微/纳结构加工技术

微/纳结构加工技术

陈博

（哈尔滨工业大学资产投资经营有限责任公司，黑龙江哈尔滨150006）

摘要:微/纳制造领域已经成为衡量一个国家科技水平的重要标志之一，微/纳结构加工技术的发展和应用将给先进制造技术和超精密加工领域带来革命性的变革，主要介绍微/纳制造发展原因、特点及主要加工技术。

关键词:LIGA技术；三束（电子、离子、激光）；加工技术微/纳结构加工技术是指制造微小尺寸的零件，实现微米、亚微米至纳米量级加工精度的制造技术及其相关设备。从广义上来说，微/纳结构加工技术包含了各种传统精密加工方法和与传统精密加工方法完全不同的新方法。从狭义上来说，微/纳结构加工技术主要是指半导体集成电路制造技术，微/纳结构加工技术是在半导体集成电路制造技术的基础上形成并发展的，它是大规模集成电路和计算机的技术基础，是信息时代、微电子时代和光时代的关键技术之一。其加工方法多偏重于指集成电路制造中的一些工艺。

随着半导体器件、金属印刷电路、微型机械、光通讯和集成电路等技术的发展，对更加精细图形和更高精度尺寸、形状加工要求愈加强烈，使微/纳结构加工技术不断发展，成为精密加工领域中的一个集中营的关键技术，以下将对微/纳结构加工技术作些阐述。

1微/纳加工技术迅速发展的原因

目前，先进工业国都在开发高技术，高技术发展的需要推动着超精密加工技术的发展。超精密技术成果几乎能在所有产业中发挥作用。超精密技术市场是国家尖端技术集中的市场，因此，先进工业国都把它看成技术和经济的命脉。1.1国防工业、军事、航空航海发展的需要；在国防工业中，陀螺仪的加工涉及多项超精密加工技术，导弹系统的陀螺仪质量直接影响其命中率。在宇航技术中，卫星的姿态轴承和遥测部件对卫星的观测性能影响很大，该轴承为真空无润滑轴承，其孔和外圆的圆度和圆柱度均为纳米级。卫星用的光学望远镜、电视摄像系统、红外传感器等，其光学系统中的高精度非球面透镜等都必须用超精密加工技术进行制造。1.2信息产业电子技术微型化、集成化的需要；在信息产业中，计算机上的芯片、磁盘和磁头，录像机的磁鼓、复印机的感光鼓、光盘和激光头，激光打印机的多面体，喷墨打印机的喷墨头等都要靠超精密加工才能达到产品性能要求。1.3民用产品需求和精度也越来越高。在民用产品中，现代小型、超小型的成像设备，如摄像机、照相机等都离不开超精密加工技术。

2当前微/纳结构加工技术有如下几个特点

2.1微/纳结构加工技术是一个多学科的制造系统工程。它不是孤立的加工方法和单纯的工艺过程，它涉及超微量分离、结合技术、高质量的材料、高稳定性和高净化的加工环境、高精度的计量测试技术以及高可靠性的工况监控和质量控制等。2.2微/纳结构加工技术是一门多学科的综合高新技术。微/纳结构加工技术的涉及面极广，其加工方法包括分离、结合、变形三大类、遍及传统加工工艺和非传统加工工艺。2.3微/纳结构加工技术的加工基础是平面工艺。平面工艺是制作半导体基片、电子元件和电子线路及其连线、封装等一整套制造工艺技术，它主要围绕集成电路的制作，现在已在发展立体工艺技术。2.4微/纳结构加工技术与自动化技术联系紧密。为保证加工质量及其稳定性，必须采用自动化技术来进行加工。2.5微/纳结构加工技术检测一体化。微/纳结构加工过程中在位检测和在线检测的检验、测试手段必须要与之相匹配。

3微/纳米结构主要的加工技术

目前，微/纳加工技术主要LIGA技术、三束（电子、离子、激光）加工技术、分子自组装、纳米压痕、生物制造技术、微小机床的加工技术等。以下将对这些技术分别进行阐述。

3.1LIGA技术。LIGA是德文Lithographie(光刻)，Galvanoformung(电铸)，Abformung(塑铸)三个字的字头缩写，他包括同步辐射X射线深度光刻，电铸和塑铸三个主要工艺环节。它包括三个基本步骤:：借助同步辐射X光实现的厚胶曝光、将样品结构浸入电解液中在凹槽处电镀金属和实现微复制的注塑成形。3.2电子束、离子束、激光束——能量束加工技术。高能量束加工是利用能量密度很高的电子束、离子束或激光束等去除工件材料的特种加工方法的总称。它属于非接触加工，无加工变形，而且几乎可以加工任何材料。

