纳米加工新制造技术，充分体现科技的魅力

2. “自上而下”的方式

 “自上而下”的方式是于1959年首次由美国物理学家RichardFeynman提出的纳米加工方式。该方法的基本工作原理就是一次又一次地削去材料的某些部分，即可得到逐步变小后的结构。因此，“自上而下”的方式本质是对块体材料进行切割处理，获得所需的材料及结构，这与现代制造加工方法并无本质区别。采用这种方法能达到的最小特征尺寸取决于所使用的工具。这种纳米加工方式主要有以下几种方法：

（1）定型机械纳米加工：采用专用刀具，可以通过刀具极小的表面粗糙度值和切削刃精度来保证被加工工件的外形尺寸精度，最小去除量能达到0.1nm，为金刚石车削、微米铣削及微纳米磨削等。

 LODTM型立式大型光学金刚石车床是全世界精密度最高的超精密机床。它采用恒温油淋浴系统，使油温控制在（20±0.005）℃，消除了加工中的热变形，定位精度达28nm，实现了直线误差为每米±25nm的加工，主要用于加工平面、球面和非球面激光核聚变工程的零件、红外线装置用零件以及大型天体望远镜、化学激光腔光学器件。

美国Precitech公司和Moore公司是世界著名的商品化超精密机床制造商，两公司生产的系列化超精密机床代表了当今商品化超精密机床的技术水平和发展趋势。Moore公司的Nanotech250UPL在加工直径为250mm的高纯合金铝球面镜时，金刚石超精密车削所能达到的加工精度面型误差（P－V）≤0.125µm，表面粗糙度值Ra≤3.0nm。

大型CNC超精密磨床是大型关键零件超精密加工的重要设备，它不但要求有高精度，还要求机床的结构刚度高、传动刚度高、结构阻尼大。英国CRANFIELD精度工程研究所研制的OAGM2500大型CNC超精密磨床是美国Kodak-Rochester开发的加工大型离轴非球面光学零件的机床。可加工工件尺寸为：2.5m×2.5m×0.61m，采用液体静压轴承和磨擦传动方式，激光干涉仪位置测量与反馈，分辨率为2.5nm；平面加工精度可达1µm；表面粗糙度值Ra=2～3nm，加工的离轴非球面镜精度可达2.5µm。抛光后再用Kodak公司的2.5m离子束抛光设备对零件进行修形处理，工件则可达到极高的精度。为了实现大型光学自由曲面的高效磨削加工，国外研制的大型CNC超精密磨床，采用了一种新的设计理念。这一理念优先考虑大载荷条件下磨粒切入深度的动态控制需要，在磨削大尺寸玻璃、陶瓷部件的复杂形状及低陡度自由曲面时，可得到极低的亚表面损伤。该机床可用于加工直径1m的自由曲面光学镜与陶瓷材料，加工精度达1µm。

 FANUC公司于2004年研制出了ROBONANO超精密微细加工机床。该机床具有加工3D复杂自由曲面的能力，系统地解决了超高精密微切削加工难题。该机床具有5轴铣、5轴车、5轴磨、5轴刨床和高速成型等加工功能，切削时完全使用单点金刚石刀具。配有PZT（锆钛酸铅）压电陶瓷抛引器的3kHz快速刀具伺服系统。该机床直线度可达到±2nm，分辨率可达0.000 01°，可用于加工镜面，微模具及其他小型超精密零部件。超精密加工技术具有单项技术的极限、常规技术的突破和新技术综合3个方面永无止尽追求的特点。实现超精密加工需要具备许多条件。超精密加工机床是超精密加工最重要、最基本的加工设备，是实现超精密加工的物质基础。

