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微機電系統與奈米科技

93/06/08 瀏覽次數 12392
下一波產業革命的原動力

微機電系統(micro electro mechanical systems, MEMS)的組成包括:微感測器、微驅動器、及控制電路,其技術與應用涵蓋了工程、科學和醫學領域。此技術在一九六○年代開始萌芽,至一九九○年代初期已廣受歐、美、日等先進國家的關注。先進國家發展微機電系統技術的成果,包括拓展科學知識、創新工程技術、乃至於建立全新的產業。微機電系統應用廣泛,遍及工業生產、國防工業、農林及水產、環保工安、太空及航空、資訊通訊電子、生醫保健等產業。

世界各國均已積極投入微機電系統的研發,其中美國創投業者在二○○○年已對微機電產業投入5.4億美元,二○○一年第一季再投資5.1億美元;歐盟有一跨國性整合計畫,包含一百二十個實驗室、三百五十家公司與每年十二億美元的研發經費;日本則由通產省推動國家型科技計畫,研發微機電系統;我國微電子產業已發展出完整的設計、製程、封裝和測試分工體系,產值僅次於美、日、韓,居世界第四,資訊產業則已形成產業聚落,產值僅次於美、日,居世界第三。民國八十六年我國一千大製造業統計資料顯示,電子、資訊及通訊業產值占一千大製造業總產值的35.6%,至於機械、運輸工具及其零件業則僅占9.7%。有鑑於我國在微電子和資訊產業中所占有的世界性優勢,再結合已有深厚基礎的機械技術和新興的生物科技,微機電勢必成為我國繼微電子產業及資訊業之後,最具國際競爭力的新興產業。

奈米科技是運用奈米尺寸特有的現象,將研發重點同時聚焦在材料和系統上,由於其結構和組成展現出全新的物理、化學、生物……等特性,所以奈米材料與奈米結構是奈米科技發展的核心。未來奈米科技的大幅創新研發,會對每一類產業產生巨大的衝擊,先進國家均已投下巨資,將奈米科技列為最優先的研發領域。

諾貝爾獎得主史摩利(Richard Smalley)教授於一九九九年六月二十二日在美國參議院奈米科技聽證會上強調:「奈米科技對人類未來健康及生活福祉的貢獻,絕對不亞於本世紀微電子產品、醫學影像、電腦輔助工程、人造高分子材料……等的總合貢獻。」Zyvex公司的首席研究員默克(Ralph Merkle)博士在聽證會上也作證說明:「奈米科技將完全取代目前所有生產製程,而開發出更新穎、更精準、更價廉、更具彈性的產品製造技術。」美國國際商業機器(IBM)公司首席科學家阿姆斯壯(John Armstrong)說:「正像二十世紀七○年代微電子技術產生了資訊革命一樣,奈米科學技術將成為下一世紀IT(information technology)時代的核心。」

美國聯邦政府在二○○○年與二○○一年相繼投入二億七千萬美元與四億九千五百萬美元經費,致力於奈米技術研發,各州政府及產業界所投入的經費亦不在話下。日本經濟產業省每年投入的研發經費是六千萬美元,德國教育及研究部每年投入五千萬美元在奈米工程的研發上,並在一九九八年建立六個競爭中心,加速奈米科技的發展。

其他的例子如:新加坡在一九九五年開始有國家級的研發計畫;澳洲國家研究會大力提倡奈米技術的研究與發展,澳洲的大學及工業界有很多相關的計畫在進行;韓國自一九九五年起就將奈米技術視為國家的發展重點,同時奈米級的半導體設備特別研究中心也在建立中;中國大陸剛完成了十年的奈米科技大躍進計畫,同時規劃了一些主要的研究活動,並提出了一些有意義的研究結果,如先進材料的研究、奈米微探針的研究和奈米微管的製程研究;俄羅斯已經建立掃瞄式探針顯微鏡和奈米科技中心,且在奈米構造材料與奈米晶體結構的製程上有很大的進展。

研發體系

我國微機電與奈米技術的研發體系可分為:基礎研究、應用研究、技術研發、與商品化四個層級,其中基礎研究的目的,在了解微米與奈米世界的基本學理;應用研究是從事系統與元件的設計、製造、與量測方法的研發;技術發展則著眼在產品原型與量產技術的開發,以求順利導入產業界進行產品製造達到商品化的目的。

