本文來自《前瞻科技》，這是由中國科協(xié)主管、科技導(dǎo)報(bào)社主辦的科技智庫型自然科學(xué)綜合類學(xué)術(shù)期刊。論文原標(biāo)題為《微納制造技術(shù)的發(fā)展趨勢與發(fā)展建議》，微納制造技術(shù)是MEMS/NEMS及智能傳感器重要制造工藝，本文全面介紹了微納制造技術(shù)當(dāng)前的發(fā)展趨勢，以及未來發(fā)展建議。

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微納制造技術(shù)是指尺度為毫米、微米和納米量級(jí)的零件，以及由這些零件構(gòu)成的部件或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、加工、組裝、集成與應(yīng)用技術(shù)。先進(jìn)的微納制造技術(shù)是信息時(shí)代重要的技術(shù)基礎(chǔ)，也是國家戰(zhàn)略競爭力的重要標(biāo)志。它能實(shí)現(xiàn)更小尺度和更高精度的加工，可以顯著提升加工產(chǎn)品的功能密度和性能，有利于推進(jìn)光電子、高端制造和生物醫(yī)學(xué)等高科技領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展，加快傳統(tǒng)制造業(yè)向現(xiàn)代制造業(yè)乃至未來制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，促進(jìn)新型材料和工藝的創(chuàng)新，從而增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)競爭力和整體技術(shù)水平。

隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步，傳統(tǒng)“宏”機(jī)械制造技術(shù)已不能滿足新型“微”機(jī)械和“微”系統(tǒng)的高精度制造和裝配加工要求，必須研究和應(yīng)用微納制造的技術(shù)與方法。微納制造技術(shù)是微傳感器、微執(zhí)行器、微結(jié)構(gòu)和功能微納系統(tǒng)制造的基本手段和重要基礎(chǔ)。按加工尺度不同，微納制造分為微制造和納制造。其中，微制造指的是在微米（10^-6 m）尺度上進(jìn)行的材料加工和制造技術(shù)，主要應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-electromechanical System, MEMS）、微型傳感器和微型機(jī)器等領(lǐng)域。常見的工藝有光刻、刻蝕、電鍍和激光加工等。納制造則是在納米（10^-9 m）尺度上進(jìn)行制造，一般包括納米電子器件、納米材料、納米藥物載體和納米傳感器等的制造過程。常用的納制造加工方法有納米印刷、原子層沉積和納米自組裝技術(shù)等，能夠控制材料實(shí)現(xiàn)原子和分子水平上的結(jié)構(gòu)制備。微制造和納制造技術(shù)是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，兩者的重要性體現(xiàn)在其能夠?qū)崿F(xiàn)更低的功耗、更高的集成度和更復(fù)雜的功能，可以極大促進(jìn)先進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新和高端制造產(chǎn)業(yè)升級(jí)。相比于國際前沿，中國微納制造技術(shù)存在階段性差距，成為制約中國高端精密制造業(yè)，尤其是芯片制造發(fā)展的重大短板。當(dāng)前，國際先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域的競爭日益激烈，部分發(fā)達(dá)國家也一直對(duì)中國實(shí)施科技封鎖。因此，解決高端微納制造技術(shù)的相關(guān)“卡脖子”問題，實(shí)現(xiàn)技術(shù)自主可控顯得尤為重要。大力發(fā)展國產(chǎn)高端微納制造技術(shù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)，引領(lǐng)微納制造技術(shù)朝著多功能集成、智能化、新材料和新工藝方向發(fā)展，是實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)高端芯片等超精密制造突破的必由之路。微納制造技術(shù)屬國際前沿技術(shù)，是未來制造業(yè)賴以生存的基礎(chǔ)和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。在全球范圍內(nèi)，微納制造經(jīng)過30多年的發(fā)展已經(jīng)取得了顯著的成績和廣泛的應(yīng)用。文章概述微納加工、微納組合和微納測量等微納制造技術(shù)體系，重點(diǎn)分析芯片微納制造、激光微納制造和聚合物微納制造等典型微納制造技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢，提煉微納制造技術(shù)的發(fā)展趨勢，并針對(duì)性地提出適合中國微納制造技術(shù)發(fā)展的建議，以期為中國微納制造技術(shù)領(lǐng)域基礎(chǔ)研究、技術(shù)攻關(guān)、精密制造、裝備應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)升級(jí)等提供基礎(chǔ)性參考。

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微納制造技術(shù)體系概述

1.1 微納加工技術(shù)

微納加工技術(shù)是一種精密制造技術(shù)，主要通過光刻、離子束刻蝕、電子束刻蝕、金屬濺射沉積、化學(xué)/物理氣相沉積、電鍍、電化學(xué)腐蝕等工藝實(shí)現(xiàn)微米至納米級(jí)別的精細(xì)加工。該項(xiàng)技術(shù)涉及亞毫米、微米和納米尺度元件的優(yōu)化設(shè)計(jì)、加工、組裝、系統(tǒng)集成與應(yīng)用，在半導(dǎo)體、光電子、通信、硅基微電子、儀器設(shè)備、生物醫(yī)藥、航空航天和軍事等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在國際上，微納加工技術(shù)已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。它不僅推動(dòng)了科技進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，還在保障國防安全等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。國內(nèi)微納加工技術(shù)雖然起步較晚，但隨著MEMS行業(yè)需求的逐步擴(kuò)大，在部分尖端技術(shù)方面已經(jīng)取得顯著進(jìn)步。2024年初，“中國電科實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)離子注入機(jī)28納米工藝全覆蓋”入選“2023年度央企十大國之重器”。作為微納加工領(lǐng)域的重大突破，離子注入機(jī)是與光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、鍍膜機(jī)并稱為芯片制造的“四大核心裝備”。中國電子科技集團(tuán)有限公司成功研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的百萬伏高能離子注入機(jī)，打破了國外對(duì)該項(xiàng)技術(shù)長達(dá)幾十年的封鎖。

