一文盤點當前微納加工技術

微納加工技術指尺度為亞毫米、微米和納米量級元件以及由這些元件構成的部件或系統的優化設計、加工、組裝、系統集成與應用技術，涉及領域廣、多學科交叉融合，其最主要的發展方向是微納器件與系統（MEMS和NEMS）。微納器件與系統是在集成電路製作上發展的系列專用技術，研製微型感測器、微型執行器等器件和系統，具有微型化、批量化、成本低的鮮明特點，對現代生活、生產產生了巨大的促進作用，並催生了一批新興產業。

微納加工技術是先進位造的重要組成部分，是衡量國家高端製造業水平的標誌之一，具有多學科交叉性和製造要素極端性的特點，在推動科技進步、促進產業發展、拉動科技進步、保障國防安全等方面都發揮著關鍵作用。微納加工技術的基本手段包括微納加工方法與材料科學方法兩種。很顯然，微納加工技術與微電子工藝技術有密切關係。

微納加工大致可以分為「自上而下」和「自下而上」兩類。「自上而下」是從宏觀對象出發，以光刻工藝為基礎，對材料或原料進行加工，最小結果尺寸和精度通常由光刻或刻蝕環節的分辨力決定。「自下而上」技術則是從微觀世界出發，通過控制原子、分子和其他納米對象的相互作用力將各種單元構建在一起，形成微納結構與器件。

基於光刻工藝的微納加工技術主要包含以下過程：掩模（mask）製備、圖形形成及轉移（塗膠、曝光、顯影）、薄膜沉積、刻蝕、外延生長、氧化和摻雜等。在基片表面塗覆一層某種光敏介質的薄膜（抗蝕膠），曝光系統把掩模板的圖形投射在（抗蝕膠）薄膜上，光（光子）的曝光過程是通過光化學作用使抗蝕膠發生光化學作用，形成微細圖形的潛像，再通過顯影過程使剩餘的抗蝕膠層轉變成具有微細圖形的窗口，後續基於抗蝕膠圖案進行鍍膜、刻蝕等可進一步製作所需微納結構或器件。

掩模板是根據放大了的原圖製備的帶有透明窗口的模板。例如，可以用平整的玻璃板，塗覆上金屬鉻薄膜，通過類似照相製版的方法製備而成。具有微納圖形結構的掩模板通常使用電子束光刻機直接製備，其製作過程就是典型的光刻工藝過程，包括金屬各層沉積、塗膠、電子束光刻、顯影、鉻層腐蝕及去膠等過程。由於模板像素超多，用掃描式光刻機製作掩模板的速度相當慢，造價十分昂貴。

圖2. 光刻掩模板

曝光光刻是圖形形成的核心工藝過程，可分為正膠工藝和負膠工藝（如圖3），採用相同掩模板製作時，二者可獲得互補的圖形結構。另外，按照不同工作距離可分為接近式曝光、近貼式曝光（接觸曝光）和投射式光學曝光；按照曝光系統的工作光源又可分為紫外線曝光、X射線與及紫外線曝光、電子束與離子束曝光。此外，微納印刷技術（imprint lithography），如納米壓印技術，在納米結構及器件製作中也得到了良好的發展，其高效的圖形複製特點使之在工業界極具吸引力。卷對卷（Roll-to-Roll, R2R）滾軸壓印技術已經被產線廣泛採用。

圖3. 正膠光刻與負膠光刻工藝流程圖

圖4. R2R納米壓印系統及壓印結構

基於掩模板圖形傳遞的光刻工藝可製作宏觀尺寸的微細結構，受光學衍射的極限，僅適用於微米以上尺度的微細結構製作，部分優化的光刻工藝可能具有亞微米的加工能力。例如，接觸式光刻的解析度可能到達0.5μm，採用深紫外曝光光源可能實現0.1μm。但利用這種光刻技術實現宏觀面積的納米/亞微米圖形結構的製作是可欲而不可求的。近年來，國內外很多學者相繼提出了超衍射極限光刻技術、周期減小光刻技術等，力求通過曝光光刻技術實現大面積的亞微米結構製作，但這類新型的光刻技術尚處於實驗室研究階段。

高精度的微細結構可以通過電子束直寫或激光直寫製作，這類光刻技術，像「寫字」一樣，通過控制聚焦電子束（光束）移動書寫圖案進行曝光，具有很高的曝光精度，但這兩種方法製作效率極低，尤其在大面積製作方面捉襟見肘，目前直寫光刻技術僅適用於小面積的微納結構製作。近年來，三維浮雕微納結構的需求越來越大，如閃耀光柵、菲涅爾透鏡、多台階微光學元件等。據悉，蘋果公司新上市的手機產品中人臉識別模塊就採用了多台階微光學元件，以及當下如火如荼的無人駕駛技術中激光雷達光學系統也用到了複雜的微光學元件。這類精密的微納結構光學元件需採用灰度光刻技術進行製作。直寫技術，通過在光束移動過程中進行相應的曝光能量調節，可以實現良好的灰度光刻能力。