（2）磨粒纳米加工：是目前超精密加工的主要方法，包括研磨技术、抛光技术和磨削技术。研磨手可以加工任何固态材料。研磨已成为光学加工中一种非常重要的加工方法，起着不可替代的作用。纳米级研磨加工方法主要有以下几种：①弹性发射加工。它是使用一种软的聚亚胺酯球（在微小压力下很容易发生变形）作为抛光工具，同时控制旋转轴与加工工件的接触线保持45°。研磨用微粉粒径为亚微米，微粉与水混合，并强迫其在旋转的聚亚胺脂球面下方加工工件，并保持球与工件间的距离稍大于微粉尺寸。此法可以使被加工零件的表面（包括形状和变质层等）实现完美表面的要求。②磁流变抛光技术。磁流变抛光技术是利用磁流变液（它含有去离子水、铁质微粉、磨粒和经处理过的其他物质）的特性来改变其在磁场中的黏性，磁流变液由泵驱动稳定地循环。在有磁力作用的区域时，其表现为固体形态，进行研磨；而在无磁力作用时，其表面为液体形态，两种形态在整个循环中交替出现。由于其黏度可以通过监控，使其变动范围保持在±1%内。为此，磁流变抛光是一个可控的加工方法。该方法不但材料去除能力（尺寸及去除量）的调节非常简单，而且被加工表面质量好，从而可在保持相对高的、稳定的去除率的同时，加工出表面质量极好，无损伤的表面。③固着磨料高速研磨技术。固着磨料高速研磨技术是在20世纪60年代发展起来的，如针对铸铁结合剂金刚石固着磨料砂轮，采用电解修整（ELID）。在线电解修锐磨削具具有以下几个特点：磨削过程具有良好的稳定性。ELID修整可在研磨过程中控制磨粒锐度，使磨具始终保持高效率研磨的能力。工件的表面质量也十分稳定；该修整法使金刚石砂轮不会过快磨损，提高了贵重磨料的利用率；该修整法使磨削过程具有良好的可控制性；采用ELID法磨削，可以容易实现镜面磨削，并可大幅度减少超硬材料被磨零件的残留裂纹。采用该修整法修整的砂轮，对硬质合金和光学玻璃进行超精密研磨，表面粗糙度值Ra分别达到10.7nm和16.7nm。④化学机械抛光技术。化学机械抛光技术是利用固相反应抛光原理的加工方法，原则上可以加工任何材料，为目前应用最为广泛的一种抛光方法，其抛光质量高和效率较高，技术比较成熟。此方法几乎是迄今唯一可以提供全局平面化的表面精加工技术，可广泛用于集成电路芯片、MENS系统、计算机硬磁盘、光学玻璃、蓝宝石、单晶硅、砷化镓及氮化硅等表面的平整化。都可以获得光滑无损伤表面（表面粗糙度值Ra约为0.1nm）。

（3）非机械纳米加工：包括聚集离子束加工、微米级电火花加工、准分子激光加工和飞秒激光加工。聚焦离子束加工主要包括定点切割、选择性的材料蒸镀、强化性蚀刻或选择性蚀刻及蚀刻终点侦测等方法。目前商用机型的加工精度可以低于25nm。微米级电火花加工。实现微细电火花加工的关键在于工具电极（微小轴）的在线制作、微小能量放电电源、工具电极的微量伺服进给、加工状态检测与系统控制以及加工工艺方法等。对微细电火花加工技术的不断研究探索，已使其在与MENS制造结合及实用化方面取得了长足进展，其加工对象已由简单的圆截面微小轴、孔拓展到复杂的微小三维结构。准分子激光加工。由于准分子激光波长短（193～351nm），光子能量大，加工时的低热效应以及穿透深度小以及激光融化快速凝固，所以可用来进行材料的去除（包括微加工、激光刻蚀等），另外还可用来对工件清洗、抛光，对材料进行表面改性和冲击强化处理。飞秒激光加工。飞秒激光的加工机理与以往的长脉冲激光（CO2激光、Na：YAG激光）加工不同，它能以极快的速度将其全部能量注入到很小的作用区域，瞬间内高能量密度的沉积，可以避免线性吸收、能量转移和扩散过程等影响，从本质上改变了激光与工作物质互相作用的机制，使其加工方式成为具有高精度，超高空间分辨率及超高加工广泛性的冷加工过程。这在微电子、光子学及微光机电系统（MOEMS）等高技术领域应用前景巨大。飞秒激光可以进行超精细微加工与常规激光相比具有以下几个特点：加工尺度小，可以实现超微细（亚微米至纳米级）加工；加工热影响区小，可以实现高精度的非热熔性加工。飞秒激光没有热扩散，加工边缘整齐及精度高；能克服等离子体屏蔽，具有稳定的加工阈值，加工效率高；飞秒激光加工过程具有严格的空间定位能力，可实现透明材料内部的任意位置的三维超精细加工；飞秒激光的峰值功率极高，可实现对任何材料的精细加工，而与材料的种类及特性无关。飞秒激光可以精密微细加工玻璃、陶瓷、各种电介质材料、各种半导体、聚合物以及各种生物材料乃至生物组织，特别是对熔点相对较低，且固导热性好而易产生热扩散的金属材料进行的精密微细加工。

