微納加工技術(shù)指尺度為亞毫米、微米和納米量級(jí)元件以及由這些元件構(gòu)成的部件或系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、加工、組裝、系統(tǒng)集成與應(yīng)用技術(shù)，涉及領(lǐng)域廣、多學(xué)科交叉融合，其最主要的發(fā)展方向是微納器件與系統(tǒng)（MEMS和NEMS）。微納器件與系統(tǒng)是在集成電路制作上發(fā)展的系列專用技術(shù)，研制微型傳感器、微型執(zhí)行器等器件和系統(tǒng)，具有微型化、批量化、成本低的鮮明特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)代生活、生產(chǎn)產(chǎn)生了巨大的促進(jìn)作用，并催生了一批新興產(chǎn)業(yè)。
圖1. MEMS微型傳感器及微機(jī)械結(jié)構(gòu)圖
微納加工技術(shù)是先進(jìn)制造的重要組成部分，是衡量國家高端制造業(yè)水平的標(biāo)志之一，具有多學(xué)科交叉性和制造要素極端性的特點(diǎn)，在推動(dòng)科技進(jìn)步、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、拉動(dòng)科技進(jìn)步、保障國防安全等方面都發(fā)揮著關(guān)鍵作用。微納加工技術(shù)的基本手段包括微納加工方法與材料科學(xué)方法兩種。很顯然，微納加工技術(shù)與微電子工藝技術(shù)有密切關(guān)系。
微納加工大致可以分為“自上而下”和“自下而上”兩類?！白陨隙隆笔菑暮暧^對(duì)象出發(fā)，以光刻工藝為基礎(chǔ)，對(duì)材料或原料進(jìn)行加工，最小結(jié)果尺寸和精度通常由光刻或刻蝕環(huán)節(jié)的分辨力決定?！白韵露稀奔夹g(shù)則是從微觀世界出發(fā)，通過控制原子、分子和其他納米對(duì)象的相互作用力將各種單元構(gòu)建在一起，形成微納結(jié)構(gòu)與器件。
基于光刻工藝的微納加工技術(shù)主要包含以下過程：掩模（mask）制備、圖形形成及轉(zhuǎn)移（涂膠、曝光、顯影）、薄膜沉積、刻蝕、外延生長、氧化和摻雜等。在基片表面涂覆一層某種光敏介質(zhì)的薄膜（抗蝕膠），曝光系統(tǒng)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(xué)作用使抗蝕膠發(fā)生光化學(xué)作用，形成微細(xì)圖形的潛像，再通過顯影過程使剩余的抗蝕膠層轉(zhuǎn)變成具有微細(xì)圖形的窗口，后續(xù)基于抗蝕膠圖案進(jìn)行鍍膜、刻蝕等可進(jìn)一步制作所需微納結(jié)構(gòu)或器件。
掩模板是根據(jù)放大了的原圖制備的帶有透明窗口的模板。例如，可以用平整的玻璃板，涂覆上金屬鉻薄膜，通過類似照相制版的方法制備而成。具有微納圖形結(jié)構(gòu)的掩模板通常使用電子束光刻機(jī)直接制備，其制作過程就是典型的光刻工藝過程，包括金屬各層沉積、涂膠、電子束光刻、顯影、鉻層腐蝕及去膠等過程。由于模板像素超多，用掃描式光刻機(jī)制作掩模板的速度相當(dāng)慢，造價(jià)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，可分為正膠工藝和負(fù)膠工藝（如圖3），采用相同掩模板制作時(shí)，二者可獲得互補(bǔ)的圖形結(jié)構(gòu)。另外，按照不同工作距離可分為接近式曝光、近貼式曝光（接觸曝光）和投射式光學(xué)曝光；按照曝光系統(tǒng)的工作光源又可分為紫外線曝光、X射線與及紫外線曝光、電子束與離子束曝光。此外，微納印刷技術(shù)（imprint lithography），如納米壓印技術(shù)，在納米結(jié)構(gòu)及器件制作中也得到了良好的發(fā)展，其高效的圖形復(fù)制特點(diǎn)使之在工業(yè)界極具吸引力。卷對(duì)卷（Roll-to-Roll, R2R）滾軸壓印技術(shù)已經(jīng)被產(chǎn)線廣泛采用。
