“離子束加工”引領(lǐng)微納制造產(chǎn)業(yè)下一波突破

 在一張頭發(fā)薄厚、米粒大小的透明塑料薄膜上雕刻出復(fù)雜的電路，對(duì)“離子束加工”是小菜一碟。北京埃德萬(wàn)斯公司，一家不到百人的小公司，不聲不響地持有這一前景無(wú)限、體現(xiàn)國(guó)家頂級(jí)加工能力的利器。

初冬，中關(guān)村環(huán)保園一間工廠里，幾十臺(tái)離子束刻蝕機(jī)、鍍膜機(jī)正在運(yùn)行。所謂離子束刻蝕，就是用電磁場(chǎng)剝離氬氣的電子，剩下的氬原子核被電場(chǎng)加速，沖向靶材料，逐個(gè)擊出靶件表面原子。

離子束是原子級(jí)的加工手段，無(wú)論刻蝕納米紋路、制造微納米薄膜，還是要絕對(duì)零件做表面拋光，都要用離子束?？梢哉f(shuō)它是終極精度的刻刀。埃德萬(wàn)斯的離子刻蝕機(jī)加工能力之強(qiáng)，位居世界前列，但價(jià)格不及國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)者的一半。

離子束設(shè)備曾被列入巴黎統(tǒng)籌委員會(huì)禁運(yùn)名單。1977年，為了制造更為精密的航天電子元件，錢學(xué)森提議在航天二院第23研究所設(shè)立“離子束技術(shù)、工藝及成套設(shè)備系統(tǒng)工程部”，由劉金聲研究員負(fù)責(zé)開發(fā)中國(guó)的離子束設(shè)備，并于1980年推出國(guó)內(nèi)第一套商用機(jī)。這套設(shè)備性能優(yōu)異，1987年被定為“取代進(jìn)口和供出口產(chǎn)品”，同年即遠(yuǎn)銷美國(guó)麻省大學(xué)。1990年獲得了國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

但此后，就是長(zhǎng)期沉寂，沒(méi)有人發(fā)掘它在航天電子元件制造之外的潛力。2001年，劉金聲創(chuàng)立了“北京埃德萬(wàn)斯離子束技術(shù)所”，不斷提升離子束設(shè)備性能。改進(jìn)后的離子束刻蝕機(jī)，功耗才兩百瓦，容易拆裝，可靠耐用。

直到近幾年，第三代半導(dǎo)體材料走入業(yè)界視野，離子束技術(shù)隨之受到重視。所謂第三代，指的是硅和砷化鎵之后，碳化硅、氮化鎵、氧化鋅、金剛石、氮化鋁等寬禁帶半導(dǎo)體材料，它們被期待成為微電子和光電子業(yè)的新引擎，但停留在實(shí)驗(yàn)室和初級(jí)商用階段，因?yàn)橹圃旃に嚿胁怀墒臁?/p>

例如氮化鋁薄膜，適用于壓電和介電元器件、高頻寬帶通信等。有了它，能敏銳感知溫度和壓力變化的傳感器會(huì)像肥皂泡一樣薄，但制備氮化鋁是個(gè)難題，世界頂級(jí)廠商設(shè)立了技術(shù)壁壘。

埃德萬(wàn)斯利用雙離子束，一束將鋁原子轟擊出來(lái)，一束輔助鋁原子沉積為薄膜，精確控制氮化鋁薄膜的晶體結(jié)構(gòu)生成，開辟出一條攻克難題的新路。

硅集成電路的制作是用化學(xué)反應(yīng)為主的微納加工手段，技術(shù)雖相對(duì)成熟，但在更多諸如金屬、合金、陶瓷、超導(dǎo)等非硅材料的加工中就無(wú)能為力了。

幾乎所有下一代聲、光、電、磁微型元件，都適合用離子束在微納米級(jí)的薄膜上雕刻?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室可以用離子束來(lái)輔助新材料生成。有趣的是，離子束刻蝕機(jī)甚至被一家考古實(shí)驗(yàn)室買去，用來(lái)精確無(wú)損地清掃古代的骨頭標(biāo)本，進(jìn)而精準(zhǔn)測(cè)量碳14含量。

埃德萬(wàn)斯公司負(fù)責(zé)人表示：隨著新材料涌現(xiàn)，離子束技術(shù)作為非硅微納加工的理想工藝，將引領(lǐng)國(guó)內(nèi)微納制造產(chǎn)業(yè)的下一波突破，讓中國(guó)擁有核心科技。離子束工藝技術(shù)的每一項(xiàng)應(yīng)用分支都通向藍(lán)海，將助力中國(guó)躋身制造強(qiáng)國(guó)。