细轴时线速度不足的难题，实现高速切削，从而显著提高微细轴的表面加工质量和加工效率。

4）微纳钻、攻

微纳钻、攻加工是微细孔加工中最重要的工艺之一，可加工直径小到20～30μm、表面粗糙度Ra可达0.2μm的孔。它可应用于电子、精密机械、仪器仪表、钟表等行业，如加工手表底盘、国Ⅵ发动机喷嘴、化纤喷丝孔、印刷电路板的微孔等。

5）微纳磨、研、抛、喷

微纳磨削、研磨、抛光及磨料喷射等加工能够实现亚微米级甚至纳米级的极高精度加工，能够加工金刚石刀具不宜切削的钢、铁材料和玻璃、陶瓷等硬脆材料。这种微纳加工方法是一种切屑厚度小到晶粒大小的极薄切削，在晶粒内进行，因此切削力必须超过晶体内部非常大的原子、分子结合力。故可知，这种微纳加工方法对提供切削力的磨料及其微纳运动控制精度要求极高。

6）微纳电加工

微纳电加工方法主要有微纳电火花加工、微纳电化学腐蚀加工等。微纳电火花加工是应用较为广泛的微细特种加工方法，具有设备简单、可实施性强和真三维加工能力，不仅可加工各种性能优良的金属、合金，还可加工硅等半导体材料、陶瓷等。微纳电加工方法的能量易于控制，可较为方便地实现去除加工。微纳电火花加工尺寸精度可达0.1 μm、表面粗糙度Ra＜0.01 μm。

7）微纳光刻与刻蚀

微纳光刻工艺是一种非常重要及常用的微纳米加工工艺，是制造各种集成电路的主要办法，也是集成电路制造工艺发展的驱动力，对于芯片性能的发展有着革命性的贡献。光刻作为一种微纳米级加工工艺，提高分辨率是其最为重要的核心技术问题。(www.xing528.com)

在纳米尺度光刻需求越来越广泛的情况下，对高分辨率光刻的要求也越来越高。光刻的分辨率与曝光光源的波长成反比。若要提高分辨率，就需要使用波长更短的曝光光源。因此，目前世界上采用波长更短的极紫外（extremeultraviolet，EUV）光源的光刻技术——极紫外光刻代表了光刻发展的最高水平，其精度可以达到5 nm，相比紫外光刻，极紫外光刻的分辨率大大提高了。同时，为了进一步提高分辨率，现已发明了X射线光刻技术，X射线的波长比紫外光的波长更短，因此可以获取更高的分辨率。

微纳米加工的最终目的是在各种功能材料上制作微纳米结构。光刻技术只是整个加工过程的第一步，下一步是将光刻图形转移到功能材料表面。而在各种功能材料上形成纳米结构的技术是刻蚀技术。刻蚀是指用化学或物理方法有选择地从功能材料表面去除不需要的材料，在功能材料上正确地复制掩膜图形。

在微纳制造中有两种基本的刻蚀工艺：干法刻蚀和湿法刻蚀。干法刻蚀是把功能材料表面暴露于等离子体或气体中，等离子体或气体通过掩膜中开出的窗口，与功能材料发生物理或化学反应（或同时发生两种反应），从而去掉暴露的表面材料。干法刻蚀技术有：等离子体刻蚀技术、气象刻蚀技术等。在湿法刻蚀中，液体化学试剂（如酸、碱和溶剂等）以化学方式去除表面的材料。湿法刻蚀一般用于尺寸较大的情况，或用于去除干法刻蚀后的残留物。

2.微纳增材加工技术

最典型的微纳增材加工技术就是近年来发展迅速的精密3D打印技术。3D打印技术是依据三维CAD（computer aided design，计算机辅助设计）软件的设计数据，采用离散材料（液体、粉末、丝、板块等）基于逐层累加原理制造实体零件的技术，是数字化技术、新材料技术、光学技术等多学科技术发展的产物。其工作原理可以分为两个过程：一是数据处理过程，即将三维CAD图形数据分解为二维数据的过程；二是制作过程，即依据分层的二维数据，采用一定的增材制造手段制作分层薄片，再将每层薄片叠加起来构成三维实体的过程。目前主要的几种微纳增材制造方法有：微电子器件喷印技术、微纳树脂3D打印成形技术、金属3D打印成形技术、微纳表面成膜技术。

1）微电子器件喷印技术

立体喷印技术适用于半导体、电介质、金属焊料、有机材料等多种材料的喷射成形，可以用来制造有机薄膜晶体管、太阳能电池、发光二极管、光电探测器等。另外，利用喷印技术，可以制造微电子器件的内部连线，使用金（Au）、银（Ag）等金属纳米粒子油墨，可以精确控制皮升级小液滴的体积及其落在基板上的位置，从而形成连续或断续的金属焊线。基板只需在100～200℃加热处理，就可以形成最终图案，并可具备溅射金属同等程度的导电性能。

