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奈米製造技術發展與產業應用
蔡玉琬 .2019/07/10
摘要 奈米製造(Nanomanufacturing)是指牽涉到奈米等級材料的生產,以及大規模商業生產的奈米零件,Frost & Sullivan認為,奈米製造具有大幅改變電子產品、汽車、健康照護與能源產業,以及環境的潛能,不過主要應用於半導體的晶片生產。下列將闡述受奈米製造的產業、相關技術發展與各地區在奈米製造的開發重點。

一、受影響的主要產業
(一) 消費性電子:全球電子設備致力於透過設計與開發各種零件,以改善資料處理速度、資料儲存能力、提高能源效率與降低成本。半導體產業為發展奈米材料技術的主要驅動力,主要應用包含奈米尺寸的電路、高密度儲存技術(high density data storage)、奈米墨水(nano ink)、軟性電子(flexible electronics)、單電子電晶體(single electron transistors)、生物奈米裝置(bionanodevices)、量子運算與分子電子(Molecular Electronics)。
(二) 健康照護:生物醫療與健康照護在奈米市場方面的應用相當多元,如奈米等級的藥品配送系統(drug delivery system)與奈米植入物(nano-implants),其他應用包含抗UV、成像、癌症治療、生物標記(Biomarker)、分子標記(molecular tagging)、骨頭生長(bone growth)、牙科陶瓷(dental ceramics)、熱治療(Hyperthermia Therapy)、磁振造影(MRI)顯影劑。
(三) 能源:透過奈米材料與奈米製造技術提高能源效率。有機鹵化金屬鈣鈦礦(organo-lead halide perovskite)與奈米碳管(Carbon nanotubes, CNT) 在太陽能板的應用已大幅降低其材料使用量。奈米製造在能源領域的相關應用亦包含:新一代核能、核融合、鋰電池、燃料電池。
(四) 環境:隨著奈米技術的問世,製造業有義務開發低成本且生態友善的流程與技術,奈米材料的採用讓製造業廠商得以開發新且革命性的產品,如強化觸媒,以及可用於化學與電子產業的雷射、光學與感測器的整合系統。相關應用包含:超熱傳導液體(Super Thermal Conductive Liquid)、功能性奈米成分(functional nanocomposite)、奈米顏料、奈米磷光劑(nanophosphors)與工業用觸媒。

二、奈米製造技術
(一) 掃描探針顯微術(Scanning Probe Lithography, SPL):掃描穿隧顯微術(Scanning Tunneling Microscopy, STM)為其中最早發展且相當常見的技術,最高影像解析程度可達到原子層級。不過由於SPL是利用探針移動獲取影像,以此獲取影像速度的方式較為緩慢,且低穿隧頻率侷限SPL技術在光照(photo mask)工具的應用。2014-2018年全球SPL專利數量分布為:美國占33%、中國22%、英國17%、世界智慧財產權組織(WIPO)占17%與希臘占11%。
(二) 軟微影技術(Soft Lithography):通常是利用彈性物(elastomers)、凝膠、有機單分子層(monolayer)來製作印章、模具與光照。此低成本的製造方式常用於製作3D列印的零件,如感測器、微觀流體(Microfluid)、微型反應器(Microreactor)。且微機電系統(microelectromechanical systems, MEMS)已大幅降低客製化3D列印奈米零件的成本。2014-2018年軟微影技術全球專利數量分布為:美國占67%、中國22%與日本的11%。
(三) 物理氣相沈積(Physical Vapor Deposition, PVD)與化學氣相沈積(chemical vapor deposition, CVD):是被用於開發鍍膜的技術。PVD應用包含開發太陽能板的薄膜、包裝用途的塑膠基材(PET)薄膜。CVD則是透過鍍膜讓材料一層膜以隔絕外界影響。2014-2018年全球CVD專利數量分布為:美國占58%、世界智慧財產權組織(WIPO)占19%、中國13%、歐洲專利局(EPO)占13%。
(四) 聚焦離子束微影法(Focused Ion Beam Lithography, FIBL):能利用離子束(ion beam)修復光照與調整裝置的高解析成像技術,並可用於製造亞微米(submicrometer)等級的產品,且越來越受半導體產業重視。
(五) 奈米壓印(Nanoimprint Lithography):為一種簡易的奈米製造流程,是將模具上的圖案轉印至軟性材質,以利圖案持續複製。主要應用在奈米光子學(Nanophotonics)、積體電路(IC)、智慧手機、醫療、資料儲存、顯示器、LED與太陽能。

三、各地區的奈米製造發展現況
(一) 美國:為首個成立專業機構的國家,於2000年成立國家奈米技術計畫(National Nanotechnology Initiative, NNI),著重於奈米技術研發與將奈米技術商業化,在2001-2014年間投入200億美元的資金,且為持續鼓勵研究開發,2019年獲得國家挹注的資金達14億美元,其中3,700萬美元專用於奈米製造研究。
在SPL發展方面主要著重於:石墨烯(graphene)結構的成影設備、利用平版印刷(lithographic technique)技術大量生產,以及光學零件的薄膜蝕刻技術。
(二) 中國:透過合作與提出新計畫與平台,以推動長期技術發展策略,如中國科學院與美國威科儀器(Veeco Instruments)合作,讓中國科學院可使用威科儀器的設備進行研究開發等合作方式,提升中國在全球奈米科技的地位,中國科學院2017年發布的奈米科技研究高達9,128篇。中國主要研究開發投入的領域為,能源、以及電池與儲能用的觸媒。
(三) 歐洲:德國、法國、英國、西班牙、荷蘭、芬蘭等國家皆已投入奈米科技。德國有歐洲空防及航太集團(EADS)、巴斯夫(BASF)、VARITA與西門子等超過750個企業投入奈米燃料(Nano-fuel)與奈米材料。法國、荷蘭與英國亦為主要發布研究成果的國家,估計政府部門投入於奈米材料與奈米醫療的資金,已超過2.5億美元。
3D奈米製造為新興市場,且利用3D列印大規模生產太空與汽車零組件正快速發展。歐洲的研究人員與學術機構則著重從生產2D奈米材料,進展至大量生產多功能電子儀器的3D奈米材料,以及提高度量衡(metrology)系統與儀器的量測速度與準確性。
資料來源 Frost & Sullivan