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微纳技术发展现状、趋势及展望  

2010-11-19 23:21:08|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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高培德

(上海新泰高新技术研究与发展基金会)

摘要:介绍了微纳技术在材料、器件和应用方面的新进展,及对未来的展望。

关键词:微纳技术 微电子机械系统 纳米科技 进展 MEMS

微纳技术包含微米/纳米材料与结构、微米/纳米电子器件与加工测量技术,以及微/纳机电系统。微电子机械系统(MEMS)指可批量制作、集微型结构、微型传感器、微型执行器及信号处理和控制电路,直至接口、通讯和电源等成为一体的微型器件或系统;而纳电子机械系统(NEMS)是上世纪90年代末提出的新概念,是继MEMS后在系统特征尺寸和效应上具有纳米技术特点的一类超小型机电一体化系统,一般指特征尺寸在亚纳米到数百纳米,以纳米级结构所产生的新效应(量子效应、界面效应和纳米尺度效应)为工作特征的器件和系统。图1给出了传统机械、MEMS和NEMS的特征尺度,以及相应的理论问题。我国钱学森院士指出:“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的热点,会是一次技术革命,从而将是21世纪的又一次产业革命。”据第三世界科学院在2005年发表的报告显示[1],美国、日本和欧盟这三大经济实体计划在2005-2008年度对纳米科技的投入分别达37亿、30亿和17亿美元以上,研究项目覆盖能源、药物、微电子工业、材料、环保等众多领域。据美国国家科学基金会预测,未来15年~20年,全球纳米技术市场规模将达到每年1万亿美元左右。欧洲联盟委员会在一项研究报告中说,未来10年纳米技术的开发将成为仅次于芯片制造的世界第二产业。到2010年纳米技术市场的价值刊物达400亿英镑。在充满生机的21世纪,信息技术、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展,必然对材料和器件提出新的需求,器件小型化、智能化、高集成、高密度和信息超快传输成为未来发展的方向。新材料和新产品的创新是未来10年对社会发展、经济振兴、国力增强最具有影响力的战略研究领域,其中微纳技术将起着关键的作用。

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 图1 传统机械、MEMS和NEMS的特征尺度,以及相应的理论问题[2]

一、微电子机械系统

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图2 MEMS工业化策略和演变概况[3]

图2给出MEMS工业化策略和演变概况,从图2可见,从本世纪初单功能的MEMS器件(如压力传感器、加速度传感器、扫描仪、打印机打印头等),扩展到2020年使用微机械和半导体工艺的MEMS器件,并在IT、汽车、消费电子、医药和生态等领域获得应用。根据著名IT专栏作家约翰·德瑞克在2006年末对2007年全球IT发展趋势做五大预测时指出,MEMS依然是半导体市场最热门的发展方向。2006年微电子机械系统(MEMS)发展迅速,市场总销售年收入为74亿美元。图3为2006年度内MEMS各类器件和系统的份额。其中信息技术外围设备(如打印机打印头(Inkjet heads)等)为32%,仍然占据首位,以下依次为汽车、工业航空/航天发动机、消费电子、医药和生命科学、远程通讯等。MEMS应用和产业化发展始终是人们关注的重点。图4为2006年世界30强MEMS生产企业,它们依次为德州仪器(TI)、佳能(Canon)、Robert Bosch等。其中,德州仪器(TI)公司以数字光处理器件(DLP)芯片产量高居30强的榜首。TI公司的DLP是为高清晰度显示设备而研制的,其核心是一种数字微镜器件(DMD)光半导体芯片。由于DLP技术实现了商业化,该技术的应用也越来越广泛,目前,全球已经有将近40家著名的电视和放映设备厂商开始采用DLP子系统。LG公司也在韩国电子展览会上展示了一款采用DLP子系统的52英寸彩电。MEMS器件正在加速向能够完成独立功能的“片上系统”或“芯片实验室”方向发展,实际上,DLP芯片本身就是一种微系统。

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图3 2006年MEMS各类器件和系统的份额[4]

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图4 2006年世界30强MEMS生产企业

汽车工业工业是目前MEMS器件应用最成功、数量最大的产业,汽车是今天MEMS年收入的第二大市场。现代汽车采用的安全气囊、防抱死制动系统(ABS)、电喷控制、转向控制和防盗系统都使用了大量的MEMS器件。目前汽车制造公司除了装备ABS系统之外,又研制出电子稳定程序(ESP)系统与ABS系统配合使用,发生紧急刹车情况时,这一系统可以在几微妙之内对每个车轮进行制动,以稳定车辆行车方向。图5列出MEMS在汽车中的应用。全球车用MEMS传感器的份额见图6。其中,压力传感器、陀螺、加速度传感器和流量传感器分别占据前四位,其他还有红外(IR)传感器、射频(RF)传感器和微镜扫描仪等。

