曾幾何時(shí)，“納米洗衣機(jī)”、“納米化妝品”等廣告滿(mǎn)天飛；同時(shí)，從國(guó)外也不斷地得到美國(guó)開(kāi)始研究“納米士兵”、日本研制成功能夠向人體內(nèi)送藥的“納米機(jī)器人”的消息。似乎我們已經(jīng)進(jìn)入了納米時(shí)代。但是，在一些國(guó)外科學(xué)家眼里，我們的納米產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用尚處于初級(jí)階段，尤其是納米制造技術(shù)的研究
采訪手記
在法國(guó)常駐期間，記者曾經(jīng)采訪過(guò)法國(guó)政府研究部主管納米科技研究項(xiàng)目的官員阿蘭·布倫，他到過(guò)中國(guó)。在他的印象中，中國(guó)的納米研究主要集中在納米粉末、納米碳管等納米材料方面，“這只是一點(diǎn)點(diǎn)，它在納米科技的研究中是花錢(qián)最少的�！薄凹{米研究投資最大的部分在工業(yè)部�！�
后來(lái)，記者曾三次參觀了法國(guó)國(guó)家科研中心光子學(xué)和納米結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室。據(jù)介紹，它是歐洲建立最早的納米科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，也是目前歐洲最大、最先進(jìn)的納米科技研究機(jī)構(gòu)。記者在那里看到的最主要的東西，是它那1000多平方米的超凈實(shí)驗(yàn)室，有點(diǎn)像集成電路生產(chǎn)車(chē)間一樣，但是，里面電子束曝光儀、超紫外光曝光儀、離子反應(yīng)刻蝕儀、分子束外延生長(zhǎng)等高級(jí)實(shí)驗(yàn)儀器一應(yīng)俱全，又比半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)“技高一籌”。該實(shí)驗(yàn)室成立至今，投資已達(dá)幾億歐元，每年的實(shí)驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)高達(dá)幾百萬(wàn)歐元。即使在法國(guó)經(jīng)濟(jì)不景氣、科研投資縮減的今天，該實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)費(fèi)保障仍然沒(méi)有受到任何影響。相反，政府還在不斷地通過(guò)的新計(jì)劃，來(lái)增加對(duì)該實(shí)驗(yàn)室的投資。
那么，納米科技研究的重心在哪里？后來(lái)，美國(guó)《納米科學(xué)技術(shù)大百科全書(shū)》“納米制造”章節(jié)的撰寫(xiě)人之一、上述實(shí)驗(yàn)室納米技術(shù)與微流體研究組負(fù)責(zé)人陳勇博士的解釋?zhuān)忾_(kāi)了記者的疑問(wèn)。
納米制造技術(shù)、納米電子學(xué)、納米生物學(xué)、納米材料學(xué)是納米科技的四大領(lǐng)域，其中，納米制造技術(shù)作為納米技術(shù)的中心之一，是糅合其它各種學(xué)科的基本“藝術(shù)”，是當(dāng)前納米科學(xué)研究的基礎(chǔ)——它不僅為納米科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域的研究和拓展提供強(qiáng)有力的手段，而且是未來(lái)納米產(chǎn)業(yè)的支柱。
關(guān)心納米科技發(fā)展的人，可能對(duì)“uptodown”和“bottomtoup”這兩個(gè)英文詞組并不陌生，它們說(shuō)明的就是目前世界上納米制造技術(shù)研究的兩個(gè)主要部分，即自上至下(即從大往小發(fā)展)的技術(shù)發(fā)展，以及自下至上(即從小往大發(fā)展)的科學(xué)研究。這兩部分技術(shù)將在1至100納米尺度間相匯合。任何一個(gè)國(guó)家或公司，如果欲在納米制造時(shí)代擁有制造具有特定功能的納米器件和系統(tǒng)的能力，就必須同時(shí)擁有這兩部分的理論、工藝和技能。
自上而下老工藝不離不棄
法國(guó)人是官僚氣十足的，有一個(gè)嚴(yán)格、完整的新聞管理體系，對(duì)政府官員的采訪，如果沒(méi)有朋友推薦，就必須按照規(guī)定，向有關(guān)部門(mén)新聞管理處申請(qǐng)，得到答復(fù)后前往。但是，法國(guó)人又是很敬業(yè)的，被采訪的官員一定會(huì)為你準(zhǔn)備好一些材料和說(shuō)法，讓你滿(mǎn)意而歸。