（4）光刻加工：采用光刻方法在物体上制作纳米级图案，需要大幅度提高光刻加工的分辨率。光刻加工主要用于制造二维形状，在制造三维立体外形时受较大限制。目前常用的方法有以下几种：①光学曝光。曝光是芯片制造中最关键的制造工艺，光学曝光技术不断创新。现代曝光技术不仅要求高的分辨率，而且要有工艺宽容度和经济性。1997年美国GCA公司推出了世上第一台分步重复投影曝光机，被视为曝光技术的一大里程碑。②X射线光刻技术。X射线光刻采用软X射线波段光源，是一种接近式光刻。此技术具有分辨率高、曝光相场大、焦源大、工艺简单、光刻工艺宽容度大、产量大、X射线掩模可以自复制、与集成电路工艺兼容性好、光刻分辨率技术延伸性大及技术成熟等优点。此技术能满足超大规模集成电路迅猛发展的需求，已成为国际光刻技术的研究的热点。③电子束直写光刻技术。电子束具有波长短、分辨率高，深长、易于控制和修改灵活等特点，广泛应用于光学和非光学曝光的掩模制造。在系统集成芯片的开发中，电子束直写比其他方法更具灵活性，它可直接接受图形数据成像，无需复杂的掩模制作，因此前景十分诱人。采用电子束曝光制作的最小器件尺寸可达10～20nm。④纳米压印技术。纳米压印技术是华裔科学家周郁在1995年发明的一种光刻技术。纳米压印是加工聚合物结构的常用方法，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。此技术主要包括：热压印、紫外压印、微接触印刷。该方法的显著优点是速度快、环节少、成本低。纳米压印已成为纳米研究领域的一个热点，现在可以达到亚10nm以下的分辨率，这已经超过目前最先进的光学光刻技术——沉浸光刻。纳米压印技术已被国际半导体技术路线图收录为下一代光刻技术的候选，有些在2013年用于32nm的结点。该技术已用于诸多领域，如混合塑料电子学，有机薄膜晶体管和电子学，Si及GaAS上的纳米电子器件，有机激光光子学，衍射光学器件，波导偏振器高密度量子磁盘等磁器件及纳米尺度蛋白质图案化等。纳米压印采用聚合物衬底，因此适合于纳米加工的领域很广，如生物化学、化学、生命科学、微光学应用、纳米流体及数据存储等。⑤极端远紫外光刻技术。极端远紫外光刻技术是用波长为11～14nm的光，经过周期性多层膜反射镜照射到掩模上，反射出的远紫外光再经过投影系统，将掩模图形形成在硅片的光刻胶上。该技术是有些突破特征，尺寸达到100nm以下的新光刻技术之一。2001年，国外已制备出灵敏度为5mJ/cm2的远紫外光刻胶，使曝光后剩余的光刻胶胶厚达到140nm。极端远紫外光刻被认为是最有前途的光刻加工方法之一。极端远紫外光面临的关键挑战之一就是寻找合适的光刻胶，也就是用来在芯片层面光刻出特定图案的材料。经过数十年的不懈努力，极端远紫外光刻技术已经从研究层面开始迈向实用。⑥原子纳米光刻。原子纳米刻是利用激光梯度场对原子的作用力，改变原子束流在传播过程中的密度分布，使原子按一定规律沉积在基底上，在基底上形成纳米极的条纹、点阵或特定图案。目前已制备出宽度为60～70nm的光栅线条。原子纳米光刻技术在纳米器件加工、纳米材料制作等领域具有重要的应用前景。国外，目前对分辨率均超过光学光刻技术的短波长射线的光刻技术研究开展得如火如茶，这些技术包括极端紫外光刻即软X射线投影光刻、电子束投影光刻及离子束投影光刻等，它们的分辨率已可达到30nm以下。⑦离子束投影光刻。离子束投影光刻就是由气体（氢气或氦气）离子源发出的离子通过多级静电离子透射镜投照于掩模并将图像缩小后聚焦于涂有抗蚀剂的片子上，进行曝光及步进重复操作。该技术具有分辨率高而焦深长，数值孔径小而视场大，衍射效应小，损伤小，产量高，而且对抗蚀剂厚度变化不敏感、工艺成本低等特点，此技术应用前景广阔。