2）微纳树脂/金属3D打印成形技术

光固化成形、熔融沉积制造和立体喷印等多种3D打印技术都可用于树脂的3D打印成形。光固化成形（stereo lithography apparatus，SLA）的原理是利用紫外激光固化成形对紫外光极为敏感的树脂材料。其成形过程为：按照零件的分层信息，聚焦激光束对树脂槽中的树脂表面进行逐点扫描，被扫描的树脂产生光聚合反应而瞬间固化形成零件的一个薄层，逐层扫描将固化层黏合为三维零件。熔融沉积制造（fused deposition modeling，FDM）是利用电热等热源融化丝状材料，通过精确控制三维运动平台，逐层堆积形成三维实体的技术。其材料通常为丝状低熔点塑料。FDM成形原理与立体喷印技术原理类似，但FDM原料是固体材料，需要加热熔化的环节。

对于金属的精密3D打印，激光选区烧结、激光选区融化和激光近净成形等技术都适用。

3）微纳表面成膜技术

薄膜制造是一种典型的微纳增材制造技术，是实现器件微型化和集成化的有效手段，是提升关键结构机械、电磁和化学耐性的重要方法，主要包括物理气相沉积（physical vapor deposition，PVD）、化学气相沉积（CVD）、表面物理液相沉积、化学液相沉积、微纳表面喷涂与改性等微纳制造技术。

物理气相沉积是指利用物理过程实现物质转移，将原子或分子由靶源转移到基材表面（母体）上的过程。它的作用是可以使某些有特殊性能（如导电性、散热性、耐腐蚀性等）的微粒均匀致密地沉积到母体上，使得母体具有更好的性能。PVD基本方法有真空蒸发、溅射、离子镀膜。根据凝聚条件的不同，PVD可以形成非晶态膜、多晶膜或单晶膜。镀料原子在沉积时，若与其他活性气体分子发生反应而形成化合物膜，则称膜层为反应镀膜；若同时有一定能量的离子轰击膜层从而改变膜层结构和性能，则称膜层为离子镀膜。

化学气相沉积（CVD）是利用气相化学反应，在高温、等离子或激光辅助等条件下控制反应气压、气流速率、基片材料温度等因素，从而控制纳米微粒的成核生长，获得纳米结构的薄膜材料的过程。它本质上属于原子范畴的气体传质过程。

化学液相沉积是利用离子在液相发生化学反应，实现薄膜沉积的一种成膜方法。电镀、化学镀和溶胶-凝胶法是现代表面成膜技术的重要组成部分，按成膜介质划分，它们都属于化学液相沉积成膜方法。化学液相沉积因设备操作简单、工艺过程易于控制、可镀材质广泛、镀层成本较低而被广泛应用于各个工业领域。

微纳表面喷涂是以涂料为原料，通过一定的喷涂工艺手段，使涂料在被涂物表面形成装饰、具有防护和特殊功能涂膜的过程。常用的涂装方法有刷涂法、浸涂法、辊涂法、淋涂法、喷涂法、激光熔覆等。此外，现代涂装技术的发展中，出现了热喷涂、静电喷涂、电泳涂装等特殊涂装方法。

3.微纳压印技术

微纳压印从材料质量流变角度而言属于一种定材制造方法，即材料没有增减，一般是通过加热、加压等工艺手段借助模具约束材质的流动运动，从而精确地复制具有纳米精度的图案。微纳压印从宏观方面看主要包括四个核心工艺：制作模具、压印材料、衬底及图形转移外场和选取控制方式。整个微纳压印工艺包括两个基本流程：压印填充和固化脱模。微纳压印技术主要有热压印、紫外光压印、激光辅助压印和软性压印等技术，可以实现将100 nm的线宽提升到5 nm的精度。

微纳压印技术通常指的是热压印技术，该技术只要简单的设备和工艺，就可以得到复制精度很高的图案，且分辨率可达亚微米乃至纳米级。热压印主要应用具有纳米尺度的模具来模压旋涂在晶圆衬底上的聚合物材料，聚合物材料在模压前必须加热到其玻璃转化温度以上，此时压印会在聚合物材料中形成与模具相反的图案，然后可以再用O2等离子体刻蚀工艺去除残留的聚合物薄层并根据需要进行后续的图形转移。

在光学领域，微纳压印可以用来制备高密度光栅、亚波长光栅、金属光栅起偏器、大波长范围抗反射层，以及四分之一波片等，满足原来光刻难以达到的性能要求。

微纳压印技术作为一门新颖而实用性很强的应用技术，发展非常迅速。它在纳米电子器件、纳米光学元件、纳米生物传感器及其他具有纳米结构的功能图形制作方面，将显现出独特的技术优势。