兩年前，“EUCLIDES”計(jì)劃和“MEDEA”計(jì)劃就這樣進(jìn)入了我的視線。接受我采訪的工業(yè)部主管微電子工業(yè)研究的一個(gè)年輕官員米歇爾·安東尼，給我準(zhǔn)備好了一份清單，內(nèi)容是歐盟和法國(guó)大型微米納米研究計(jì)劃，包括計(jì)劃的名字及可查詢(xún)的網(wǎng)站，前述的兩個(gè)計(jì)劃，是歐盟第五個(gè)框架研究計(jì)劃中的兩個(gè)計(jì)劃，研究的主要內(nèi)容是極限紫外光刻技術(shù)。此外，法國(guó)為了滿(mǎn)足自己技術(shù)儲(chǔ)備的需要，還由工業(yè)部牽頭，建立了名為“PREUVE”的國(guó)家工業(yè)研究計(jì)劃，聯(lián)合法國(guó)集成電路生產(chǎn)企業(yè)和有關(guān)研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)，開(kāi)展極限紫外光刻技術(shù)的系統(tǒng)研究。這些計(jì)劃的預(yù)算都在幾億、幾十億歐元左右。
“納米是微米的延伸”，這大概可以解釋工業(yè)界大投資的意義所在。就電子工業(yè)界而言，對(duì)通過(guò)現(xiàn)有的微米制造技術(shù)開(kāi)發(fā)納米制造的新方法興趣最高，因?yàn)檫@可以使該行業(yè)繼續(xù)制造更小、更便宜、性能更好的裝置。因此，“自上至下”研究的主導(dǎo)力是超大規(guī)模集成電路的不斷發(fā)展，目前集成電路、微電機(jī)系統(tǒng)、微光學(xué)和微分析器件等結(jié)構(gòu)制造所用技術(shù)基本上源于微電子技術(shù)，它是傳統(tǒng)的半導(dǎo)體加工工藝的延伸，包括制造納米結(jié)構(gòu)和納米器件的光刻、薄膜、刻蝕技術(shù)研究，是制造半導(dǎo)體集成電路的基本方法，也是最關(guān)鍵的技術(shù)。
據(jù)陳勇博士介紹，目前的主要研究方向，一方面是將現(xiàn)有的紫外光光刻技術(shù)(即193納米光源技術(shù)及157納米光源技術(shù))進(jìn)行進(jìn)一步拓展，另一方面是研究和發(fā)展極限紫外光刻技術(shù)(13納米光源技術(shù))研究。前者可實(shí)現(xiàn)最小線寬為65納米的硅集成電路，后者有可能使線寬小于20納米，由此將現(xiàn)有的半導(dǎo)體CMOS工藝推進(jìn)至材料的極限。
“最令我們值得關(guān)注的是極限紫外光刻技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的研究從概念的提出至今，已經(jīng)發(fā)展了近15年，它或許是最后一代用光實(shí)現(xiàn)納米制造的光刻技術(shù)�！钡�，該技術(shù)研究耗資巨大，任何一個(gè)單獨(dú)的企業(yè)或者國(guó)家，都難以獨(dú)自承受巨額的研究投入。在美國(guó)，該技術(shù)主要由大公司集團(tuán)(Intel、Motorola、AMD等三公司)共同投資，開(kāi)展聯(lián)合研究；為了吸引更多的投資，加速研究進(jìn)程，它也歡迎其它國(guó)家投資加入其研究，因此形成了一個(gè)研究“俱樂(lè)部”。這個(gè)半導(dǎo)體研究俱樂(lè)部每年都召開(kāi)多個(gè)專(zhuān)題研討會(huì)(包括光源、材料、儀器等)，總結(jié)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，研討新的研究思路。目前，上述俱樂(lè)部的某些成果已經(jīng)在歐洲專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)曝光儀的ASML公司進(jìn)行生產(chǎn)，新的設(shè)備將在近年投入試運(yùn)行。
除了極限紫外光刻技術(shù)以外，還有其它新一代納米級(jí)的刻蝕技術(shù)，如：X光光刻、電子束投影、離子束投影、微型電子束陣列，等等�！拔易约壕妥鲞^(guò)以上部分的多年研究，但是這些技術(shù)因?yàn)樵趯?shí)現(xiàn)的過(guò)程中仍有相當(dāng)?shù)碾y題，目前工業(yè)界主要看好的還只是極限紫外光刻技術(shù)。”
非傳統(tǒng)制造工藝令人眼亮
科學(xué)家們清楚地知道，很多材料和器件的在納米尺度范圍內(nèi)具有全新的物理性能，當(dāng)前生命科學(xué)的前沿亦必定是納米或分子水平上的研究。納米技術(shù)發(fā)展無(wú)疑具有至關(guān)重要的意義。但是，上述的傳統(tǒng)技術(shù)研究是以大規(guī)模集成電路生產(chǎn)為目的的，生產(chǎn)條件要求高、投資巨大，不適合用于實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)研究及非半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)。上世紀(jì)90年代初開(kāi)始，科學(xué)家開(kāi)始尋求更簡(jiǎn)單、更便宜的納米結(jié)構(gòu)生產(chǎn)方法，即在非極限環(huán)境下大面積生產(chǎn)納米結(jié)構(gòu)的復(fù)制技術(shù)。