主要的研發資源來自在國科會、經濟部、教育部、與中央研究院等政府研發機構及產業界。中央研究院致力於微機電與奈米科技的基礎研究;國科會直屬的各研發單位及各大學校院,則進行基礎與應用性研究;執行經濟部科專計畫的工研院,其下設有共通實驗室,並與企業合作推動微機電技術應用計畫;中科院也投入微機電應用技術的研發;產業界則致力於商品化的技術發展。一九九九年投入的總經費是新臺幣六億四千萬元,進行的國家型計畫有:微型元件、微型光電系統、微流體系統、微型生醫元件與系統、微型射頻及微波元件等。

目前臺灣發展微機電系統有以下兩方面的優勢。第一:臺灣具有完整的半導體產業鏈,從設計、製程、測試、到封裝等技術相當成熟,可利用半導體現有設備生產微機電元件,當產量達一定程度時,將面臨降低成本的壓力,此時半導體製程良率與技術的優勢將可顯現;第二:微機電的競爭優勢關鍵在於專利的保障,少量多樣的特性有利於臺灣在這一領域的發展。

奈米材料與奈米結構是奈米科技發展的核心部分,其發展歷程大致可分成三個階段:一九九○年以前是第一階段,這一階段的重點是材料的製備與研究,包括:奈米粉末、奈米薄膜、奈米晶粒或奈米相組成的塊體材料的製造,以及這類奈米材料不同於塊體材料的特性檢測評估。

一九九○至一九九四年間是第二階段,這一期間主要在利用其奇特的物理、化學、和力學性質,製備奈米複合材料,包括:奈米微粒與奈米微粒(0維-0維)複合、奈米微粒與塊體(0維-3維)複合、及奈米微粒與薄膜(0維-2維)複合等材料的製造。
一九九四年之後是第三階段,這時的研發重點放在奈米結構組裝系統的開發,利用奈米微粒、奈米線、奈米管或微孔為基本單位組合成一維、二維、或三維的奈米結構,以及奈米尺度探測與操控技術的研發。

材料科技是二十一世紀產業發展的原動力,而奈米科技為材料創新提供了一個新的途徑,這些新材料不僅更輕、更強、更具彈性,且材料本身又具有高靈敏度、多功能、智慧化等特性。除了量子效應和表面效應外,由下而上的組裝觀念,更顛覆了習知的由上而下的的材料製造方式。在奈米科技發展過程中,應充分運用物質本身自組化的特性,以發展出奈米結構組裝系統,完成以往經由儀器設備和精密的製程操控無法辦到的精細結構。以奈米顆粒、奈米管、奈米線……等為基本元件,以構成一維、二維、和三維且具有獨特介觀性質(介於巨觀與微觀之間)的奈米結構系統,這些應用將為產業帶來便宜又可量產的新材料與新產品。

微機電產品商業化的瓶頸

微機電產業發展所面臨的瓶頸,主要來自於其產品少量多樣化的特性,以及特殊的製程加工技術,概略可分為四個方面:

應用面太廣反而使得投資標的不明確:微機電自一九九○年代初期廣受歐、美、日等先進國家關注以來,雖經國內外各界廣泛地研究探討,其應用涵蓋工業生產、國防工業、農林及水產、環保工安、太空及航空、資訊通訊電子、生醫保健等領域。然對於產業界而言,尚屬新興的微機電產業,一開始即面臨如此廣泛的應用面,如何慎選具競爭力的切入點,使得產業界猶豫不決。欲克服此一瓶頸,有賴技術面與應用面的連結,好的市場調查與諮詢機制將有助於正確產業發展策略的擬定。換言之,利用領域知識為基礎,迅速與產業面的應用結合,實為推動微機電產業快速成熟,及早切入全球市場的重要途徑。

對於如何投入這項產業的相關知識不足:目前產業界對微機電技術的認識普遍不足,更甚者,許多業者並不相信微機電技術可大幅提升其產品的競爭力。即使相信,也因為對此項技術感到陌生而不敢輕易嘗試,有意嘗試的,也因為採用微機電技術所真正需要的投資金額不甚明瞭而裹足不前。欲克服此一瓶頸,有賴技術轉移機制的建立,特別是在設計規範與模擬分析上的服務,使業者充分了解技術門檻與投資門檻。

少量多樣的產品需求特色與產業界的生產環境不相容:我們了解半導體最主要的應用是龐大的資訊科技產業,但微機電系統到目前為止尚無一大量需求的產業應用做支撐,即所謂「殺手級的應用」,因此產品需求仍屬少量多樣,亦無標準化的製程或介面,以致成本偏高,無法吸引業者的投入。欲克服此一瓶頸,有賴微機電系統的模組化與介面的標準化,方可降低生產成本,吸引業者的投入。除此之外,微機電系統的封裝技術與應用,極具多樣性,因此如何善用我國完整的半導體封裝產業聚落,進而降低成本,實為一值得深入探討的問題。