1.2 微納組合技術(shù)

微納組合技術(shù)是指在微米和納米尺度上，通過精密的加工技術(shù)將不同材料或器件組合在一起，以實(shí)現(xiàn)特定功能或性能的技術(shù)。它結(jié)合了光刻、電子束光刻、納米壓印、激光直寫、薄膜沉積等多種工藝，通過這些技術(shù)的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了在微米和納米尺度上的復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造。當(dāng)前，微納組合技術(shù)在微電子、光電子、生物醫(yī)學(xué)、能源轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，能夠精確控制材料的形貌、尺寸和功能，推動(dòng)了高性能器件和系統(tǒng)的開發(fā)。例如，在微納光子學(xué)領(lǐng)域，國外已經(jīng)通過微納組合技術(shù)開展微納米機(jī)器人制造的相關(guān)研究，如光學(xué)捕獲與驅(qū)動(dòng)、藥物遞送和微創(chuàng)手術(shù)等。而在國內(nèi)，近年來，各大高校、科研院所及企業(yè)都在積極推動(dòng)這一技術(shù)的研究，雖然已經(jīng)取得了一系列的成就，但同時(shí)也面臨著跨尺度多物理場耦合等科學(xué)難題，需要進(jìn)一步加強(qiáng)科學(xué)探索和技術(shù)突破。

1.3 微納測量技術(shù)

微納測量技術(shù)是一種精確測量微米和納米尺度物理量的技術(shù)，它在微納制造、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)和納米技術(shù)等領(lǐng)域至關(guān)重要。主要的測量與表征方法包括掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）、原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope, AFM）、接觸式探針輪廓儀、拉曼光譜技術(shù)、共聚焦顯微鏡等，主要是通過對(duì)于微小結(jié)構(gòu)的測量，實(shí)現(xiàn)對(duì)于材料性質(zhì)的研究和評(píng)價(jià)。微納米制造和應(yīng)用是以研究納米材料和器件在復(fù)雜環(huán)境中的準(zhǔn)確可靠測量為基礎(chǔ)的，不論微納米材料和器件具有什么功能，首先需要對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有一個(gè)定量的結(jié)論，這需要測量設(shè)備和測量技術(shù)來完成。在微納米尺度測量中，光學(xué)測量方法因其非接觸性、高分辨率、快速測量、多功能性及與其他技術(shù)的兼容性而被廣泛采用。這些優(yōu)勢使光學(xué)測量能夠有效避免對(duì)樣品的損傷，快速獲取精確的多維度信息。最初，光學(xué)測量主要包括利用光彈性和幾何摩爾紋。隨著激光技術(shù)的出現(xiàn)，全息干涉測量、散斑干涉測量和摩爾干涉測量得到了發(fā)展。例如，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)魯擁華團(tuán)隊(duì)提出了一種基于超表面光場調(diào)控的二維光學(xué)位移精密測量新技術(shù)，測量精度可以達(dá)到0.3 nm，量程達(dá)200 μm以上，實(shí)現(xiàn)了平面內(nèi)任意移動(dòng)軌跡的大量程、高精度非接觸感測。同時(shí)，光學(xué)測量設(shè)備的校準(zhǔn)也同等重要。例如，西安交通大學(xué)王琛英團(tuán)隊(duì)采用原子層沉積工藝制備了不同高度的納米臺(tái)階高度樣板，可用于納米測量儀器如AFM、SEM等顯微鏡的校準(zhǔn)。

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典型先進(jìn)微納制造技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢

2.1 芯片微納制造技術(shù)

芯片微納制造技術(shù)是指在微米和納米尺度上，通過一系列精密的制造工藝和技術(shù)手段，將電子元器件、電路和系統(tǒng)集成在微型芯片上的技術(shù)。芯片微納制造的主要工藝包括晶圓制備、光刻、薄膜沉積、離子注入、化學(xué)機(jī)械拋光等，其中光刻和薄膜沉積是芯片制造中的核心技術(shù)，也是文章關(guān)注和分析的重點(diǎn)。自1958年第一塊集成電路誕生以來，以集成電路為核心的微電子技術(shù)被認(rèn)為是信息社會(huì)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)器。芯片是由一系列有源和無源電路元件堆疊而成的3D結(jié)構(gòu)，而光刻技術(shù)是芯片制造的最核心工藝，能夠?qū)⑽⑿‰娐穲D形精確地轉(zhuǎn)移到硅晶圓上。光刻技術(shù)不僅提高了芯片的精度和分辨率，還大幅提升了生產(chǎn)效率，降低了成本，并推動(dòng)了技術(shù)創(chuàng)新和摩爾定律的延續(xù)。傳統(tǒng)的光刻工藝是使用紫外（Ultraviolet, UV）曝光（350~430 nm），但是衍射效應(yīng)限制了器件的最小尺寸。近年來，國內(nèi)開展了各種先進(jìn)的光刻技術(shù)研究，包括短波光刻、電子束光刻、X射線光刻和離子束光刻等，使得光刻尺寸和精度得到了顯著提高。通過對(duì)2012—2022年國內(nèi)外不同光刻技術(shù)相關(guān)的公開發(fā)表論文數(shù)量變化趨勢（圖1（a））及2017—2022年不同光刻技術(shù)所承擔(dān)的工作（圖1（b））進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出半導(dǎo)體工業(yè)對(duì)光刻的需求仍在繼續(xù)保持，光學(xué)光刻技術(shù)的發(fā)展仍處于領(lǐng)先地位。但近年來隨著新興光刻技術(shù)的發(fā)展，諸如深紫外光刻（Deep Ultraviolet Lithography, DUV）、極紫外光刻（Extreme Ultraviolet Lithography, EUV）、納米壓印光刻、相干光刻和基于化學(xué)的直接自組裝（Direct Self-assembly, DSA）新光刻技術(shù)，使對(duì)傳統(tǒng)光學(xué)光刻和其他常規(guī)光刻技術(shù)的需求不斷降低。這些先進(jìn)的光刻工藝可以實(shí)現(xiàn)更小的線寬和更高的集成度，共同推動(dòng)了半導(dǎo)體制造技術(shù)的發(fā)展，使得芯片的性能和集成度不斷提升，滿足了現(xiàn)代電子產(chǎn)品對(duì)高性能和小尺寸的需求。