現(xiàn)在以納米制造和納米生物學(xué)研究為主要方向的陳勇博士說(shuō)：“不要以為簡(jiǎn)單就輕視它，非傳統(tǒng)的納米制造技術(shù)簡(jiǎn)單又廉價(jià)，卻為多學(xué)科發(fā)展提供了條件�！彼f(shuō)的非傳統(tǒng)納米制造技術(shù)，就是被統(tǒng)稱(chēng)為軟刻蝕技術(shù)的四大技術(shù)：納米印刷技術(shù)(nanoimprinting)；納米壓模技術(shù)(nanoembossing)；軟光刻技術(shù)(softlithography)；微接觸印刷技術(shù)(microcontactprinting)。它們沒(méi)有使用光和電子等物理學(xué)上的工具，而是利用了日常生活中熟悉的機(jī)械過(guò)程：印、壓、塑、凸。
至今，美、歐、日約有100多個(gè)實(shí)驗(yàn)室正在開(kāi)展這方面技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)�？茖W(xué)家們以制膜為基礎(chǔ)，即用高分辨率電子束及刻蝕的方法將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)制在膜上，然后將其精確地大面積復(fù)制到聚合物乳膠薄膜上，經(jīng)處理后得到各種功能的集成，這種復(fù)制方法簡(jiǎn)單、應(yīng)用面廣、可選擇性強(qiáng)。例如，科學(xué)家已經(jīng)用納米印刷技術(shù)，復(fù)制了6納米線寬的納米結(jié)構(gòu)，而且已經(jīng)將它成功地應(yīng)用于納米電子學(xué)、納米光學(xué)和納米磁學(xué)等若干領(lǐng)域。
特別是，某些聚合物與生物體的兼容性好，用軟刻蝕技術(shù)可以發(fā)展多功能生物器件，陳勇博士與他的博士生一起，已經(jīng)用以聚二甲基硅氧烷(PDMS)為基本材料的軟光刻技術(shù)，做成高集成度的微流體芯片，實(shí)現(xiàn)了稀有細(xì)胞的篩選�！拔⒘黧w芯片既簡(jiǎn)單又便宜，將可以用來(lái)做單細(xì)胞操作、蛋白質(zhì)結(jié)晶等，可以完成從藥品檢測(cè)到遺傳分析等各種工作�！�
“除此之外，微接觸印刷技術(shù)能夠進(jìn)行單分子層的自組裝(self-assembling)，具有了自上至下(光刻)和自下至上(分子排列)兩種技術(shù)相結(jié)合的特點(diǎn)，前景頗為看好�！弊韵轮辽闲录夹g(shù)新事新辦上述的各種方法，有一個(gè)共同的特點(diǎn)，它們均從較大規(guī)模的模式開(kāi)始，然后縮小橫向距離，刻出納米結(jié)構(gòu)。對(duì)制造納米結(jié)構(gòu)、微器件及芯片集成，這種方法是必須的。但是，它們不能方便、廉價(jià)、迅速地制造出分子水平的納米結(jié)構(gòu)，于是便出現(xiàn)了“自下而上”的方法研究。這種方法從單個(gè)原子或分子開(kāi)始，用化學(xué)合成和物理的方法，制作具有特殊功能的大分子、超大分子團(tuán)或表面結(jié)構(gòu)等納米結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于化學(xué)、物理、生物、微電子等諸多方面。1990年，IBM的科學(xué)家曾經(jīng)用隧道掃描顯微鏡，在超真空及液氦溫度(4.2K)條件下，將吸附在鎳表面的氙原子，一個(gè)個(gè)地拖曳排列成“IBM”三個(gè)字母，引起了世人的矚目，這是人類(lèi)首次對(duì)原子進(jìn)行操作，也是“自下至上”納米制造研究的一個(gè)開(kāi)端。但是，用原子操作做出具有特殊功能特性的納米結(jié)構(gòu)，往往需要在極限條件下進(jìn)行，而且花費(fèi)時(shí)間很長(zhǎng)，研究人員尚未能夠確定這種技術(shù)的最佳應(yīng)用開(kāi)發(fā)價(jià)值。一是用化學(xué)合成組成大分子，然后將它們?cè)俳M裝到固體上去，如：化學(xué)合成法組成的冠狀分子、齒狀聚合物、納米碳管等具有特殊功能的納米結(jié)構(gòu)。這些大分子可以用自組裝的方式鑲嵌到納米線路或固體結(jié)構(gòu)中去，由此引出納米電子學(xué)所需要的一些特殊結(jié)構(gòu)和各種特性的固體復(fù)合材料。
另一類(lèi)是用物理、化學(xué)或生物的方法制作均勻性很好、有特殊功能的納米顆粒或系統(tǒng)，如：用原子、分子束外延方法生長(zhǎng)的半導(dǎo)體量子點(diǎn)陣，這種點(diǎn)陣在光電子學(xué)有極大的應(yīng)用。用其它方法制作的半導(dǎo)體納米晶體材料，在生物學(xué)成像技術(shù)中具有極高的應(yīng)用價(jià)值。此外，納米磁性粒子不僅在醫(yī)學(xué)診斷和治療上有很廣泛的用途，而且很有可能應(yīng)用于高密度存儲(chǔ)。對(duì)這些納米顆粒的表面進(jìn)行特殊的化學(xué)、生物包裝，可以達(dá)到特殊的功能，如：尋找病源靶點(diǎn)、進(jìn)行藥物釋放。
