浅说纳米制造技术

浅说纳米制造技术

【摘要】纳米技术与生物技术、信息技术并列为21世纪的三大科技，是21世纪高技术竞争的制高点，而纳米制造是支撑它走向应用的基础。纳米科学是现代科学的前沿，而纳米制造就是将纳米科学的新发现转变为前沿制造技术，一个国家的制造技术水平是其国力强弱的重要指标之一。本文简单介绍了纳米制造的国内外研究现状、趋势与挑战以及我国在纳米制造基础研究方面的努力。

【关键词】纳米制造精度尺度

一、什么是纳米制造

美国国家科学基金会将纳米制造定义为：纳米制造技术是构建适用于跨尺度（纳/微/宏）集成的、可提供具有待定功能的产品和服务的纳米尺度（包括1维、2维和3维）的结构、特征、器件和系统的制造过程。它包括自上而下和自下而上两种制造过程。纳米制造技术的对象是，各类微纳器件，其在微传感器、微执行器、微处理电路及智能化等器件上得以体现。

纳米制造将从牛顿力学、宏观统计分析和工程经验为主要特征的传统制造技术，走向基于现代多学科综合交叉集成的先进制造科学与技术。其主要特征有：（1）制造对象与过程涉及跨（纳/微/宏）尺度；（2）制造过程中界面/表面效应占主导作用；（3）制造过程中原子/分子/行为及量子效应影响显著；（4）制造装备中微扰动的影响显著。

二、纳米制造技术的重要性

回顾历史，亚毫米级制造精度使蒸汽机革命在英国成功，并使英国一度成为“日不落帝国”；微米级制造适应了电气和电子产品的制造，造就了美国、欧洲、日本的经济快速发展。哪个国家能在纳米极制造上夺得发展先机，必将成为新世纪的强者。纳米制造是当代科技发展的前沿领域，纳米技术与生物技术、信息技术并列为21世纪的三大科技，是21世纪高技术竞争的制高点，而纳米制造是支撑它走向应用的基础。

一个国家的制造技术水平是其国力强弱的重要指标之一，纳米科学是现代科学的前沿，而纳米制造就是将纳米科学的新发现转变为前沿制造技术。纳米制造在信息、材料、环境、能源、生物、医学和国防安全等领域有重要的研究价值与广阔的应用前景。一些具有国家战略意义的重大工程也对纳米精度制造提出了越来越高的需求，例如，1Kg重的制导系统陀螺转子，如果其质量中心偏离对称轴100nm，则会造成10Km的落点误差。空间飞行器对地观测装置的大尺寸高精度光学镜头要求面型制造精度达3-5nm。

随着纳米制造技术的发展，集成电路（IC）制造集成度和信息存储密度将提高2个数量级；纳米制造还可为表面电子发射平板显示器（SED）10nm电子隧穿缝隙结构的实现提供关键的制造方法；生物分子马达、纳米电动机、纳米机器人，分子光电器件、纳米电路、纳米传感器、纳米智能器件和系统也不断在实验室出现，展示了纳米科学的诱人的应用前景。纳米技术正在从基础研究向着应用研究和产业化的方向迅猛发展。2005年纳米产品市场达到320亿美元，是2004年的两倍以上。据美国国家科学基金会（NSF）预测，未来15～20年，全球纳米技术市场规模将达到每年10000亿美元左右。

三、国内外研究现状

2010年9月25日，第二届国际纳米制造大会在滨海新区举行，来自日本、英国、德国、美国、新加坡、韩国及台湾、香港等国家和地区的230余名专家学者共聚一堂，就纳米制造研究、应用、及开发的最新成果进行探讨。与会学者就纳米计量、纳米表征、纳米磨削加工、微纳制造、超精密加工、激光制造等议题进行了研讨。