圖1　不同光刻技術(shù)相關(guān)的公開發(fā)表論文數(shù)量變化趨勢和占比

Fig. 1　Development trend and percentage of published literature related to different lithography techniques

薄膜沉積是芯片前道制造的核心工藝之一，主要分為物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition, PVD）和化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition, CVD）。目前，PVD中最常用的方法是磁控濺射，其離子體濃度更高，可以實(shí)現(xiàn)極佳的沉積效率、大尺寸范圍的沉積厚度控制、精確的成分控制等，在當(dāng)前金屬薄膜PVD中處于主導(dǎo)地位。利用磁控濺射技術(shù)進(jìn)行光電、光熱、磁學(xué)、超導(dǎo)、介質(zhì)、催化等功能薄膜制備是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。高功率脈沖磁控濺射技術(shù)（High-power Impulse Magnetron Sputtering, HiPIMS）是最新一代磁控濺射技術(shù)，其利用較高的脈沖峰值功率和較低的脈沖占空比來產(chǎn)生高濺射金屬離化率。例如，Ou等通過HiPIMS技術(shù)成功合成了組織致密且表面光滑的Ti-C-N陶瓷涂層，同時(shí)具有40.2 GPa的超高硬度和良好的韌性，為提高海洋工程部件在海水環(huán)境中的工作性能和壽命提供了一種策略。隨著工業(yè)需求的增加及新型磁控濺射技術(shù)的出現(xiàn)，低壓濺射、高速沉積、自支撐濺射沉積、多重表面工程及脈沖濺射等新型工藝逐漸成為PVD加工技術(shù)的主流趨勢。CVD是利用氣態(tài)或蒸汽態(tài)的物質(zhì)在氣相或氣固界面上發(fā)生反應(yīng)生成固態(tài)沉積物的過程，具有成本低、生產(chǎn)效率高、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD）是在傳統(tǒng)CVD技術(shù)基礎(chǔ)上，利用輝光放電使其電離后在襯底上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)沉積的薄膜材料制備方法。PECVD技術(shù)的工作溫度一般在600°C以下，克服了傳統(tǒng)CVD技術(shù)沉積溫度高、對(duì)基底材料要求高等缺點(diǎn)，還具有沉積效率高、沉積薄膜厚度均勻、薄膜致密等優(yōu)點(diǎn)，在半導(dǎo)體制造、光學(xué)涂層、光伏產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。例如，面對(duì)電子設(shè)備領(lǐng)域中銅材料的防腐蝕問題，Hu等通過PECVD技術(shù)將聚丙烯一步沉積在Cu基材上，省去了溶劑型方法煩瑣的聚合和固化過程，沉積的涂層具有高達(dá)99.6%的超高緩腐蝕率，可將基板的低頻阻抗模量提高3個(gè)數(shù)量級(jí)，在電子器件保護(hù)中具有良好的應(yīng)用前景。面對(duì)電化學(xué)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器領(lǐng)域中離子遷移的不可控等問題，Lee等通過PECVD技術(shù)合成WS₂作為漏極和離子阻擋層，該WS₂阻擋層控制了WO_x通道和Li₃PO₄電解質(zhì)層之間的離子遷移，提供了高性能的突觸特性。

2.2 激光微納制造技術(shù)

飛秒激光直寫是利用飛秒激光的超快脈沖和超強(qiáng)瞬時(shí)能量進(jìn)行微納米加工的技術(shù)。它具有超衍射極限的加工精度、豐富的可加工材料、非線性多光子吸收等多種優(yōu)異特性，使其在三維微納米制造中具有獨(dú)特的優(yōu)勢，可以滿足對(duì)具有復(fù)雜表面輪廓和納米級(jí)表面粗糙度的微光學(xué)元件和立體系統(tǒng)的加工需求。飛秒激光直寫可以分為雙光子聚合、激光燒蝕和激光改性3種不同的加工方式，其中雙光子聚合是通過飛秒激光的雙光子吸收效應(yīng)在光敏材料中引發(fā)聚合反應(yīng)，從而構(gòu)建復(fù)雜的三維微納結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程、光學(xué)器件、微電子等領(lǐng)域。例如，面對(duì)人工微血管網(wǎng)絡(luò)尤其是毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)難以打印的問題，Song等提出用于三維毛細(xì)血管支架高效構(gòu)建的飛秒激光動(dòng)態(tài)全息加工方法，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜形貌分岔微管網(wǎng)絡(luò)和仿生多孔微管的高效加工。但是飛秒激光雙光子聚合技術(shù)的加工速度問題阻礙了其進(jìn)一步發(fā)展。為解決這一問題，Yang等提出了一種基于數(shù)字微鏡器件和微透鏡陣列的飛秒雙光子直寫方法，該方法可以產(chǎn)生數(shù)千個(gè)具有獨(dú)立開關(guān)和強(qiáng)度調(diào)諧能力的飛秒激光焦點(diǎn)，在將加工通量提升上千倍的同時(shí)，還具備高精度、高靈活性、任意復(fù)雜大面積結(jié)構(gòu)快速靈活加工的潛力，可為傳感器、芯片研發(fā)等領(lǐng)域?qū)Ω叨思庸ぜ夹g(shù)的需求提供新的解決方案。