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图5 MEMS在汽车中的应用

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图6 2006-2010年汽车MEMS市场

MEMS在消费电子领域中的市场包括以下主要领域[5]:数字电视、游戏机、手机、笔记本电脑、数码相机等便携设备中的硬盘保护;利用倾斜度的变化在新出现的复杂手持设备中实现多种功能界面(游戏和浏览网页);为实现精确导航而使用的导航推算系统;比压电解决方案更经济省电的静态和动态成像设备中的防抖功能;许多公司都看到了MEMS传感器在消费电子市场的潜力,例如:任天堂公司已经将意法半导体(ST)公司的三轴加速度传感器用在新型家庭游戏机控制台中,而耐克公司更是推陈出新,将基于Z轴加速度计的步程计功能与软件结合后,推出了一款具有热量计算功能的跑鞋。此外,针对手机中小规模使用,ST还创造性地推出了将存储器、控制器和MEMS传感器集成在一起德望MMC卡,帮助手机厂商加快产品的上市时间。拥有超过25年MEMS传感器开发和生产经验的飞思卡公司也不例外,该公司不久前推出了两款双轴加速度计和一款三轴加速度计,其灵敏度可通过引脚选择进行调节,设计人员能够在1.5到10g的加速度范围之内任意选择X、Y和Z轴感测的组合。据称上述三款器件瞄准的便是那些需要检测由于坠落、倾斜、移动、定位、撞击或振动产生微小变化的低成本消费产品。德国博世传感器(Bosch Sensortec GmbH)于2007年发布了他们应用于手机的便携设备用3轴加速度传感器“SMB380”,其外形尺寸为3mm×3mm×0.9mm,在待机时消耗电流为1μA,工作时为200μA,为目前世界上最小尺寸的三轴加速度传感器。据〈新科学家〉杂志报道,美国NASA正在开发一种小型而便宜的“智能气象气球”,充满氦气时130克重,用来监测火箭或飞船发射前夕发射场区的气象状况。“智能气象气球”以太阳能作为能源,携带了温度、压力、湿度及GPS等传感器,配备了无线发射器,并以组网方式形成系统工作,还可以通过卫星链路发回数据,其研究开发采用了以前报道过的“智能尘埃”技术。

在MEMS应用过程中,世界各国也在不断努力进行新产品、新技术的开发,以适应不同需求。图7为MEMS站在用户和研究生产基地(Foundries)间的作用。图8为世界10强MEMS研究生产基地。有望不久进入市场的MEMS新器件和系统有:①生物传感器系统,如欧洲SPOT-NOSED计划研究模拟人类和动物味觉感知的纳米生物传感器;②生物致动系统,如英国Portsmouth大学开发的一种基因DNA的转换器,这是世界上第一个生物纳米技术致动器;③微能源,如基于人体体温的热电式微型发电机和振动式微型发电机等;④RF MEMS,如美国Rockwell Collins公司开发的超宽带、多通道接收机和光谱传感器。

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图7 MEMS站在用户和研究和生产基地间的作用

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图8 世界10强MEMS研究和生产基地[6]

二、纳米科技的研究进展 
以研究对象或工作性质来区分,纳米科技包括三个研究领域:纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征。其中纳米材料是纳米科技的基础;纳米器件的研制水平和应用程度是人类是否进入纳米科技时代的重要标志;纳米尺度的检测与表征是纳米科技研究必不可少的手段和理论与实验的重要基础。纳米科技作为21世纪的一个重要新兴科技领域,在理论和实践上正经历着高速发展。大量新型纳米材料和器件不断被开发出来,并在信息、生物医学、能源、国防以及人民日常生活的各个领域中展现出前所未有的应用前景。其中,特别值得一提的是碳纳米管材料和器件方面的快速进展,目前美国Rice大学、纳米实验室(NanoLab)和碳纳米技术公司(CNI)已有少量产品供应。日前日本东京大学开发出用酒精制取纳米碳管的新技术,为廉价批量生产巴基管提供了可能,2005年纳米碳管的产量已提高到每天1000磅。从2000-2006年世界各国纳米技术发明专利申请数量可看出当前研究和应用的热点为催化剂、光学器件、半导体和导电材料、磁性材料和显示器等电子信息领域。