圖3. 正膠光刻與負(fù)膠光刻工藝流程圖
圖4. R2R納米壓印系統(tǒng)及壓印結(jié)構(gòu)
基于掩模板圖形傳遞的光刻工藝可制作宏觀尺寸的微細(xì)結(jié)構(gòu)，受光學(xué)衍射的極限，僅適用于微米以上尺度的微細(xì)結(jié)構(gòu)制作，部分優(yōu)化的光刻工藝可能具有亞微米的加工能力。例如，接觸式光刻的分辨率可能到達(dá)0.5μm，采用深紫外曝光光源可能實(shí)現(xiàn)0.1μm。但利用這種光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)宏觀面積的納米/亞微米圖形結(jié)構(gòu)的制作是可欲而不可求的。近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者相繼提出了超衍射極限光刻技術(shù)、周期減小光刻技術(shù)等，力求通過曝光光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)大面積的亞微米結(jié)構(gòu)制作，但這類新型的光刻技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。
高精度的微細(xì)結(jié)構(gòu)可以通過電子束直寫或激光直寫制作，這類光刻技術(shù)，像“寫字”一樣，通過控制聚焦電子束（光束）移動(dòng)書寫圖案進(jìn)行曝光，具有很高的曝光精度，但這兩種方法制作效率極低，尤其在大面積制作方面捉襟見肘，目前直寫光刻技術(shù)僅適用于小面積的微納結(jié)構(gòu)制作。近年來，三維浮雕微納結(jié)構(gòu)的需求越來越大，如閃耀光柵、菲涅爾透鏡、多臺(tái)階微光學(xué)元件等。據(jù)悉，蘋果公司新上市的手機(jī)產(chǎn)品中人臉識(shí)別模塊就采用了多臺(tái)階微光學(xué)元件，以及當(dāng)下如火如荼的無人駕駛技術(shù)中激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)也用到了復(fù)雜的微光學(xué)元件。這類精密的微納結(jié)構(gòu)光學(xué)元件需采用灰度光刻技術(shù)進(jìn)行制作。直寫技術(shù)，通過在光束移動(dòng)過程中進(jìn)行相應(yīng)的曝光能量調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)良好的灰度光刻能力。
圖4. 直寫系統(tǒng)及其制作的微納結(jié)構(gòu)
通過光刻技術(shù)制作出的微納結(jié)構(gòu)需進(jìn)一步通過刻蝕或者鍍膜，才可獲得所需的結(jié)構(gòu)或元件。
刻蝕技術(shù)（etching technique），是按照掩模圖形對(duì)襯底表面或表面覆蓋薄膜進(jìn)行選擇性腐蝕或剝離的技術(shù)，可分為濕法刻蝕和干法刻蝕。濕法刻蝕最普遍、也是設(shè)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(duì)刻蝕接觸點(diǎn)之任何方向腐蝕速度并無明顯差異。然而自1970年代起，報(bào)道了許多有關(guān)堿性或有機(jī)溶液腐蝕單晶硅的文章，其特點(diǎn)是不同的硅晶面腐蝕速率相差極大，尤其是<111>方向，足足比<100>或是<110>方向的腐蝕速率小一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)！因此，腐蝕速率最慢的晶面，往往便是腐蝕后留下的特定面。干法刻蝕利用等離子體 (plasma) 來進(jìn)行半導(dǎo)體薄膜材料的刻蝕加工。其中等離子體必須在真空度約10至0.001 Torr 的環(huán)境下，才有可能被激發(fā)出來；而干刻蝕采用的氣體，或轟擊質(zhì)量頗巨，或化學(xué)活性極高，均能達(dá)成刻蝕的目的。其最重要的優(yōu)點(diǎn)是能兼顧邊緣側(cè)向侵蝕現(xiàn)象極微與高刻蝕率兩種優(yōu)點(diǎn)。干法刻蝕能夠滿足亞微米/納米線寬制程技術(shù)的要求，且在微納加工技術(shù)中被大量使用。