（5）生物纳米加工：生物制造是 21世纪生命科学、纳米科技、新材料科学交叉的新领域。与机械工艺有关的生物制造主要是利用生物加工技术制造微结构或生物组织结构。

   目前发现的微生物有10万种左右，尺度绝大部分为微纳米级，这些微生物具有不同的标准几何外形与亚结构、生物机能及遗传特性。“自上而下”的生物纳米加工就是找到能“吃”掉某些工程材料的微生物，实现工程材料的去除成形。如通过氧化亚铁硫杆菌T-9菌株，去除纯铁、纯铜及铜镍合金等材料，用掩模控制去除区域，实现生物去除成形。通过生物加工已制作了85µm厚的纯铜齿轮和深70µm、宽200µm的沟槽。生物去除成形的主要工艺特点是：侧向刻蚀量是普通化学加工的一半左右；加工过程反应物和生成物通过氧化亚铁硫杆菌的生理代谢过程达到平衡；可通过不同微生物的材料选择加工不同材料；生物刻蚀速度取决于细菌浓度和材料性质。可以预测，生物纳米加工在制作纳米题粒、纳米功能涂层、纳米管、特殊结构的功能材料、微器件、微动力、微传感器及微系统等方面有着良好的发展前景。

3.“自下而上”的方式

通过前面叙述可知，“自上而下”的加工方式，其最小可加工结构尺寸最终受限于加工工具的能力。反观大自然，在上亿年向通过自组装及自构建方式，从分子水平基础上创造了世界复杂万物。由此可见，纳米加工技术的最终发展是分子水平的自组装技术。从分子水平出发构建纳米结构是一种“自下而上”的加工方式，它彻底颠覆了传统的“自上而下”的加工理念。

“自下而上”方式主要采用自组装技术，以原子、分子为基本单元，按照人们的意愿进行设计及组装，即通过人工手段把原子或分子层层淀积构建成具有特定功能的产品。当产品尺寸极限减小到30nm以下时，“自下而上”的自组装方式为替代“自上而下”的制作方式提供了可行的途径。“自下而上”方式是采用分子尺度材料作为组元去构建新一代功能纳米尺度装置的制作方法。在可控的自组装过程下，可以形成纳米结构的微观自组装主要包括：某些分子自组装过程及纳米粒子自组装过程。

（1）分子自组装：分子水平的自组装是以分子为个体单位自发组成新的分子结构与纳米结构的过程。并不是所有分子自组装都可以称之为纳米加工技术。以往开发的最成功的具有纳米加工意义的分子自组装系统是自组装单层膜系统。此外，另一类通过分子自组装形成的纳米结构是超分子构架。

（2）纳米粒子自组装：另一类具有纳米加工意义的自组装技术是纳米粒子的自组装。实现纳米粒子自组装需要满足3个条件：①纳米粒子必须能够自由运动，以发生相互作用。②粒子必须足够小。③粒子直径应当均匀一致。纳米粒子自组装之所以成为自组装纳米加工技术的重要组成部分，是因为组装成的二维或三维类晶体结构在纳米技术中有大量的应用。

（3）探针纳米加工：最终的 “自下向上”纳米组装方法是通过精确地控制单个原子来构成纳米结构，即原子操作。1995年，Crommie等采用低温超高真空扫描隧道显微镜（STM）在金属表面上实现原子操作。扫描探针显微术（SPM）近年来也被广泛应用。SPM为一种探针或检测技术，通过回馈机制控制探针与样品之间的交互作用，进而得知表面特性，由于可使用各式探针，因此可分析表面形貌、电性、磁性、旋光性及力学等多种性质，可以说是最全面的纳米尺度检测技术，其中又以原子力显微镜最为常用。原子力显微镜除了应用于表面检测外，也可借助控制探针与样品间的交互作用，使样品表面发生改变，即原子力显微镜（AFM）纳米加工技术。按照其作用原理，大致可分为三类：机械力、电场与场发射电流。

（4）蘸水笔纳米加工：是近年来发展起来的一种新的扫描探针刻蚀加工技术，有着广泛的应用前景。该技术是直接把弯曲形水层作为媒介来转移“墨水”分子，在样品表面形成纳米结构。通过控制温度可以控制“墨水”分子的移动速度，从而影响纳米结构的线宽。线宽随着样品表面粗糙度增加而变宽。采用该技术，在金基底上可以书写宽为30~40nm、长为100nm的小尺寸线条。