3.3分子自组装。分子自组装的原理是利用分子与分子或分子中某一片段与另一片段之间的分子识别，相互通过非共价作用形成具有特定排列顺序的分子聚合体。分子自发地通过无数非共价键的弱相互作用力的协同作用是发生自组装的关键。并不是所有分子都能够发生自组装过程，它的产生需要两个条件：自组装的动力以及导向作用。自组装的动力指分子间的弱相互作用力的协同作用，它为分子自组装提供能量。自组装的导向作用指的是分子在空间的互补性，也就是说要使分子自组装发生就必须在空间的尺寸和方向上达到分子重排要求。人们对分子自组装的研究工作要比以前深入得多，对于其应用研究则更是朝着实用方面发展。分子自组装作为化学、物理、生命科学和材料科学的交叉学科，它将在光电材料、人体组织材料、高性能高效率分离材料以及纳米材料中发挥应有的作用。3.4纳米压印技术。纳米压印是加工聚合物结构的最常用方法，它采用高分辨率电子束等方法将结构复杂的纳米结构图案制在印章上，然后用预先图案化的印章使聚合物材料变形而在聚合物上形成结构图案。工艺包括：热压工艺、紫外压印工艺和微接触印刷。3.5生物制造技术。生物制造工程是将生命科学和材料科学的知识融入到制造技术中，在各种交叉技术信息技术、生物智能等的支持下，运用先进的制造模式和方法来生产具有一定生物功能的组织和器官。它是以制造复杂组织和器官为目标的交叉学科研究领域，运用现代制造科学与生命科学的原理与方法，通过细胞的受控三维组装制造活的组织和器官，修复或替代人体的病损组织和器官。细胞组装技术是生物制造工程的关键技术，它包括两类技术路线:细胞直接组装和细胞间接组装。生物制造工程的研究内容为：3.5.1生命体设计与建模。目前绝大多数得到广泛应用的零件设计与建模软件只能处理均质实体。然而，所有的组织和器官都是复杂的非均质实体，它们是由多种细胞和生物大分子所组成的具有功能梯度结构的实体。因此，生物制造工程需要新的设计与建模软件来处理复杂的组织和器官。3.5.2细胞组装的使能技术。在细胞组装工艺中，在计算机中的数字模型的控制下，微滴单元通过不同的使能技术被堆积组装在一起。3.5.3细胞组装的工艺与设备。细胞组装是生物制造工程的核心。细胞需要在计算机的直接操纵或间接控制下，根据设计装配成活的“零件”。3.5.4生物材料与细胞。在生物制造工程中，用来制造活的组织和器官的材料包括生物材料(其中也包含各种酶和生长因子等生物活性分子)和活的细胞。3.5.5细胞与组织培养。在生物制造工程中，实际上首先得到的是组织器官的“前体”。为了得到成熟的功能完备组织器官，需要将这些“前体”在体外或植入体内进行进一步的培养与合成。总之，生物制造是先进制造技术的一个分支，是传统制造技术与生命科学、信息科学、材料科学等领域结合，是采用生物形式实现制造或以制造生物活体为目标的一种制造方法。3.6微小机床的加工技术。微小机床的加工技术是一种传统的超精密加工的手段，它采用超精密机床及微小刀具实现微小尺寸零件的加工。与其它微加工方法相比，由于没有采用高能量束加工方法，这种方法在加工三维结构和获得高的加工精度方面具有很大的优越性。

结束语

微/纳制造领域已经成为衡量一个国家科技水平的重要标志之一，目前微/纳制造技术正处于蓬勃发展的阶段，各国竞相发展。同时微/纳结构加工技术在当今的工业生产中显得越来越重要，极限加工技术已成为目前许多高科技技术领域的基础和前提，提高极限加工中的加工尺寸、加工精度和加工速度已成为迫在眉睫的问题。目前，很多学者正在这方面做着大量的研究和实验，随着新型刀具的开发、检测及环境控制等技术的不断提高，相信不久的将来，微/纳结构加工技术的发展和应用必将给先进制造技术和超精密加工领域带来革命性的变革。

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作者简介：陈博（1978，12，13~），男，2004年毕业于哈尔滨商业大学机械设计制造及其自动化专业，现在哈尔滨工业大学资产投资经营有限责任公司从事产品设计及其研发工作，助理工程师。