缺乏經濟有效率的生產設備:目前的微機電產業型態多屬中小型公司,開發市場規模小但單價高的產品,對中小型公司較有利。對新創的中小型公司而言,由於受限於有限的資本,若要獨立建置製程設備,這種投資風險太大,故應朝產品設計與整合方面發展較為有利,然而公司若無製程設備,則無法驗證其設計理念與進行試量產,進而影響到產品推出的時間與商機。欲克服此一瓶頸,有賴發展彈性化製造,或小量生產的設備及代工服務,以提供一驗證設計理念與進行試量產的環境。

根據以上的分析來看,我國在發展微機電領域時,藉由鼓勵微機電代工廠的設立,完成知識供應鏈一條鞭的架構,以降低進入微機電領域門檻的做法,實為一正確的途徑。

突破瓶頸之道

綜合前述產業化過程中所面臨的瓶頸,在整個大環境的基礎建設方面,需包括以下幾個部分,方可克盡全功:
  1. 元件與系統製程實驗室:具備彈性化製造或小量生產的設備及代工服務,以提供一驗證設計理念與進行試量產的環境。
  2. 互補式金氧半導體(CMOS)與微機電的整合環境:需具備整合微機電與相關介面電路的製程技術與設備能力。我國在半導體產業上,從IC設計、製程、封裝、到產品測試,已建立完整的產業分工體系,若能成功地整合微機電與CMOS製程,將會是我國最具國際競爭力的產業。
  3. 封裝與系統整合:微機電的封裝乃是一大挑戰,其所花費的成本約占整個研發成本的70%至80%左右,所耗費的研發時間也最長,因此系統的模組化與介面的標準化,乃是產業化成功與否的關鍵。
  4. 微機電設計與服務中心:微機電元件設計必須和複雜的製程分開,以加速產品開發,更先進的整合方案也才會持續進行而不增加時間及成本。
  5. 方便的國際資訊蒐集與市場調查資訊管道:微機電的應用非常廣泛,各種領域上新的應用,如雨後春筍般地推出,因此,方便的國際資訊蒐集與市場調查資訊管道,及相關的諮詢機制,有助於產業界建立正確的發展策略。
  6. 人才培育:微機電系統的技術與應用,涵蓋工程、科學和醫學領域,需要跨領域、跨學門的專業人才投入,而這正是目前產業界最欠缺的。
  7. 定期的專題討論或研討會:提供國內外最新的技術與產業發展資訊交流平臺。

奈米國家型科技計畫

我國政府整合跨部會資源所推動的「奈米國家型科技計畫」,目前在吳茂昆所長的領導下,以學術卓越研究、產業化技術、人才培育、核心設施建置與分享等四項計畫來進行推動。並針對民生化工、金屬機電及電子資訊等領域,制定「旗艦型計畫」以串聯基礎研究、應用研究、技術研發和產品製造等研發分工體系,希望能使我國成為奈米科技創新研發和高附加價值製造中心。奈米國家型計畫辦公室也擬定了奈米技術產業化的目標,希望到二○○八年,我國奈米技術相關產業產值可達三千億元,投入研發的廠商達八百家以上,掌握產品的原創智慧財產權比率達25%,預計至二○一二年,產值將可飆升至一兆元,投入廠家達一千五百家以上,並希望能掌握產品的原創智慧財產權比率達60%。

目前我國奈米國家型科技計畫中,學術卓越研究的主題包括:奈米結構物理、化學及生物特性的基礎研究、奈米材料的合成、模擬及預測研究、奈米尺度探測與操控技術研發、微/奈米尖端機械技術發展及奈米生物技術以及特定功能的奈米元件、連線、介面、系統的設計與製造。在產業化技術的研發資源分配上,有20%投入短期內可立即應用的商業化技術,60%投入五年內會對我國產業競爭力,具策略性影響的技術,剩下的20%則投入十年後才會衍生應用的長程研究,藉由產業界、學術界、和國際尖端研究團隊的合作研發,為未來的產業競爭奠定基礎。