2.1 纳米材料

2005年以来,在纳米材料方面,各国科学家无论是在基础研究还是在应用研究方面都取得了一系列令人振奋的成就。纳米能源材料、纳米环境材料、纳米特种功能材料、纳米复合材料等的开发和应用领域不断拓宽,纳米材料在生物医学领域(包括检测诊断、药物治疗以及健康预防等)取得了很好的发展[7]。近年纳米金生物探针在核酸分析、免疫分析、单细胞分析和靶向药物载体方面应用进展就是一个明显的例子。另外,继2007年4月美国麻省理工学院发明能对诸如DNA微阵列之类纳米器件进行批量生产的“纳米印刷”技术后,同年9月美国IBM苏黎世实验室和瑞士苏黎世理工大学又联合宣布[8],纳米印刷技术取得重大进展,能使科学家、医学教授按需所求,在相应位置放置小于100纳米的微粒,实现60纳米的微粒印刷。

2.1.1纳米材料的内涵不断扩大
以往纳米材料的研究主要集中在纳米颗粒(纳米晶、纳米相等)以及由它们组成的薄膜与块体,现已发展为由纳米丝、纳米管、微孔和介孔材料(包括凝胶和气凝胶)等新型纳米材料。碳纳米管的制备正步入市场化生产。

2.1.2纳米材料的制备与合成取得突破
美国科学家利用超高密度晶格和电路制作的新方法,获得了直径8nm、线宽16nm的铂纳米线;2005年,美国麻省理工学院安吉拉博士通过控制病毒和酵母的演化使自组装成为可能;法国科学家利用粉末冶金制成了具有完美弹塑性的纯纳米晶体铜,用超高真空掠入射小角X射线散射装置,实现了对纳米结构生长过程中的形状、尺寸、生长模式和排序的原位、实时监测;德国科学家巧妙地利用交流电介电泳技术,将金属与半导体单壁碳纳米管成功分离;日本科学家用单层碳纳米管与有机熔盐制成高度导电的聚合物纳米管复合材料等。
纳米碳管[9]是上世纪90年代以来新兴的学科和技术,是当前国际前沿热点课题。作为一种新兴的纳米材料,碳纳米管表现出了极高的科研和工业价值。由于其优异的力学性能和储氢能力、神奇的电学性能,使科学家们预见它们将在纳米元件、增强材料、电磁屏蔽材料、储能材料以及场发射显示器等众多领域发挥巨大的作用。以碳纳米管作为催化剂载体,在加氢、电催化、甲醇羰基化、合成氨、甲醇制氢等领域都有巨大的应用前景[10]。虽然目前许多应用尚处于开发研制阶段,但进展很快。预期不久在复合材料增强和改性、存储器、隐形材料、储氢材料、混纺材料、高效率照明光源、生物传感器和场发射显示器等方面都会有所突破,并进入商用批量生产。中国在以纳米碳管为代表的准一维纳米材料及其数组体系和非水热合成纳米材料方面处于国际领先地位,如大面积定向碳管阵列合成、超长纳米碳管制备等。在纳米铜金属的超延展性、块体金属合金、纳米复相陶瓷、巨磁电阻、磁热效应、介孔组装体系的光学特性、纳米生物骨修复材料、二元协同纳米接口材料等方面都处于国际先进水平。又如在医药、化学、环保、电子、化妆品等产业有广泛应用前景的由60个碳原子组成的布基球—C60富勒球,据日本三菱化学和三菱商务两公司报道[11],它们在2002年投资2亿美元开始建设C60富勒球制造厂,2007年年产可达1500吨,为全世界总产量的万倍,未来售价将降低到1美元/克以下。
2.1.3纳米材料产业应用备受国际关注
随着纳米材料研究的逐步深入,人们发现纳米材料所具备的不同于常规材料的新特性,对传统工业和常规产品会产生重要的影响。国外大企业纷纷介入,进一步推动了纳米技术实用化的进程。
美国、欧盟、日本进入世界五百强的大企业50%以上都出台了发展纳米技术的计划。其中美国通用公司、摩托罗拉公司、IBM公司纷纷投巨资进行纳米技术研究工作。与此同时,一批从事纳米技术的新企业如休斯敦的碳纳米技术(CNI)和三菱化工的合资企业FrontierCarbon等也应运而生。纳米材料最为典型实例是在IT领域的产业应用。2005年,美国AMD公司已开始量产90nm的高性能芯片,对65nm技术的开发也趋于成熟。美国Nantero公司在纳米存储技术方面实现突破,开发了一种计算机存储器,存储信息能够不用持续电源,将在2006年推出实际的专利产品。另外,用纳米材料制成的柔韧性太阳能电池,已在建筑物玻璃、织物等多种材料上应用;新型锂离子电池在许多无线工具、混合动力汽车等许多领域得到应用。韩国三星公司投巨资支持纳米显示技术和纳米表征技术的研发,在碳纳米管和半导体准一维纳米材料的研究方面取得了一批高水平的成果,进入了国际先进行列。