激光燒蝕是一種利用高能量激光束照射材料表面，使其局部受熱迅速蒸發(fā)、升華或分解，從而去除表面材料的技術(shù)，具有高精度、非接觸、可控性強(qiáng)、材料適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，能夠加工復(fù)雜的微細(xì)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)材料的選擇性去除，在微加工、半導(dǎo)體制造和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。例如，Zhou等通過激光燒蝕碳纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料（C_f/SiC），將其轉(zhuǎn)化為相對(duì)疏松和均勻的SiO₂和重結(jié)晶SiC，使其在磨削中更容易去除，為陶瓷基復(fù)合材料加工提供了新的方法。Jaleh等采用激光燒蝕技術(shù)制備Ag納米粒子，并通過物理混合法沉積在膨潤土基材上，該復(fù)合材料可以作為一種優(yōu)良高效的非均相納米催化劑來修復(fù)有毒或有機(jī)污染物。

激光改性是利用超短脈沖（飛秒級(jí)別）的激光束對(duì)材料表面或內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部加熱、熔化、重結(jié)晶或其他物理化學(xué)反應(yīng)，從而改變材料性能或功能的技術(shù)。這種技術(shù)在航空航天、電子制造、醫(yī)學(xué)工程和汽車工業(yè)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。其價(jià)值在于可以顯著提升材料的耐磨性、硬度、抗腐蝕性和電學(xué)性能，滿足高性能和特殊功能需求，推動(dòng)新材料的研發(fā)和應(yīng)用，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和壽命。例如，Chen等在碳纖維布表面構(gòu)建了一系列激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)，使碳纖維布的疏水性能發(fā)生顯著變化，原始碳纖維布的接觸角從150.8°急劇減小到20.4°，使得碳纖維布在親水反應(yīng)環(huán)境中成功地支撐Pt納米顆粒。Tavasolyzadeh等將貽貝啟發(fā)材料（Mussel-inspired Materials, MIMs）的多功能性與多光子激光直寫微納加工技術(shù)相結(jié)合，證明了復(fù)雜設(shè)計(jì)的2D和3D MIMs微觀結(jié)構(gòu)具有亞微米到微米的分辨率和廣泛的后功能化能力，克服了現(xiàn)有沉積技術(shù)的局限性，解決了對(duì)多功能材料和獨(dú)立于基板的高精度表面改性技術(shù)的關(guān)鍵需求。

2.3 聚合物微納制造技術(shù)

聚合物微納制造技術(shù)是指通過化學(xué)和物理過程將單體分子聚合成大分子聚合物，并進(jìn)一步加工成各種產(chǎn)品的技術(shù)，涵蓋了從聚合物合成到加工成最終產(chǎn)品的各個(gè)階段，主要包括微注塑成型技術(shù)、微擠出成型技術(shù)和納米壓印技術(shù)等。其中，微注塑成型技術(shù)是一種基于注塑成型工藝的微型制造技術(shù)，它通過將熔融狀態(tài)的聚合物材料注入微型模具腔體，冷卻后形成微型零件，主要用于制造微型零件和醫(yī)療器械部件等。微擠出成型技術(shù)是一種通過將聚合物材料擠出成型的方法，主要用于制造連續(xù)的微型管道、光纖等。納米壓印技術(shù)因其高分辨率、低成本和多功能性的特點(diǎn)，有望成為后摩爾時(shí)代芯片制造領(lǐng)域的突破方向之一。全球范圍內(nèi)的多家研究機(jī)構(gòu)和半導(dǎo)體公司在積極地推進(jìn)納米壓印技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，以期將其應(yīng)用于下一代芯片制造中。由于芯片制造是中國目前面對(duì)的“卡脖子”難題之一，因此文章將著重論述納米壓印的發(fā)展趨勢，以期為國家芯片制造領(lǐng)域的發(fā)展提供新的思路?，F(xiàn)階段，相對(duì)成熟的納米壓印工藝主要為熱納米壓印、紫外納米壓印、滾筒納米壓?。≧oll-to-roll）技術(shù)等。目前，納米壓印技術(shù)發(fā)展趨向于材料與工藝多樣化、高精度與高效率、產(chǎn)業(yè)化與規(guī)?；a(chǎn)，已被廣泛應(yīng)用于柔性器件、光學(xué)器件、生物醫(yī)療、半導(dǎo)體制造、功能性材料等多個(gè)領(lǐng)域。Naveed等采用紫外納米壓印技術(shù)制備了高折射率的二氧化鈦納米顆粒嵌入式樹脂結(jié)構(gòu)，該方法可以實(shí)現(xiàn)快速的單步制造，而無須沉積、蝕刻等二次制造步驟。基于此，該團(tuán)隊(duì)同時(shí)提出了一種寬帶偏振不敏感的柔性超表面元全息圖，在可見光域中也表現(xiàn)出很高的傳輸效率，在可彎曲曲面/交互式顯示器等電子領(lǐng)域有較大的應(yīng)用潛力。Wang等提出了一種離散支撐的轉(zhuǎn)移納米壓印技術(shù)，用于在復(fù)雜的不平整表面上制備納米結(jié)構(gòu)。通過按需精確控制微滴噴射到模板上的量，避免了聚合物在復(fù)合襯底微谷部位的聚集，從而保持了器件的形貌和生成功能。最后，通過在浮雕表面壓印亞波長錐形納米結(jié)構(gòu)，研制出具有寬帶寬方向增透和良好成像性能的高質(zhì)量菲涅耳透鏡。同時(shí)，劉紅忠研究團(tuán)隊(duì)所制作的光柵尺輥壓印機(jī)可以實(shí)現(xiàn)線紋周期為4~40 μm、長度為2 m高精度光柵尺（玻璃基底）及柔性超長光柵（50 m以上）的連續(xù)制造，具有大批量生產(chǎn)制造的顯著優(yōu)勢。2023年，日本佳能公司研發(fā)出FPA-1200NZ2C納米壓印光刻機(jī)并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，可以實(shí)現(xiàn)最小線寬14 nm的圖案化，相當(dāng)于生產(chǎn)目前最先進(jìn)的邏輯半導(dǎo)體所需要的5 nm制程。

