第 13 章微纳
微纳制造
微纳制造做出比头发细得多的结构：芯片里的晶体管、手表的齿轮、过滤器中的纤维。这些工艺不是切削或挤压块体材料，而是以微米（千分之一毫米）甚至单个原子为单位的步骤，来生长、拉伸、沉积或去除物质。
核心思想
在这个尺度上，普通工具毫无用处：没有钻头足够细，也没有一只手足够稳。所以工作由光、离子、电场和化学来完成，它们可以被聚焦或控制到远小于肉眼所能看见的程度。可以把它看作用光束书写，而不是用刀雕刻：光束越细，书写越精细。
其中许多工艺都在洁净室里进行：洁净室的空气经过过滤，灰尘颗粒比普通空气少数千倍，工作人员要穿全身防护服。一粒灰尘就比一个晶体管大得多，所以一个颗粒落在晶圆上就可能毁掉一颗芯片。
本章的 9 种工艺
13.1直拉法晶体生长（Czochralski，硅晶圆）从熔体中缓慢拉出一根巨大的硅单晶打开课程
13.2光刻用光把图案投影到光敏涂层上，然后刻蚀打开课程
13.3分子束外延（MBE）在超高真空中，用分子束一次一个原子层地生长晶体打开课程
13.4原子层沉积（ALD）用交替的气体，每个循环镀上一层原子打开课程
13.5聚焦离子束（FIB）在显微镜下用离子束铣削或添加材料打开课程
13.6飞秒激光加工用超短激光脉冲去除材料，不熔化打开课程
13.7LIGA用 X 射线或紫外光刻出深槽，填入镍，再翻模复制打开课程
13.8双光子聚合只在激光焦点处固化树脂，打印 3D 微型零件打开课程
13.9静电纺丝用高电压把聚合物射流拉成纳米纤维打开课程并排对比
| 工艺 | 一句话概括 | 最适合 | 批量 | 精度 |
|---|---|---|---|---|
| 13.1直拉法晶体生长（Czochralski，硅晶圆） | 从熔体中缓慢拉出一根巨大的硅单晶 | 芯片和太阳能电池用的硅晶圆 | 连续生产晶锭 | 近乎完美的晶体，切成最大直径 300 mm 的晶圆 |
| 13.2光刻 | 用光把图案投影到光敏涂层上，然后刻蚀 | 计算机芯片、传感器、MEMS | 大批量生产，数百万颗芯片 | 特征尺寸小至几十纳米 |
| 13.3分子束外延（MBE） | 在超高真空中，用分子束一次一个原子层地生长晶体 | 激光器、LED、高速晶体管、科研 | 小批量晶圆 | 单原子层 |
| 13.4原子层沉积（ALD） | 用交替的气体，每个循环镀上一层原子 | 芯片中的超薄薄膜、深孔内部的涂层 | 大批量芯片生产 | 每个循环约十分之一纳米 |
| 13.5聚焦离子束（FIB） | 在显微镜下用离子束铣削或添加材料 | 修复芯片、制备样品、原型 | 单件 | 小至约 10 纳米 |
| 13.6飞秒激光加工 | 用超短激光脉冲去除材料，不熔化 | 血管支架、玻璃切割、微孔 | 从原型到大批量 | 几微米 |
| 13.7LIGA | 用 X 射线或紫外光刻出深槽，填入镍，再翻模复制 | 手表零件、微型齿轮、微型模具 | 小到中等批量；塑料复制品可大批量 | 亚微米级，非常高的垂直壁 |
| 13.8双光子聚合 | 只在激光焦点处固化树脂，打印 3D 微型零件 | 微光学元件、细胞支架、原型 | 单件和小批量 | 亚微米级细节 |
| 13.9静电纺丝 | 用高电压把聚合物射流拉成纳米纤维 | 过滤器、伤口敷料、组织支架 | 从实验室样品到卷对卷生产线 | 纤维直径从几十纳米到几微米 |
如何在这一类中选择
- 要制造芯片的基础材料？ 硅晶体来自直拉法生长，最精细的晶体层来自 MBE。
- 对数百万个相同的平面器件制作图形： 光刻；添加只有几个原子厚的薄膜：ALD。
- 修复、切割或检查一个微小的点： 聚焦离子束；在金属或玻璃上加工微小特征：飞秒激光。
- 带垂直壁的高金属微型零件： LIGA；真正的 3D 微型形状：双光子聚合。
- 低成本制作大面积精细纤维网： 静电纺丝。
关键词
- 微米（µm）
- 千分之一毫米；头发约 70 µm 宽。
- 纳米（nm）
- 千分之一微米；相当于几个原子并排的宽度。
- 晶圆
- 一片薄而抛光的晶体圆片，通常是硅，芯片就制作在它上面。
- 光刻胶
- 一种被光、X 射线或电子改变化学性质的涂层，用作模板。
- 洁净室
- 空气经过严格过滤、几乎不含灰尘的房间。
- 真空室
- 抽空了空气的密封箱体，使原子和束流可以自由行进。
- MEMS
- 微机电系统，构建在芯片上的微小机器和传感器。
- 体素
- 3D 像素，是一种工艺一次能形成的最小体积。