2.2纳米器件
自1998年S.J. Tans等首先报道了基于半导体碳纳米管的场效应晶体管(CNTFET)以来[12],在这方面取得很大进展,分子开关、分子存储器、单分子整流器等原型分子器件相继在实验室研制成功,碳纳米管器件应用领域不断扩大。2005年IBM开发出一种双栅极结构的CNTFET,可以实现极性间的自由切换[13]。同年美国GE公司全球研究中心(GE Global Research)开发出用于太阳能电池的碳纳米二极管[14]。在医学方面纳米金生物探针近年在核酸分析、免疫分析、单细胞分析和靶向药物载体方面取得不小进展[15]。2007年11月1 日美国加州大学伯克利分校宣布[16],他们已成功研制出世界上最小的纳米收音机。它由单一的、尺寸仅为头发丝直径万分之一的碳纳米管构成,加上电池和耳机就可收听自己中意的广播节目。2007年11月13日英特尔发布新一代45纳米“Penryn”处理器[17],其功耗效率提升30%。

用于诊断早期疾病的纳米传感器敏感性于2005年有很大提高,哈佛大学的化学教授查尔斯·列博和庄小伟证明:纳米材料可以探测滤过性毒菌的信号,同时对上百种不同病毒进行检测。另外,纳米科技在医学应用、纳米电子学、纳米加工、纳米器件等方面也有新进展和新突破。科学家用特定的蛋白质或化合物取代用硅纳米线制成场效应晶体管的栅极用以诊断前列腺癌、直肠癌等疾病,成百倍地提高了诊断的灵敏度。

在世界纳米材料与纳米科技取得成就的同时,也涉及到许多有关重要的问题有待进行深入的探索和解决。诸如,如何获得清洁、无孔隙、大尺寸的块体纳米材料,以真实地反映纳米材料的本征结构与性能;如何开发新的制备技术与工艺,实现高品质、低成本、多品种的纳米材料产业化;纳米材料的奇异性能是如何依赖于微观结构(晶粒尺寸与形貌、晶界等缺陷的性质、合金化等)的;反之,如何利用微观结构的设计与控制,发展具有新颖性能的纳米材料,以拓宽纳米材料的应用领域;传统材料的局域纳米化能否为其注入新的生命力;如何实现纳米材料的功能与结构一体化;如何使纳米材料在必要的后续处理或使用过程中保持结构与性能的稳定性;以及纳米材料与纳米科技在安全性、伦理等方面的问题也引起人们的高度重视,等等。对这些问题的回答是进一步深入研究纳米材料及其实用化的关键,率先取得成功或突破,其意义是难以估量的。

我国对微纳技术一开始就很重视,2001年由科技部、国家计委、教育部、中国科学院和国家自然科学基金会联合成立了了全国纳米科技指导协调委员会,统筹规划全国的纳米研究方向。在2006年国务院制订的《2006-2020年国家中长期科学和技术发展规划》中将纳米科学列入这段时期内基础科学研究的四个主要方向之一。自1986年国家自然科学基金开始资助第一个MEMS项目以来,至今已资助微传感器、纳传感器、微光学、微光开关、微加速度计、微陀螺、微气体与生化传感器、微能源等有关项目共852项,学科主要分布在化学、生命、工程和信息,总经费18562万元。在“十五”期间,我国纳米科学技术的研发取得了长足的进步,与纳米科技有关的论文数以年均30%左右的速度增长,在纳米材料和器件制备和性能研究中也取得了诸多突破性进展,例如:中科院物理所解思深院士等发明了一种将纳米催化剂担载在多孔二氧化硅衬底的微孔中以控制多层碳管直径和取向的模板生长方法。清华大学范守善院士等在国际上首次成功制备出直径为3-40纳米、长度达微米级的发蓝光的氮化镓一维纳米棒。中科院金属所在世界上首次发现纳米金属“奇异”的超塑延展性—纳米铜在室温下冷轧可延50多倍。中科院物理所报道了可在室温下工作的单电子原型器件。中科院半导体所先后研制出了量子阱红外探测器(13-15微米)和半导体量子点激光器(0.7-2.0微米)。2000-2006年世界各国纳米技术发明专利申请数量我国已经在美、日之后排名第三。