附錄:名詞解釋

奈米科技 nano是希臘字「侏儒」的意思,這個字根與任何計量或計時單位合用時,即為十億分之一該單位的意思,這裡所講的奈米也就是十億分之一米的長度,略記為nm。「奈」是由「nano」的英文音譯而來,大陸則譯成「納米」。一奈米差不多是十個氫原子並肩排在一起的長度,十奈米大約是人類頭髮直徑的千分之一,而目前最先進的積體電路最窄線寬約為一百奈米。所謂的奈米科技,就是在奈米尺度下操控物質,以及製作、了解與使用具奈米結構的材料、元件及系統。這裡的奈米尺度,一般是以1?100奈米為範圍,當物質的結構尺寸小到奈米尺度時,其物理、化學及生物性質可能會與該物質在較大結構尺寸時大相逕庭。例如,物質的起始燒結溫度與熔點可能大幅下降、反應性與觸媒特性可能大幅提升、不導電且易脆的陶瓷材料可能變得既導電又具延展性、導電金屬的導電度可能下降、油溶性的藥物可能變得水溶性、不透明的材料可能變得透明、半導體光電材料的吸光波長會往短波長偏移等。這些性質的改變,非由化學組成改變所致,純粹是由物質結構尺寸的縮小所造成的。再加上由於元件與系統的奈米化,產品的體積微縮與功能提升將可輕易達成。由此可以想像,由奈米科技製作出來的產品,其行為表現將顛覆世人的傳統認知,這將是一個嶄新的世界。

當物質奈米化時之所以會有性質的改變,大體上是由於兩個因物質尺寸微縮而產生的效應–表面效應與體積效應所導致的。物質的表面原子,因所接觸的外在環境不同於內部原子,其性質理當不同於內部原子。當物質結構尺寸大時,排列在表面上的原子數目占所有組成原子的極微比例,因此物質的特性由內部原子主宰。但是,當物質結構尺寸小到奈米尺度時,表面原子所占的比例增加到不可忽略的程度,此時物質的特性自然逐漸偏離人們所熟悉的大尺度性質。以一個粒徑為10奈米的球形粒子為例,其表面原子約占全部組成原子的百分之二十。當物質結構尺寸大時,其所含原子數可視為無窮,因此其總體電子能階形成一連續帶狀。當物質結構尺寸小至奈米尺度時,原子數大幅減少,其總體電子能階不再是連續帶狀,而是不連續跳躍式分布。這種電子能階間隙隨結構尺寸大小而有些許改變的現象,造成物質某些性質,特別是光電性質,隨物質結構尺寸大小而變,是為量子效應。

微機電系統(MEMS)科技 近半個世紀以來,微電子從粗糙的單一電晶體到集有數百萬顆電晶體的微電腦晶片,人類已經享受到它所帶給我們無窮的方便與樂趣。如今,微電子產品幾乎無孔不入地影響到生活的每一個面向,而這不過是把電子這一部分縮小而已。試想,若也能同樣把機械與光學部分縮小,是否會為我們的生活帶來另一波的衝擊?從另一個角度來看,若把微電腦比同腦部,我們是否仍欠缺感受與發出各類信息的眼、耳、鼻、舌與四肢?微機電系統的科技就是這種能縮小機械、光學,且能感受聲、光、電、磁、味、冷、熱以及運動的系統科技,將是二十一世紀重要的產業科技,是智慧型高單價的產業技術。 微機械製造(micromachining)技術是利用半導體製程來製造微小的懸臂梁、薄板、齒輪、閥門等機械元件,這些元件的尺寸甚至可小於微米(百萬分之一公尺)。因此可用來製造出和頭髮直徑一般大小的馬達。在一九六○年代中期,利用半導體製程製造機械結構在矽晶片上的概念提出後,吸引了許多人投入研究。到了一九七○年代中期,成功地開發出利用該技術製造結合機械和電子元件的半導體感測器。一九八○年後,相關的研究,如雨後春筍般地提出,而研究內容也不侷限於感測器,還包含一些複雜的機構與元件,如幫浦、閥門、齒輪、馬達、夾子等。一門新的研究領域稱為微機電系統(microelectromechanical system, MEMS),歐洲則普遍稱之為微系統技術(microsystems technology,或簡稱MST)因而成立。由於這項技術的逐漸成熟以及應用的範圍逐漸擴大,研究人員已將目標訂在發展一個完整的微型系統,系統包含感測、致動、訊號處理、控制等多項功能,例如微型機器人和微型硬碟機。

MEMS技術具有下列優點:(1)可將機械結構和電子線路整合,(2)可批量製造(batch fabrication)使成品造價降低且品質均一,(3)縮小成品尺寸但增高精度。因此,MEMS技術可用來製造許多低成本的感測器和致動器,目前應用MEMS技術生產的商業產品有:壓力計、加速計、生化感測器、噴墨印表機噴頭,及諸多可丟棄式醫療用品等。由於MEMS技術除了本身具有多方面的應用外,也關係未來多項關鍵工業的發展,如國防、生物等科技,因此各先進國家皆投入大批人力與財力進行研發。
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