記者注意到，去年12月底在美國(guó)波士頓舉辦的“材料研究學(xué)會(huì)”年會(huì)上，有一份研究報(bào)告表明，生物學(xué)成為了納米技術(shù)的突破口，將使傳感器、醫(yī)療診斷方法和電子器件產(chǎn)生革命性的變化。因?yàn)�，各�?lèi)生物體都擁有大量的納米作用機(jī)制，如：DNA的信息存儲(chǔ)、蛋白質(zhì)的捕捉陽(yáng)光、細(xì)胞分裂期DNA的復(fù)制，等等。
中國(guó)的納米制造需在“新”字上做文章
在納米制造技術(shù)領(lǐng)域，目前國(guó)際上研究有兩大熱點(diǎn)：微流體芯片和微機(jī)械元件研究。
“用硅材料做成的微機(jī)械，如微加速度計(jì)、氣體傳感器、高速打印噴頭、磁記錄頭等，在汽車(chē)、航空航天、計(jì)算機(jī)工業(yè)等領(lǐng)域已經(jīng)得到了很大的應(yīng)用，還將有更大的發(fā)展。廣泛意義上的微機(jī)械，雖然不能很簡(jiǎn)單地歸納到納米技術(shù)中，但是它是在半導(dǎo)體工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新領(lǐng)域，在納米科技領(lǐng)域還有很大的發(fā)展空間。”
“當(dāng)前納米技術(shù)的難點(diǎn)在于對(duì)納米物體的整合和集成，它需要自上而下、自下而上的全方位努力，需要多學(xué)科的緊密結(jié)合，基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)的平行發(fā)展和相互促進(jìn)。中國(guó)的科研指導(dǎo)可以在這方面多下一點(diǎn)工夫�！标惒┦空\(chéng)懇地說(shuō)。
“由于時(shí)興不久，在自下至上和非傳統(tǒng)的納米制造技術(shù)研究方面，國(guó)際上仍然處于開(kāi)放狀態(tài)，各種新的思想和方法、成果均很易于被接受、看好，因此政府在這方面可以宏觀指導(dǎo)為主，通過(guò)指導(dǎo)國(guó)家級(jí)的納米科技中心(或技術(shù)平臺(tái))，以制造功能性的納米材料、納米器件為主要研究?jī)?nèi)容，將基礎(chǔ)研究與開(kāi)發(fā)應(yīng)用結(jié)合在一起。在實(shí)施過(guò)程中，可根據(jù)國(guó)情，放眼未來(lái)，并參與國(guó)外現(xiàn)有的計(jì)劃和技術(shù)指標(biāo)，制定一些具有指導(dǎo)意義的研究項(xiàng)目，通過(guò)招標(biāo)的形式，引導(dǎo)研究方法的正確發(fā)展。此外，政府可以積極支持與納米制造技術(shù)相關(guān)的高科技產(chǎn)業(yè)的開(kāi)發(fā)，促進(jìn)科研成果的迅速轉(zhuǎn)化�！�
對(duì)于傳統(tǒng)的納米制造工藝的研究和開(kāi)發(fā)，特別是極限紫外線光刻研究，由于投資巨大，中國(guó)不一定要全面開(kāi)“花”，“但必須要有所研究，在某些點(diǎn)上有所建樹(shù)，這樣才不會(huì)將失去創(chuàng)新的機(jī)遇，不至于永遠(yuǎn)跟在別人后面走，受制于人�！�
微流體芯片
微流體芯片，又被稱(chēng)為“芯片上的實(shí)驗(yàn)室”，是用半導(dǎo)體集成技術(shù)制作的新型固體元件，它能夠?qū)ξ⒘苛黧w(包括液體和氣體)進(jìn)行復(fù)雜、精確的操作(混合和分離微量流體、化學(xué)反應(yīng)、微量分析等等)。在這種芯片上加上微泵、微閘，就可以很容易地對(duì)生物細(xì)胞、溶劑、藥物等進(jìn)行各種生物化學(xué)研究，也可以用它進(jìn)行納米粒子、分子結(jié)構(gòu)的研究；由于它體積小、可調(diào)控參數(shù)多、調(diào)控精確度高、自動(dòng)化程度高、可以集成和大量生產(chǎn)，在納米科技研究和發(fā)展上有著很好的前景�？梢哉f(shuō)，微流體芯片是自上而下和自下而上研究的一個(gè)自然的結(jié)合點(diǎn)，也是物理、化學(xué)、生物、微電子學(xué)等學(xué)科交叉性極強(qiáng)的研究領(lǐng)域。
目前微流體研究的主要方向是進(jìn)行生物化學(xué)分析的研究，比如：稀有細(xì)胞的篩選、信息核糖核酸的提取和純化、基因測(cè)序、單細(xì)胞分析、蛋白質(zhì)結(jié)晶、藥物檢測(cè)等。事實(shí)上，去年以來(lái)，美國(guó)和歐洲已經(jīng)出現(xiàn)了一批以生產(chǎn)微流體芯片為主的高科技企業(yè)，也有國(guó)際大型制藥公司大量地購(gòu)買(mǎi)了這種芯片以替代傳統(tǒng)的大型生物、化學(xué)分析儀器的工作，用來(lái)開(kāi)展新藥研制。