近年來，激光技術(shù)的飛速發(fā)展使的激光蝕刻技術(shù)孕育而生，類似于激光直寫技術(shù)，激光蝕刻技術(shù)通過控制聚焦的高能短波/脈沖激光束直接在基材上燒蝕材料并“雕刻”出微細(xì)結(jié)構(gòu)。它不但能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)意義的薄膜蝕刻，而且可以用來實(shí)現(xiàn)三維的微結(jié)構(gòu)制作。飛秒高峰值功率激光于有機(jī)聚合物的介質(zhì)的作用具有很多科學(xué)上很吸引人注目的特點(diǎn)，其中，雙光子作用下的聚合作用（two-photon polymerization, 2PP）已被成功運(yùn)用于三維納米結(jié)構(gòu)制作，可以制作出非常復(fù)雜、特殊的三維微細(xì)結(jié)構(gòu)。
圖5. 利用2PP激光蝕刻加工的三維光子晶體
在微電子與光電子集成中，薄膜的形成方法主要有兩大類，及沉積和外延生長。沉積技術(shù)分為物理沉積、化學(xué)沉積和混合方法沉積。蒸發(fā)沉積（熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)）和濺射沉積是典型的物理方法；化學(xué)氣相沉積是典型的化學(xué)方法；等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積是物理與化學(xué)方法相結(jié)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(tài)結(jié)構(gòu)都是隨機(jī)的，而沒有固定的晶態(tài)結(jié)構(gòu)。外延生長實(shí)質(zhì)上是材料科學(xué)的薄膜加工方法，其含義是：在一個(gè)單晶的襯底上，定向地生長出與基底晶態(tài)結(jié)構(gòu)相同或相似的晶態(tài)薄層。其他薄膜成膜方法，如電化學(xué)沉積、脈沖激光沉積法、溶膠凝膠法、自組裝法等，也都廣泛用于微納制作工藝中。
微納測試與表征技術(shù)是微納加工技術(shù)的基礎(chǔ)與前提，它包括在微納器件的設(shè)計(jì)、制造和系統(tǒng)集成過程中，對(duì)各種參量進(jìn)行微米/納米檢測的技術(shù)。微米測量主要服務(wù)于精密制造和微加工技術(shù)，目標(biāo)是獲得微米級(jí)測量精度，或表征微結(jié)構(gòu)的幾何、機(jī)械及力學(xué)特性；納米測量則主要服務(wù)于材料工程和納米科學(xué)，特別是納米材料，目標(biāo)是獲得材料的結(jié)構(gòu)、地貌和成分的信息。在半導(dǎo)體領(lǐng)域人們所關(guān)心的與尺寸測量有關(guān)的參數(shù)主要包括：特征尺寸或線寬、重合度、薄膜的厚度和表面的糙度等等。未來，微納測試與表征技術(shù)正朝著從二維到三維、從表面到內(nèi)部、從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)、從單參量到多參量耦合、從封裝前到封裝后的方向發(fā)展。探索新的測量原理、測試方法和表征技術(shù)，發(fā)展微納加工及制造實(shí)時(shí)在線測試方法和微納器件質(zhì)量快速檢測系統(tǒng)已成為了微納測試與表征的主要發(fā)展趨勢。
不同的表面微納結(jié)構(gòu)可以呈現(xiàn)出相應(yīng)的功能，隨著科技的發(fā)展，不同功能的微納結(jié)構(gòu)及器件將會(huì)得到更多的應(yīng)用。目前表面功能微納結(jié)構(gòu)及器件，諸如超材料、超表面等充滿“神奇”力量的結(jié)構(gòu)或器件，的發(fā)展仍受到微納加工技術(shù)的限制。因此，研究功能微納結(jié)構(gòu)及器件需要從微納結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)方面進(jìn)行廣泛深入的研究，提高微納加工技術(shù)的加工能力和效率是未來微納結(jié)構(gòu)及器件研究的重點(diǎn)方向。