當(dāng)前，全球光刻技術(shù)發(fā)展較為緩慢，“摩爾定律”有逐漸失效的趨勢。隨著現(xiàn)有光刻技術(shù)制程的不斷縮小，光的波動(dòng)性和衍射效應(yīng)愈發(fā)明顯，導(dǎo)致光刻圖像失真，芯片晶體管線寬接近物理極限。這是物理層面的固有限制，即使通過工藝改進(jìn)也只能緩解問題，難以實(shí)現(xiàn)根本性突破。在光刻機(jī)領(lǐng)域，荷蘭阿斯麥公司（ASML）一家獨(dú)大，中國“苦光刻機(jī)久矣”，長期飽受“卡脖子”的困擾。與傳統(tǒng)光刻相比，納米壓印技術(shù)不僅能制備二維平面結(jié)構(gòu)，還能通過精密模板實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)的壓印，為性能優(yōu)化和器件設(shè)計(jì)提供了更大的靈活性。就目前納米壓印技術(shù)發(fā)展而言，盡管該項(xiàng)技術(shù)已在大批量生產(chǎn)取得巨大進(jìn)步，但仍然面臨超精密復(fù)雜模板制作與壽命、結(jié)構(gòu)一致性和缺陷率控制、多層結(jié)構(gòu)高度差異和壓印過程精確化控制等諸多挑戰(zhàn)。納米壓印技術(shù)整體還處于早期階段，國內(nèi)雖然起步晚，但相較于美國、日本等發(fā)達(dá)國家差距并不大，在專利布局上也僅次于美國。大力發(fā)展納米壓印技術(shù)，有望突破國外光刻技術(shù)專利壁壘，實(shí)現(xiàn)追趕。

3

微納制造技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的復(fù)雜化和前沿科技創(chuàng)新的需求，傳統(tǒng)的微納制造技術(shù)已難以滿足未來人類社會(huì)的發(fā)展需求。因此，亟須開展基于多學(xué)科交叉融合的新型微納制造技術(shù)研究。未來微納制造技術(shù)的發(fā)展趨勢如圖2所示，大致可分為如下幾個(gè)方向：多尺度精密微納加工、多功能材料合成制造、高度集成和多功能化、自組裝技術(shù)與結(jié)構(gòu)、生物納米技術(shù)融合制造、量子信息與納米器件、綠色環(huán)保制造技術(shù)。微納制造技術(shù)的發(fā)展將不斷為人工智能、生物醫(yī)療、信息通信、智能傳感等與人們生產(chǎn)生活息息相關(guān)的領(lǐng)域注入持續(xù)動(dòng)力。

圖2　微納制造技術(shù)的發(fā)展趨勢

Fig. 2　Development trend of micro-nano manufacturing technology

3.1 多尺度精密微納加工

單一尺度的微納結(jié)構(gòu)在某些特殊場景應(yīng)用中有著較大的局限性；多尺度微納結(jié)構(gòu)在微納米尺度上具有多層次、多維度、多形態(tài)的特性。這些特性使其在設(shè)計(jì)新型材料、開發(fā)高性能器件、構(gòu)建智能傳感系統(tǒng)等方面有著巨大的應(yīng)用價(jià)值。研究人員在功能性材料和器件設(shè)計(jì)中通過多尺度精密微納加工技術(shù)能夠精確控制結(jié)構(gòu)的形貌、尺寸和組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料和器件功能的調(diào)控。在表面改性與性能優(yōu)化中，設(shè)計(jì)表面具有特殊的物理、化學(xué)和表面形態(tài)特征，通過構(gòu)筑納米結(jié)構(gòu)的超疏水或超疏油表面，可以實(shí)現(xiàn)防水、抗污染、自清潔等功能，在微流控芯片、光學(xué)透鏡、柔性傳感器及生物醫(yī)學(xué)器件等高精尖設(shè)備上有著廣泛的應(yīng)用。在納米傳感與檢測方面，通過加工具有特定結(jié)構(gòu)的納米傳感器陣列來構(gòu)建高靈敏、高選擇性的納米傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微量氣體、生物分子、化學(xué)物質(zhì)等的高靈敏檢測。為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)的高精度加工，需要將多種不同尺度的加工技術(shù)（如光刻、電子束加工、離子束加工、納米壓印等）進(jìn)行集成。而在一些特殊微納器件中，更加精密的原子尺度和近原子尺度加工技術(shù)是未來的一大發(fā)展方向?？傊喑叨染芪⒓{加工技術(shù)已廣泛應(yīng)用在材料科學(xué)、電子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、能源等多個(gè)領(lǐng)域，為科學(xué)研究和工程應(yīng)用提供了豐富的可能性。