在科技、經(jīng)濟(jì)實(shí)力雄厚的美國(guó)，科學(xué)家已經(jīng)用微流體芯片技術(shù)研制成新型微型飛機(jī)。(記者 李紅)
采訪手記
在法國(guó)常駐期間，記者曾經(jīng)采訪過(guò)法國(guó)政府研究部主管納米科技研究項(xiàng)目的官員阿蘭·布倫，他到過(guò)中國(guó)。在他的印象中，中國(guó)的納米研究主要集中在納米粉末、納米碳管等納米材料方面，“這只是一點(diǎn)點(diǎn)，它在納米科技的研究中是花錢(qián)最少的�！薄凹{米研究投資最大的部分在工業(yè)部�！�
后來(lái)，記者曾三次參觀了法國(guó)國(guó)家科研中心光子學(xué)和納米結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室。據(jù)介紹，它是歐洲建立最早的納米科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，也是目前歐洲最大、最先進(jìn)的納米科技研究機(jī)構(gòu)。記者在那里看到的最主要的東西，是它那1000多平方米的超凈實(shí)驗(yàn)室，有點(diǎn)像集成電路生產(chǎn)車(chē)間一樣，但是，里面電子束曝光儀、超紫外光曝光儀、離子反應(yīng)刻蝕儀、分子束外延生長(zhǎng)等高級(jí)實(shí)驗(yàn)儀器一應(yīng)俱全，又比半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)“技高一籌”。該實(shí)驗(yàn)室成立至今，投資已達(dá)幾億歐元，每年的實(shí)驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)高達(dá)幾百萬(wàn)歐元。即使在法國(guó)經(jīng)濟(jì)不景氣、科研投資縮減的今天，該實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)費(fèi)保障仍然沒(méi)有受到任何影響。相反，政府還在不斷地通過(guò)的新計(jì)劃，來(lái)增加對(duì)該實(shí)驗(yàn)室的投資。
那么，納米科技研究的重心在哪里？后來(lái)，美國(guó)《納米科學(xué)技術(shù)大百科全書(shū)》“納米制造”章節(jié)的撰寫(xiě)人之一、上述實(shí)驗(yàn)室納米技術(shù)與微流體研究組負(fù)責(zé)人陳勇博士的解釋?zhuān)忾_(kāi)了記者的疑問(wèn)。
納米制造技術(shù)、納米電子學(xué)、納米生物學(xué)、納米材料學(xué)是納米科技的四大領(lǐng)域，其中，納米制造技術(shù)作為納米技術(shù)的中心之一，是糅合其它各種學(xué)科的基本“藝術(shù)”，是當(dāng)前納米科學(xué)研究的基礎(chǔ)——它不僅為納米科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域的研究和拓展提供強(qiáng)有力的手段，而且是未來(lái)納米產(chǎn)業(yè)的支柱。
關(guān)心納米科技發(fā)展的人，可能對(duì)“uptodown”和“bottomtoup”這兩個(gè)英文詞組并不陌生，它們說(shuō)明的就是目前世界上納米制造技術(shù)研究的兩個(gè)主要部分，即自上至下(即從大往小發(fā)展)的技術(shù)發(fā)展，以及自下至上(即從小往大發(fā)展)的科學(xué)研究。這兩部分技術(shù)將在1至100納米尺度間相匯合。任何一個(gè)國(guó)家或公司，如果欲在納米制造時(shí)代擁有制造具有特定功能的納米器件和系統(tǒng)的能力，就必須同時(shí)擁有這兩部分的理論、工藝和技能。
自上而下老工藝不離不棄
法國(guó)人是官僚氣十足的，有一個(gè)嚴(yán)格、完整的新聞管理體系，對(duì)政府官員的采訪，如果沒(méi)有朋友推薦，就必須按照規(guī)定，向有關(guān)部門(mén)新聞管理處申請(qǐng)，得到答復(fù)后前往。但是，法國(guó)人又是很敬業(yè)的，被采訪的官員一定會(huì)為你準(zhǔn)備好一些材料和說(shuō)法，讓你滿(mǎn)意而歸。
兩年前，“EUCLIDES”計(jì)劃和“MEDEA”計(jì)劃就這樣進(jìn)入了我的視線。接受我采訪的工業(yè)部主管微電子工業(yè)研究的一個(gè)年輕官員米歇爾·安東尼，給我準(zhǔn)備好了一份清單，內(nèi)容是歐盟和法國(guó)大型微米納米研究計(jì)劃，包括計(jì)劃的名字及可查詢(xún)的網(wǎng)站，前述的兩個(gè)計(jì)劃，是歐盟第五個(gè)框架研究計(jì)劃中的兩個(gè)計(jì)劃，研究的主要內(nèi)容是極限紫外光刻技術(shù)。此外，法國(guó)為了滿(mǎn)足自己技術(shù)儲(chǔ)備的需要，還由工業(yè)部牽頭，建立了名為“PREUVE”的國(guó)家工業(yè)研究計(jì)劃，聯(lián)合法國(guó)集成電路生產(chǎn)企業(yè)和有關(guān)研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)，開(kāi)展極限紫外光刻技術(shù)的系統(tǒng)研究。這些計(jì)劃的預(yù)算都在幾億、幾十億歐元左右。