三、展望

2002年美国国家科学基金会和美国商务部共同提出的长达468页的《会聚技术报告》(Roco and Bainbrige,2002)认为,科学的发展进入一个分水岭,如果科学要继续向前,就必须从泾渭分明的专业化分工走向统一。新的科技复兴必须能预见技术可能性和聚焦到人整体的科学技术发展观。展望未来,微纳技术在本身获得快速发展的同时,有望与生物技术、信息技术、认知科学协同和融合形成NBIC会聚技术。未来20年,科学和技术的大统一将在以下四个关键方面产生结果:①各项技术的融合是以纳米尺度上的材料统一为基础和以这个尺度上技术集成为基础;②在科学与技术分离的学科交汇处发生了革命性进展,这些进展可以变为关键NBIC(其简化的英文联式为Nano-Bio-Info-Cogno)会聚技术的转型工具,包括科学仪器、分析方法和新材料系统;③NBIC会聚技术领域结合的系统方法、数学和计算使人们第一次了解自然界和认知科学的复杂而层次分明的系统。为了在主要方向获得最大协同,这个复杂系统方法可以应用于具体问题的研究,也可以应用于研究事业的总体组织,体现了全面的认识集成的机会;④在这个技术取得成就的特别历史时刻,提升人类能力成为可能。NBIC会聚技术能通过可持续地加强人类精神、体能和社会能力而给我们提供成功应对社会、政治和经济冲突的方法。

“NBIC会聚技术”的概念是指纳米科技、生物技术、信息技术、认知科学—当前迅速发展的四个科技领域的协同和融合。四大技术的融合将缔造全新的研究思路和经济模式,将大大提高社会的创新能力和社会生产力水平,从而增强国家的竞争力。在人口、资源开发和潜在的社会冲突不断增加的今天,技术优势是经济繁荣和国家安全的基础。会聚技术的影响将是深远和全方位的,其迅速发展有望提高整个国家的生产力水平,具体表现为:①促进工作效率和学习;②提升个人的感知和认知能力;③促使医疗保健变革;④提高个人和群体效率;⑤促成高效通信技术,包括大脑之间的交互作用;⑥完美的人机界面,包括用于工业和个人的神经形态工程学;⑦增强人类的防卫能力;⑧运用NBIC工具达到可持续发展;⑨改善老年人常见的体质和认知能力下降状况。

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图9 会聚技术用于改善人类性能[18]

“NBIC会聚技术”代表着世界科学研究与开发的最新前沿领域,会聚技术将实现21世纪科学技术新的复兴,其发展将显著改善人类的生命质量,提升和扩展人的技能(图9)。NBIC会聚技术将给我们带来新的科技发展观,一种大统一、大科学、以人为本的整体发展观念。这种发展观将以学科的融合为基础,通过技术会聚,以人类和社会可持续发展为目的,实现人类自身和社会的进步。NBIC会聚技术给我们描绘了这样一个前景:人类将在纳米物质层重新认识和改造世界以及人类自身,人类将可以以原子或分子为起点来诊断和修复自身与世界。人类将拥有大量低成本的各种传感器网络和实时信息系统,机器人和软件将实现个性化,智能材料和智能系统将普遍用于工厂、家庭和个人,国家将拥有先进的数据网络和安全的情报系统。社会群体可有效地改善合作效能,社会可大幅度地减少资源与能源的消耗,减少对生态环境的破坏和污染。美国在《提升人类能力的会聚技术》报告中指出,NBIC有关领域的重大突破将在今后10~20年内实现。“NBIC会聚技术”为未来的发展提供了巨大的机遇,不断创造出新的产业、新的市场、新的文化、新的进步,它第一次使人类能够将自然界、人类社会和科学研究理解为几个紧密相连、复杂而又层次分明的系统。在技术不断进步的同时,通过技术整合进而提高人类能力成为可能,长此以往,人类有望进入一个创新与繁荣的时代。

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