3.2 多功能材料合成制造

隨著微納器件的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸復(fù)雜化、多樣化，其對(duì)材料的物理、化學(xué)及機(jī)械性能也提出了更加嚴(yán)苛的需求。在微納制造領(lǐng)域，新型多功能材料不僅能夠?qū)崿F(xiàn)微型器件的集成化和小型化，同時(shí)還能賦予器件更高的性能和更廣闊的應(yīng)用前景。近年來，研究人員利用石墨烯、過渡金屬二硫化物等二維材料制備出高性能的微型能量儲(chǔ)存器件，能夠滿足微型器件及小型化設(shè)備的大功耗需求，而小型化和高度集成化的設(shè)備在工作時(shí)產(chǎn)生的過熱問題嚴(yán)重影響設(shè)備性能和使用壽命。導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料有著密度小、易加工、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在電子封裝、能量傳輸以及高度集成化等設(shè)備中有著潛在應(yīng)用前景。將以導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料為代表的新型多功能材料應(yīng)用在汽車電池、電熱冷卻裝置、3D電子封裝等領(lǐng)域能夠有效提高設(shè)備使用壽命和安全性，減少安全事故的發(fā)生?？傊喙δ懿牧贤ㄟ^集成多種物理、化學(xué)或生物功能，可以顯著提升材料的性能和適應(yīng)性，滿足復(fù)雜和多樣化的應(yīng)用需求，有利于推動(dòng)電子器件、傳感器、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域的創(chuàng)新和進(jìn)步，極大優(yōu)化制造流程并有望實(shí)現(xiàn)更高的結(jié)構(gòu)精度和功能效率。

3.3 高度集成和多功能化

高度集成和多功能化是微納制造技術(shù)的重要發(fā)展趨勢之一。通過微納加工技術(shù)的精密度和微納組合技術(shù)的多樣性，結(jié)合微納測量技術(shù)的精確度，將多種功能集中到微小型的器件中能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)制造方法難以實(shí)現(xiàn)的高效率、高性能。高度集成和多功能化技術(shù)使得微納器件的體積得以大幅度縮小，從而實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的微型化和便攜化，極大地減少了設(shè)備占用空間的同時(shí)也方便了用戶的使用。在醫(yī)療領(lǐng)域，高度集成和多功能化使得多種醫(yī)療功能能夠集中在微型的醫(yī)療設(shè)備中，從而實(shí)現(xiàn)便攜式的醫(yī)療診斷和預(yù)防。通過在微小尺寸下整合多種功能元件和材料，可以實(shí)現(xiàn)器件的復(fù)合功能和協(xié)同作用。在通信領(lǐng)域，通過高度集成能夠?qū)⒍喾N通信技術(shù)應(yīng)用在同一微型器件中，實(shí)現(xiàn)多功能的高速、穩(wěn)定、高效的數(shù)據(jù)傳輸和處理。高度集成和多功能化的微納制造技術(shù)也為諸如人工智能、生物醫(yī)學(xué)、能源等科技前沿領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展提供了更多可能。在人工智能領(lǐng)域中，芯片的算力決定其發(fā)展速度，因此需要采用高度集成化的微納制造技術(shù)將大量的傳感器、處理器、存儲(chǔ)器等高度集成到微型芯片中。在能源領(lǐng)域中，通過將多種能源轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)器件集成到微型器件中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微型能源系統(tǒng)的高效性和可靠性，能夠?yàn)闊o人機(jī)、可穿戴設(shè)備、智能傳感器等設(shè)備提供持續(xù)穩(wěn)定的能源供應(yīng)。

3.4 自組裝技術(shù)與結(jié)構(gòu)

自組裝技術(shù)與結(jié)構(gòu)可以利用物質(zhì)自身的物理和化學(xué)性質(zhì)，在外界作用下自發(fā)地組裝成特定的結(jié)構(gòu)或模式，從而實(shí)現(xiàn)微小尺度上復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制備和控制。相比于傳統(tǒng)微納制造技術(shù)，自組裝技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)控制和更高的精密度，同時(shí)還具有高度的可擴(kuò)展性和可重復(fù)性。通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和控制自組裝過程中的參數(shù)，可以高效率地實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的微納結(jié)構(gòu)制備，極大地促進(jìn)微納器件的工業(yè)化生產(chǎn)和商業(yè)化應(yīng)用。在人工智能、納米材料、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，自組裝技術(shù)與結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于制備復(fù)雜的功能材料、智能器件和生物傳感器等。例如，在人工智能領(lǐng)域，自組裝技術(shù)被用來制備具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的人工神經(jīng)元和突觸元件，實(shí)現(xiàn)了智能計(jì)算和自主學(xué)習(xí)的功能。總之，自組裝技術(shù)與結(jié)構(gòu)在微納制造技術(shù)領(lǐng)域至關(guān)重要，它們通過分子或納米級(jí)組分自發(fā)形成高度有序和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，以低成本、高效率、節(jié)能環(huán)保的方式，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)制造方法難以達(dá)到的精度和功能性，廣泛應(yīng)用于電子光電、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域，推動(dòng)了創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步。