圖4. 直寫系統及其製作的微納結構

通過光刻技術製作出的微納結構需進一步通過刻蝕或者鍍膜，才可獲得所需的結構或元件。

刻蝕技術（etching technique），是按照掩模圖形對襯底表面或表面覆蓋薄膜進行選擇性腐蝕或剝離的技術，可分為濕法刻蝕和干法刻蝕。濕法刻蝕最普遍、也是設備成本最低的刻蝕方法。大部份的濕刻蝕液均是各向同性的，換言之，對刻蝕接觸點之任何方向腐蝕速度並無明顯差異。然而自1970年代起，報道了許多有關鹼性或有機溶液腐蝕單晶硅的文章，其特點是不同的硅晶面腐蝕速率相差極大，尤其是方向，足足比或是方向的腐蝕速率小一到兩個數量級！因此，腐蝕速率最慢的晶面，往往便是腐蝕後留下的特定面。干法刻蝕利用等離子體 (plasma) 來進行半導體薄膜材料的刻蝕加工。其中等離子體必須在真空度約10至0.001 Torr 的環境下，才有可能被激發出來；而干刻蝕採用的氣體，或轟擊質量頗巨，或化學活性極高，均能達成刻蝕的目的。其最重要的優點是能兼顧邊緣側向侵蝕現象極微與高刻蝕率兩種優點。干法刻蝕能夠滿足亞微米/納米線寬製程技術的要求，且在微納加工技術中被大量使用。

近年來，激光技術的飛速發展使的激光蝕刻技術孕育而生，類似於激光直寫技術，激光蝕刻技術通過控制聚焦的高能短波/脈衝激光束直接在基材上燒蝕材料並「雕刻」出微細結構。它不但能夠實現傳統意義的薄膜蝕刻，而且可以用來實現三維的微結構製作。飛秒高峰值功率激光於有機聚合物的介質的作用具有很多科學上很吸引人注目的特點，其中，雙光子作用下的聚合作用（two-photon polymerization, 2PP）已被成功運用於三維納米結構製作，可以製作出非常複雜、特殊的三維微細結構。

圖5. 利用2PP激光蝕刻加工的三維光子晶體

在微電子與光電子集成中，薄膜的形成方法主要有兩大類，及沉積和外延生長。沉積技術分為物理沉積、化學沉積和混合方法沉積。蒸發沉積（熱蒸發、電子束蒸發）和濺射沉積是典型的物理方法；化學氣相沉積是典型的化學方法；等離子體增強化學氣相沉積是物理與化學方法相結合的混合方法。薄膜沉積過程，通常生成的是非晶膜和多晶膜，沉積部位和晶態結構都是隨機的，而沒有固定的晶態結構。外延生長實質上是材料科學的薄膜加工方法，其含義是：在一個單晶的襯底上，定向地生長出與基底晶態結構相同或相似的晶態薄層。其他薄膜成膜方法，如電化學沉積、脈衝激光沉積法、溶膠凝膠法、自組裝法等，也都廣泛用於微納製作工藝中。

微納測試與表徵技術是微納加工技術的基礎與前提，它包括在微納器件的設計、製造和系統集成過程中，對各種參量進行微米/納米檢測的技術。微米測量主要服務於精密製造和微加工技術，目標是獲得微米級測量精度，或表徵微結構的幾何、機械及力學特性；納米測量則主要服務於材料工程和納米科學，特別是納米材料，目標是獲得材料的結構、地貌和成分的信息。在半導體領域人們所關心的與尺寸測量有關的參數主要包括：特徵尺寸或線寬、重合度、薄膜的厚度和表面的糙度等等。未來，微納測試與表徵技術正朝著從二維到三維、從表面到內部、從靜態到動態、從單參量到多參量耦合、從封裝前到封裝後的方向發展。探索新的測量原理、測試方法和表徵技術，發展微納加工及製造實時在線測試方法和微納器件質量快速檢測系統已成為了微納測試與表徵的主要發展趨勢。

不同的表面微納結構可以呈現出相應的功能，隨著科技的發展，不同功能的微納結構及器件將會得到更多的應用。目前表面功能微納結構及器件，諸如超材料、超表面等充滿「神奇」力量的結構或器件，的發展仍受到微納加工技術的限制。因此，研究功能微納結構及器件需要從微納結構的加工技術方面進行廣泛深入的研究，提高微納加工技術的加工能力和效率是未來微納結構及器件研究的重點方向。

本文由材料人專欄科技顧問韓博士供稿，材料人編輯整理。

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