2000年3月，美国总统克林顿曾向国会发布了题为”纳米技术：将引发下一场工业革命”的发展促进计划。计划一推出，立即在世界引起强烈反响。日本、欧洲等科技强国纷纷调整战略部署，一些发展中国家也竞相推进纳米技术发展计划。制造技术不断向精细化、信息化方向发展，纳米制造基础研究更是引起了国际上的高度关注，已成为发达国家战略高技术竞争的制高点，并对该领域投入了巨大的人力和财力，开展相关的基础研究。美国于1998年推出”国家纳米技术计划（NNI），从2005年起3年内联邦政府对纳米科技给予37亿美元的资助，并将纳米制造列为重要研究领域之一，英国、法国和德国等欧洲国家每年对纳米技术的研究投入为5-10亿欧元，其中纳米制造也被列为重要研究领域。日本对纳米制造领域也给予了很大的投入。

1、研究现状、发展趋势与挑战。

（1）制造理论由宏观走向微观。在纳米制造中，界面/表面效应、尺度效应以及微观现象与工艺参数间的关系已经成为研究重点，一些新制造原理和制造方法相继出现，如电化学机械平坦化（ECMP）、高能束去除加工和电场诱导成形等，其作用机理涉及到分子/原子的相互作用。在制造对象的尺度从宏观走向微观时，原有的以牛顿力学和统计力学为基础的宏观制造理论已开始以分子物理、量子力学和界面/表面科学基础的纳米制造科学。因此挑战之一是：制造理论由宏观走向微观时，需要提示纳米制造中原子迁移机制与纳米尺度下物质结构的演变规律。

（2）制造技术（精度、尺度）由微米走向纳米。全频谱纳米精度的超精密光学镜、纳米器件等加工精度或特征尺度已经达到了纳米量级，制造的精度和尺度由微米发展到纳米，这是制造理论和技术的一个飞跃，它将赋予产品更多、更新的性能，而且可使产品运行能耗大幅度降低。纳米制造技术的关键是将能量聚集在纳米空间，物质运动控制在纳米精度，形成功能特殊、性能优异的产品，并且制造过程具有准确的再现性。因此，需要创新和发展一系列新的制造原理、方法、技术和装备，同时也对制造装备提出了更高和更苛刻的要求。同时，对环境的精确控制要求也接近当今技术的极限水平。纳米制造的精度理论和体系、纳米结构的物理性能和机械性能的表征、以及纳米器件可制造性和可检测性的评价都是当前尚未解决的难题或研究的热点问题。

（3）纳米器件由实验室走向产业应用。纳米技术已展现出巨大的工程价值和广阔的应用前景，但绝大多数纳米结构和纳米器件仍停留在实验室原型阶段。一些在国民经济和国防安全中有重要影响的新型纳米结构产品，如效率高达30%以上的新型纳结构太阳能电池、下一代平板显示器和生化传感器等，由于缺乏批量化、低成本和质量一致性的纳米制造技术的支持而难以面市。目前，已被广泛认同的批量化的纳米制造技术主要有纳米压印技术、LIGA 技术和自组装技术等。因此，挑战三是：如何建立批量化纳米制造新原理与新方法，发展纳米批量化制造新工艺与新装备，使纳米器件从实验室原型走向产业化应用。

2、国内重大研究计划与成果

2008年12月17-19日，国家自然科学基金委“纳米制造基础研究”重大研究计划2009年度项目指南论证研讨会在上海虹桥迎宾馆顺利召开。“纳米制造基础研究”重大研究计划面向纳米精度制造、纳米尺度制造和跨尺度制造，聚焦纳米级去除、纳米结构成形和跨尺度互连三大工艺，开展纳米制造中原子/分子迁移机制，纳米结构的外场诱导成形原理，纳米制造系统的微扰动与响应畸变，纳米制造误差与精度理论等四个科学问题的研究，探索制造工艺由宏观进入微观时，能量、运动与物质结构间的作用机理与转换规律，将建立以纳米为