3.5 生物納米技術(shù)融合制造

生物和納米技術(shù)的交叉融合制造，實(shí)現(xiàn)了在生物材料和系統(tǒng)中的精準(zhǔn)控制和優(yōu)化，廣泛應(yīng)用于納米藥物、納米傳感器、組織工程、基因編輯和生物芯片等方面，可為醫(yī)學(xué)診斷、治療和監(jiān)測提供了新的解決方案和工具。通過微納制造技術(shù)制備的納米載體，如納米顆粒、納米膠束等，可以實(shí)現(xiàn)藥物向靶向組織或細(xì)胞的精準(zhǔn)遞送。其中，脂質(zhì)納米顆粒、聚合物納米顆粒等納米載體可以用于遞送CRISPR-Cas9等基因編輯工具，提高基因編輯的效率和精確度。微納制造技術(shù)可以精確控制這些載體的尺寸、形狀和表面特性，從而提高藥物的穩(wěn)定性和生物利用度，降低副作用。通過微納加工技術(shù)制造的納米線、納米管、納米孔等納米材料，具有優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)性能，可用于檢測生物分子如DNA、RNA、蛋白質(zhì)等。例如，基于納米線的場效應(yīng)晶體管傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單分子水平的檢測。此外，利用納米材料的高比表面積和特殊的光學(xué)、電學(xué)、化學(xué)性質(zhì)將納米技術(shù)與生物芯片相結(jié)合，能夠制備出高靈敏度、寬檢測范圍、更快響應(yīng)速度的各類生物傳感器，可以用于高通量基因檢測、蛋白質(zhì)分析和細(xì)胞研究，極大地推動(dòng)生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展。

3.6 量子信息與納米器件

量子信息與納米器件技術(shù)是基于量子力學(xué)的原理，利用微小尺度的納米結(jié)構(gòu)來控制和利用量子態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典物理的信息處理和傳輸。由于量子態(tài)可以同時(shí)處于多個(gè)狀態(tài)的疊加態(tài)，因此，量子納米器件可以存儲(chǔ)和處理大量的信息，這將遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)和通信設(shè)備的處理能力。這種高度的信息密度和處理能力為信息技術(shù)的發(fā)展提供了全新的方向和可能性，推動(dòng)了信息領(lǐng)域的革命性變革。同時(shí)，量子態(tài)的特殊性質(zhì)使得量子通信和量子加密技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)絕對(duì)安全的信息傳輸和加密保護(hù)，不受傳統(tǒng)加密方法的攻擊和破解，這種強(qiáng)大的安全性和隱私保護(hù)能力為信息安全領(lǐng)域提供了新的解決方案。量子納米器件的研發(fā)和應(yīng)用將推動(dòng)計(jì)算能力的飛躍性提升，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜問題的高效求解和模擬，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)等領(lǐng)域帶來巨大的影響。總之，量子信息與納米器件技術(shù)能夠利用量子力學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)超高精度和性能的器件和系統(tǒng)，這為電子計(jì)算、通信和傳感技術(shù)帶來了革命性進(jìn)步，顯著提升了信息處理和傳輸效率，極大推動(dòng)了新一代計(jì)算機(jī)、加密通信和超敏感傳感器的發(fā)展。

3.7 綠色環(huán)保制造技術(shù)

綠色環(huán)保制造技術(shù)是指在生產(chǎn)過程中采用環(huán)境保護(hù)友好型的加工工藝、材料和設(shè)備，以降低資源消耗、減少環(huán)境污染和排放，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的制造方法。微納制造技術(shù)通過精密加工工藝和控制過程，能夠減少材料浪費(fèi)和能源消耗，從而降低生產(chǎn)過程中的環(huán)境負(fù)荷。同時(shí)，利用綠色材料和可再生資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境友好的生產(chǎn)過程，減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，從而推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)向可持續(xù)發(fā)展方向轉(zhuǎn)變。納米顆粒在微納制造領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的納米顆粒常采用物理和化學(xué)的方式合成，存在著環(huán)境污染的問題，因此建立環(huán)境友好型的綠色可持續(xù)合成方法是推動(dòng)微納制造技術(shù)發(fā)展的重要一環(huán)。綠色環(huán)保制造技術(shù)有望通過減少有害物質(zhì)的使用和排放、降低能耗和材料浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。這不僅保護(hù)了環(huán)境，還提高了資源利用效率，降低了生產(chǎn)成本，推動(dòng)了電子器件、傳感器和生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域的綠色創(chuàng)新，從而滿足工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展對(duì)環(huán)保和高性能產(chǎn)品日益增長的需求。