“納米是微米的延伸”，這大概可以解釋工業(yè)界大投資的意義所在。就電子工業(yè)界而言，對(duì)通過(guò)現(xiàn)有的微米制造技術(shù)開(kāi)發(fā)納米制造的新方法興趣最高，因?yàn)檫@可以使該行業(yè)繼續(xù)制造更小、更便宜、性能更好的裝置。因此，“自上至下”研究的主導(dǎo)力是超大規(guī)模集成電路的不斷發(fā)展，目前集成電路、微電機(jī)系統(tǒng)、微光學(xué)和微分析器件等結(jié)構(gòu)制造所用技術(shù)基本上源于微電子技術(shù)，它是傳統(tǒng)的半導(dǎo)體加工工藝的延伸，包括制造納米結(jié)構(gòu)和納米器件的光刻、薄膜、刻蝕技術(shù)研究，是制造半導(dǎo)體集成電路的基本方法，也是最關(guān)鍵的技術(shù)。
據(jù)陳勇博士介紹，目前的主要研究方向，一方面是將現(xiàn)有的紫外光光刻技術(shù)(即193納米光源技術(shù)及157納米光源技術(shù))進(jìn)行進(jìn)一步拓展，另一方面是研究和發(fā)展極限紫外光刻技術(shù)(13納米光源技術(shù))研究。前者可實(shí)現(xiàn)最小線寬為65納米的硅集成電路，后者有可能使線寬小于20納米，由此將現(xiàn)有的半導(dǎo)體CMOS工藝推進(jìn)至材料的極限。
“最令我們值得關(guān)注的是極限紫外光刻技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的研究從概念的提出至今，已經(jīng)發(fā)展了近15年，它或許是最后一代用光實(shí)現(xiàn)納米制造的光刻技術(shù)�！钡�，該技術(shù)研究耗資巨大，任何一個(gè)單獨(dú)的企業(yè)或者國(guó)家，都難以獨(dú)自承受巨額的研究投入。在美國(guó)，該技術(shù)主要由大公司集團(tuán)(Intel、Motorola、AMD等三公司)共同投資，開(kāi)展聯(lián)合研究；為了吸引更多的投資，加速研究進(jìn)程，它也歡迎其它國(guó)家投資加入其研究，因此形成了一個(gè)研究“俱樂(lè)部”。這個(gè)半導(dǎo)體研究俱樂(lè)部每年都召開(kāi)多個(gè)專(zhuān)題研討會(huì)(包括光源、材料、儀器等)，總結(jié)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，研討新的研究思路。目前，上述俱樂(lè)部的某些成果已經(jīng)在歐洲專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)曝光儀的ASML公司進(jìn)行生產(chǎn)，新的設(shè)備將在近年投入試運(yùn)行。
除了極限紫外光刻技術(shù)以外，還有其它新一代納米級(jí)的刻蝕技術(shù)，如：X光光刻、電子束投影、離子束投影、微型電子束陣列，等等�！拔易约壕妥鲞^(guò)以上部分的多年研究，但是這些技術(shù)因?yàn)樵趯?shí)現(xiàn)的過(guò)程中仍有相當(dāng)?shù)碾y題，目前工業(yè)界主要看好的還只是極限紫外光刻技術(shù)。”
非傳統(tǒng)制造工藝令人眼亮
科學(xué)家們清楚地知道，很多材料和器件的在納米尺度范圍內(nèi)具有全新的物理性能，當(dāng)前生命科學(xué)的前沿亦必定是納米或分子水平上的研究。納米技術(shù)發(fā)展無(wú)疑具有至關(guān)重要的意義。但是，上述的傳統(tǒng)技術(shù)研究是以大規(guī)模集成電路生產(chǎn)為目的的，生產(chǎn)條件要求高、投資巨大，不適合用于實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)研究及非半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)。上世紀(jì)90年代初開(kāi)始，科學(xué)家開(kāi)始尋求更簡(jiǎn)單、更便宜的納米結(jié)構(gòu)生產(chǎn)方法，即在非極限環(huán)境下大面積生產(chǎn)納米結(jié)構(gòu)的復(fù)制技術(shù)。
