微納加工技術指尺度為(wei) 亞(ya) 毫米、微米和納米量級元件以及由這些元件構成的部件或係統的優(you) 化設計、加工、組裝、係統集成與(yu) 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(yu) 係統（MEMS和NEMS）。微納器件與(yu) 係統是在集成電路製作上發展的係列專(zhuan) 用技術，研製微型傳(chuan) 感器、微型執行器等器件和係統，具有微型化、批量化、成本低的鮮明特點，對現代生活、生產(chan) 產(chan) 生了巨大的促進作用，並催生了一批新興(xing) 產(chan) 業(ye) 。

圖1. MEMS微型傳(chuan) 感器及微機械結構圖

微納加工技術是先進製造的重要組成部分，是衡量國家高端製造業(ye) 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(chan) 業(ye) 發展、拉動科技進步、保障國防安全等方麵都發揮著關(guan) 鍵作用。微納加工技術的基本手段包括微納加工方法與(yu) 材料科學方法兩(liang) 種。很顯然，微納加工技術與(yu) 微電子工藝技術有密切關(guan) 係。

微納加工大致可以分為(wei) “自上而下”和“自下而上”兩(liang) 類。“自上而下”是從(cong) 宏觀對象出發，以光刻工藝為(wei) 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(jue) 定。“自下而上”技術則是從(cong) 微觀世界出發，通過控製原子、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(yu) 器件。

基於(yu) 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。在基片表麵塗覆一層某種光敏介質的薄膜（抗蝕膠），曝光係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(yu) 的抗蝕膠層轉變成具有微細圖形的窗口，後續基於(yu) 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(yu) 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(jia) 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(wei) 正膠工藝和負膠工藝（如圖3），采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(wei) 接近式曝光、近貼式曝光（接觸曝光）和投射式光學曝光；按照曝光係統的工作光源又可分為(wei) 紫外線曝光、X射線與(yu) 及紫外線曝光、電子束與(yu) 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(ye) 界極具吸引力。卷對卷（Roll-to-Roll, R2R）滾軸壓印技術已經被產(chan) 線廣泛采用。

圖3. 正膠光刻與(yu) 負膠光刻工藝流程圖

圖4. R2R納米壓印係統及壓印結構

基於(yu) 掩模板圖形傳(chuan) 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(jin) 適用於(yu) 微米以上尺度的微細結構製作，部分優(you) 化的光刻工藝可能具有亞(ya) 微米的加工能力。例如，接觸式光刻的分辨率可能到達0.5μm，采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麵積的納米/亞(ya) 微米圖形結構的製作是可欲而不可求的。近年來，國內(nei) 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麵積的亞(ya) 微米結構製作，但這類新型的光刻技術尚處於(yu) 實驗室研究階段。

高精度的微細結構可以通過電子束直寫(xie) 或激光直寫(xie) 製作，這類光刻技術，像“寫(xie) 字”一樣，通過控製聚焦電子束（光束）移動書(shu) 寫(xie) 圖案進行曝光，具有很高的曝光精度，但這兩(liang) 種方法製作效率極低，尤其在大麵積製作方麵捉襟見肘，目前直寫(xie) 光刻技術僅(jin) 適用於(yu) 小麵積的微納結構製作。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(chan) 品中人臉識別模塊就采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係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采用灰度光刻技術進行製作。直寫(xie) 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(xie) 係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麵或表麵覆蓋薄膜進行選擇性腐蝕或剝離的技術，可分為(wei) 濕法刻蝕和幹法刻蝕。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(guan) 堿性或有機溶液腐蝕單晶矽的文章，其特點是不同的矽晶麵腐蝕速率相差極大，尤其是方向，足足比或是方向的腐蝕速率小一到兩(liang) 個(ge) 數量級！因此，腐蝕速率最慢的晶麵，往往便是腐蝕後留下的特定麵。幹法刻蝕利用等離子體(ti) (plasma) 來進行半導體(ti) 薄膜材料的刻蝕加工。其中等離子體(ti) 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；而幹刻蝕采用的氣體(ti) ，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(you) 點是能兼顧邊緣側(ce) 向侵蝕現象極微與(yu) 高刻蝕率兩(liang) 種優(you) 點。幹法刻蝕能夠滿足亞(ya) 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(yu) 激光直寫(xie) 技術，激光蝕刻技術通過控製聚焦的高能短波/脈衝(chong) 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(chuan) 統意義(yi) 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(yu) 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(yu) 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(ti)

在微電子與(yu) 光電子集成中，薄膜的形成方法主要有兩(liang) 大類，及沉積和外延生長。沉積技術分為(wei) 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(ti) 增強化學氣相沉積是物理與(yu) 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(yi) 是：在一個(ge) 單晶的襯底上，定向地生長出與(yu) 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(chong) 激光沉積法、溶膠凝膠法、自組裝法等，也都廣泛用於(yu) 微納製作工藝中。

微納測試與(yu) 表征技術是微納加工技術的基礎與(yu) 前提，它包括在微納器件的設計、製造和係統集成過程中，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(yu) 精密製造和微加工技術，目標是獲得微米級測量精度，或表征微結構的幾何、機械及力學特性；納米測量則主要服務於(yu) 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(ti) 領域人們(men) 所關(guan) 心的與(yu) 尺寸測量有關(guan) 的參數主要包括：特征尺寸或線寬、重合度、薄膜的厚度和表麵的糙度等等。未來，微納測試與(yu) 表征技術正朝著從(cong) 二維到三維、從(cong) 表麵到內(nei) 部、從(cong) 靜態到動態、從(cong) 單參量到多參量耦合、從(cong) 封裝前到封裝後的方向發展。探索新的測量原理、測試方法和表征技術，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係統已成為(wei) 了微納測試與(yu) 表征的主要發展趨勢。

不同的表麵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(hui) 得到更多的應用。目前表麵功能微納結構及器件，諸如超材料、超表麵等充滿“神奇”力量的結構或器件，的發展仍受到微納加工技術的限製。因此，研究功能微納結構及器件需要從(cong) 微納結構的加工技術方麵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。