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發(fā)展建議

1）深化基礎(chǔ)研究，推動(dòng)學(xué)科交叉融合，激發(fā)創(chuàng)新活力

基礎(chǔ)研究是科技創(chuàng)新的根基和源泉。深化基礎(chǔ)研究意味著不斷加強(qiáng)對(duì)微納制造領(lǐng)域基礎(chǔ)科學(xué)問題的探索，提升微納制造技術(shù)科學(xué)研究的深度和廣度，不僅能夠?yàn)槲⒓{制造領(lǐng)域的應(yīng)用研究提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，還能夠在長遠(yuǎn)上推動(dòng)微納制造技術(shù)的突破性進(jìn)展。當(dāng)今的科技問題越來越復(fù)雜，需要促進(jìn)機(jī)械工程、儀器科學(xué)與技術(shù)、材料科學(xué)、電子工程、物理學(xué)等多學(xué)科的交叉合作，打破學(xué)科界限，并鼓勵(lì)大膽地創(chuàng)新嘗試，激發(fā)科研人員和團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)造力和主動(dòng)性，推動(dòng)微納制造技術(shù)的綜合發(fā)展。2）創(chuàng)新材料與工藝，倡導(dǎo)綠色制造，著眼環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展一方面，聚焦先進(jìn)材料與創(chuàng)新工藝，通過研發(fā)新型的高質(zhì)量環(huán)保材料，在不斷提升材料本身性能的前提下，同步提高其回收利用率，減少物質(zhì)資源損耗和環(huán)境污染。另一方面，通過優(yōu)化制備/封裝工藝流程，提高生產(chǎn)效率和精度，同時(shí)也可以降低能耗和廢物排放，實(shí)現(xiàn)綠色高效生產(chǎn)。此外，全面貫徹綠色制造理念，從材料選擇、工藝制造到產(chǎn)品全生命周期管理，充分考慮環(huán)境影響，推動(dòng)技術(shù)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的科技進(jìn)步。通過以上舉措，微納制造技術(shù)不僅能滿足高性能和高精度的要求，還能實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保與可持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展，為未來的科技創(chuàng)新奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。3）強(qiáng)化人才培育與引進(jìn)，建立完善人才梯隊(duì)并拓展隊(duì)伍規(guī)模在人才培育方面，建議加強(qiáng)多學(xué)科交叉培養(yǎng)，尤其是注重培育跨學(xué)科的創(chuàng)新型人才，提升綜合型人才的創(chuàng)新能力。同時(shí)，持續(xù)引進(jìn)國際高層次人才，不斷吸收先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，建立高端人才引進(jìn)通道，完善相關(guān)配套措施。以工業(yè)創(chuàng)新需求為導(dǎo)向，加強(qiáng)培育工程技術(shù)人才和應(yīng)用型研發(fā)人才，建立完善的人才梯隊(duì)，構(gòu)建一支層次分明、規(guī)模宏大的高素質(zhì)人才隊(duì)伍。通過多學(xué)科交叉培養(yǎng)、國際化人才引進(jìn)、校企合作與實(shí)訓(xùn)，以及持續(xù)教育與培訓(xùn)，使微納制造技術(shù)的人才培養(yǎng)和引進(jìn)將朝著更加開放、靈活和多元化的方向發(fā)展。這不僅能滿足技術(shù)發(fā)展的需求，還能推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)和創(chuàng)新，為微納制造技術(shù)的未來發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的人才基礎(chǔ)。4）加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合與技術(shù)轉(zhuǎn)化，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展，提升整體產(chǎn)業(yè)競爭力建立多種形式的產(chǎn)學(xué)研合作平臺(tái)，如聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、研究中心和技術(shù)聯(lián)盟等，匯聚高校、科研院所和企業(yè)的力量而形成合力，共同攻克關(guān)鍵技術(shù)難題。通過項(xiàng)目合作，推動(dòng)高校和科研院所的前沿成果快速轉(zhuǎn)化為企業(yè)實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)科研資源共享和成果快速轉(zhuǎn)化，推動(dòng)技術(shù)孵化和知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，促進(jìn)創(chuàng)新技術(shù)市場化。加強(qiáng)上下游企業(yè)協(xié)同和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定，推動(dòng)材料供應(yīng)商、設(shè)備制造商、工藝開發(fā)者和終端應(yīng)用企業(yè)的緊密合作，構(gòu)建完整的產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)系統(tǒng)。支持區(qū)域性產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展，形成技術(shù)、人才、資金和市場的聚集效應(yīng)，提升產(chǎn)業(yè)整體水平和國際競爭力。

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結(jié)束語

當(dāng)今國際科技競爭形勢日趨激烈，中國發(fā)展微納制造技術(shù)有助于縮小與國外先進(jìn)技術(shù)水平國家的差距，能夠提升整體制造業(yè)的創(chuàng)新能力和國際競爭力。微納制造技術(shù)將推動(dòng)更小、更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)，促進(jìn)納米電子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、先進(jìn)傳感器和能源存儲(chǔ)設(shè)備的發(fā)展；通過推動(dòng)科技創(chuàng)新和工業(yè)制造水平提升，解決傳統(tǒng)制造方法的局限性，滿足高科技產(chǎn)業(yè)對(duì)微型和納米級(jí)結(jié)構(gòu)的需求，從而促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的全面進(jìn)步，并為環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供新的解決方案。隨著微納制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，它將成為下一代科技和產(chǎn)業(yè)革命的核心驅(qū)動(dòng)力，為人類社會(huì)帶來深遠(yuǎn)影響。

作者介紹

林啟敬 

-西安交通大學(xué)教授，博士研究生導(dǎo)師

-西安交通大學(xué)儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院長助理

-西安交通大學(xué)智能傳感與系統(tǒng)研究所所長

-中國微米納米技術(shù)學(xué)會(huì)微納米制造及裝備分會(huì)理事兼副秘書長

張福政

-西安交通大學(xué)助理教授，碩士研究生導(dǎo)師

-中國微米納米技術(shù)學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員

-毛明院士工作站特聘青年科學(xué)家