現(xiàn)在以納米制造和納米生物學(xué)研究為主要方向的陳勇博士說(shuō)：“不要以為簡(jiǎn)單就輕視它，非傳統(tǒng)的納米制造技術(shù)簡(jiǎn)單又廉價(jià)，卻為多學(xué)科發(fā)展提供了條件�！彼f(shuō)的非傳統(tǒng)納米制造技術(shù)，就是被統(tǒng)稱(chēng)為軟刻蝕技術(shù)的四大技術(shù)：納米印刷技術(shù)(nanoimprinting)；納米壓模技術(shù)(nanoembossing)；軟光刻技術(shù)(softlithography)；微接觸印刷技術(shù)(microcontactprinting)。它們沒(méi)有使用光和電子等物理學(xué)上的工具，而是利用了日常生活中熟悉的機(jī)械過(guò)程：印、壓、塑、凸。
至今，美、歐、日約有100多個(gè)實(shí)驗(yàn)室正在開(kāi)展這方面技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)�？茖W(xué)家們以制膜為基礎(chǔ)，即用高分辨率電子束及刻蝕的方法將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)制在膜上，然后將其精確地大面積復(fù)制到聚合物乳膠薄膜上，經(jīng)處理后得到各種功能的集成，這種復(fù)制方法簡(jiǎn)單、應(yīng)用面廣、可選擇性強(qiáng)。例如，科學(xué)家已經(jīng)用納米印刷技術(shù)，復(fù)制了6納米線寬的納米結(jié)構(gòu)，而且已經(jīng)將它成功地應(yīng)用于納米電子學(xué)、納米光學(xué)和納米磁學(xué)等若干領(lǐng)域。
特別是，某些聚合物與生物體的兼容性好，用軟刻蝕技術(shù)可以發(fā)展多功能生物器件，陳勇博士與他的博士生一起，已經(jīng)用以聚二甲基硅氧烷(PDMS)為基本材料的軟光刻技術(shù)，做成高集成度的微流體芯片，實(shí)現(xiàn)了稀有細(xì)胞的篩選�！拔⒘黧w芯片既簡(jiǎn)單又便宜，將可以用來(lái)做單細(xì)胞操作、蛋白質(zhì)結(jié)晶等，可以完成從藥品檢測(cè)到遺傳分析等各種工作�！�
“除此之外，微接觸印刷技術(shù)能夠進(jìn)行單分子層的自組裝(self-assembling)，具有了自上至下(光刻)和自下至上(分子排列)兩種技術(shù)相結(jié)合的特點(diǎn)，前景頗為看好�！弊韵轮辽闲录夹g(shù)新事新辦上述的各種方法，有一個(gè)共同的特點(diǎn)，它們均從較大規(guī)模的模式開(kāi)始，然后縮小橫向距離，刻出納米結(jié)構(gòu)。對(duì)制造納米結(jié)構(gòu)、微器件及芯片集成，這種方法是必須的。但是，它們不能方便、廉價(jià)、迅速地制造出分子水平的納米結(jié)構(gòu)，于是便出現(xiàn)了“自下而上”的方法研究。這種方法從單個(gè)原子或分子開(kāi)始，用化學(xué)合成和物理的方法，制作具有特殊功能的大分子、超大分子團(tuán)或表面結(jié)構(gòu)等納米結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于化學(xué)、物理、生物、微電子等諸多方面。1990年，IBM的科學(xué)家曾經(jīng)用隧道掃描顯微鏡，在超真空及液氦溫度(4.2K)條件下，將吸附在鎳表面的氙原子，一個(gè)個(gè)地拖曳排列成“IBM”三個(gè)字母，引起了世人的矚目，這是人類(lèi)首次對(duì)原子進(jìn)行操作，也是“自下至上”納米制造研究的一個(gè)開(kāi)端。但是，用原子操作做出具有特殊功能特性的納米結(jié)構(gòu)，往往需要在極限條件下進(jìn)行，而且花費(fèi)時(shí)間很長(zhǎng)，研究人員尚未能夠確定這種技術(shù)的最佳應(yīng)用開(kāi)發(fā)價(jià)值。一是用化學(xué)合成組成大分子，然后將它們?cè)俳M裝到固體上去，如：化學(xué)合成法組成的冠狀分子、齒狀聚合物、納米碳管等具有特殊功能的納米結(jié)構(gòu)。這些大分子可以用自組裝的方式鑲嵌到納米線路或固體結(jié)構(gòu)中去，由此引出納米電子學(xué)所需要的一些特殊結(jié)構(gòu)和各種特性的固體復(fù)合材料。
另一類(lèi)是用物理、化學(xué)或生物的方法制作均勻性很好、有特殊功能的納米顆粒或系統(tǒng)，如：用原子、分子束外延方法生長(zhǎng)的半導(dǎo)體量子點(diǎn)陣，這種點(diǎn)陣在光電子學(xué)有極大的應(yīng)用。用其它方法制作的半導(dǎo)體納米晶體材料，在生物學(xué)成像技術(shù)中具有極高的應(yīng)用價(jià)值。此外，納米磁性粒子不僅在醫(yī)學(xué)診斷和治療上有很廣泛的用途，而且很有可能應(yīng)用于高密度存儲(chǔ)。對(duì)這些納米顆粒的表面進(jìn)行特殊的化學(xué)、生物包裝，可以達(dá)到特殊的功能，如：尋找病源靶點(diǎn)、進(jìn)行藥物釋放。
記者注意到，去年12月底在美國(guó)波士頓舉辦的“材料研究學(xué)會(huì)”年會(huì)上，有一份研究報(bào)告表明，生物學(xué)成為了納米技術(shù)的突破口，將使傳感器、醫(yī)療診斷方法和電子器件產(chǎn)生革命性的變化。因?yàn)�，各�?lèi)生物體都擁有大量的納米作用機(jī)制，如：DNA的信息存儲(chǔ)、蛋白質(zhì)的捕捉陽(yáng)光、細(xì)胞分裂期DNA的復(fù)制，等等。
中國(guó)的納米制造需在“新”字上做文章
在納米制造技術(shù)領(lǐng)域，目前國(guó)際上研究有兩大熱點(diǎn)：微流體芯片和微機(jī)械元件研究。
“用硅材料做成的微機(jī)械，如微加速度計(jì)、氣體傳感器、高速打印噴頭、磁記錄頭等，在汽車(chē)、航空航天、計(jì)算機(jī)工業(yè)等領(lǐng)域已經(jīng)得到了很大的應(yīng)用，還將有更大的發(fā)展。廣泛意義上的微機(jī)械，雖然不能很簡(jiǎn)單地歸納到納米技術(shù)中，但是它是在半導(dǎo)體工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新領(lǐng)域，在納米科技領(lǐng)域還有很大的發(fā)展空間。”
“當(dāng)前納米技術(shù)的難點(diǎn)在于對(duì)納米物體的整合和集成，它需要自上而下、自下而上的全方位努力，需要多學(xué)科的緊密結(jié)合，基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)的平行發(fā)展和相互促進(jìn)。中國(guó)的科研指導(dǎo)可以在這方面多下一點(diǎn)工夫�！标惒┦空\(chéng)懇地說(shuō)。
“由于時(shí)興不久，在自下至上和非傳統(tǒng)的納米制造技術(shù)研究方面，國(guó)際上仍然處于開(kāi)放狀態(tài)，各種新的思想和方法、成果均很易于被接受、看好，因此政府在這方面可以宏觀指導(dǎo)為主，通過(guò)指導(dǎo)國(guó)家級(jí)的納米科技中心(或技術(shù)平臺(tái))，以制造功能性的納米材料、納米器件為主要研究?jī)?nèi)容，將基礎(chǔ)研究與開(kāi)發(fā)應(yīng)用結(jié)合在一起。在實(shí)施過(guò)程中，可根據(jù)國(guó)情，放眼未來(lái)，并參與國(guó)外現(xiàn)有的計(jì)劃和技術(shù)指標(biāo)，制定一些具有指導(dǎo)意義的研究項(xiàng)目，通過(guò)招標(biāo)的形式，引導(dǎo)研究方法的正確發(fā)展。此外，政府可以積極支持與納米制造技術(shù)相關(guān)的高科技產(chǎn)業(yè)的開(kāi)發(fā)，促進(jìn)科研成果的迅速轉(zhuǎn)化�！�
對(duì)于傳統(tǒng)的納米制造工藝的研究和開(kāi)發(fā)，特別是極限紫外線光刻研究，由于投資巨大，中國(guó)不一定要全面開(kāi)“花”，“但必須要有所研究，在某些點(diǎn)上有所建樹(shù)，這樣才不會(huì)將失去創(chuàng)新的機(jī)遇，不至于永遠(yuǎn)跟在別人后面走，受制于人�！�
微流體芯片
微流體芯片，又被稱(chēng)為“芯片上的實(shí)驗(yàn)室”，是用半導(dǎo)體集成技術(shù)制作的新型固體元件，它能夠?qū)ξ⒘苛黧w(包括液體和氣體)進(jìn)行復(fù)雜、精確的操作(混合和分離微量流體、化學(xué)反應(yīng)、微量分析等等)。在這種芯片上加上微泵、微閘，就可以很容易地對(duì)生物細(xì)胞、溶劑、藥物等進(jìn)行各種生物化學(xué)研究，也可以用它進(jìn)行納米粒子、分子結(jié)構(gòu)的研究；由于它體積小、可調(diào)控參數(shù)多、調(diào)控精確度高、自動(dòng)化程度高、可以集成和大量生產(chǎn)，在納米科技研究和發(fā)展上有著很好的前景�？梢哉f(shuō)，微流體芯片是自上而下和自下而上研究的一個(gè)自然的結(jié)合點(diǎn)，也是物理、化學(xué)、生物、微電子學(xué)等學(xué)科交叉性極強(qiáng)的研究領(lǐng)域。
目前微流體研究的主要方向是進(jìn)行生物化學(xué)分析的研究，比如：稀有細(xì)胞的篩選、信息核糖核酸的提取和純化、基因測(cè)序、單細(xì)胞分析、蛋白質(zhì)結(jié)晶、藥物檢測(cè)等。事實(shí)上，去年以來(lái)，美國(guó)和歐洲已經(jīng)出現(xiàn)了一批以生產(chǎn)微流體芯片為主的高科技企業(yè)，也有國(guó)際大型制藥公司大量地購(gòu)買(mǎi)了這種芯片以替代傳統(tǒng)的大型生物、化學(xué)分析儀器的工作，用來(lái)開(kāi)展新藥研制。
在科技、經(jīng)濟(jì)實(shí)力雄厚的美國(guó)，科學(xué)家已經(jīng)用微流體芯片技術(shù)研制成新型微型飛機(jī)。(記者 李紅)
