『奈米技術』將是新產業革命
一、概論：
工研院董事長翁政義應邀於今年3月14日南下中山大學向學生們介紹奈米技術的應用層面，結果現場擠得水洩不通，可見其熱門程度。
我剛參加了3月6日到8日在日本幕張舉行的國際奈米技術綜合展(Nano Tech 2002)與研討會，對將稱霸21世紀的奈米技術有進一步了解，爰加以介紹，喚起大家的關心。
把夢想付諸實現的奈米技術正受到注目，在日本由2001年度開始的第二期科學技術基本計劃裏，把奈米技術與環境、生物科技等同列為四大重點之一。美國與日本每年均投入五億美元之研究發展預算於此領域，因為奈米技術會帶來產業與生活上之一大變革，稱之為〝新產業革命〞並不為過。
奈米是NANO METER的譯音，NANO(奈)代表十億分之一，一個奈米是一公尺的十億分之一，1公尺與1奈米之比率相當於地球直徑與一個乒乓球直徑的比值般，1奈米亦相當於一根毛髮細度的十萬分之一。半導體所使用的LSI(積體電路)最細微製程約130奈米，一個奈米則為DNA等分子層次的大小而已，而一個原子與一個原子之間隔也只有三分之一奈米而已(詳圖一)。
所謂的奈米科技指的是在奈米尺寸等級的微小世界裏操作、控制物質，以便展現新的機能與優越特性的技術之總稱。影響層面遍及生物科技、醫療生命科學、資訊技術(IT)及電子科技、環境、能源、化學、工程材料、精密機械與計測技術等，實為不可等閒視之的產 業大革命。
(1) TOP DOWN型與BOTTOM UP型：
奈米科技分為由上往下的TOP DOWN型與由下往上之BOTTOM UP型兩種。TOP DOWN型乃將大的均質材料加工進行細微的集積化，與此相對的BOTTOM UP型則為集原子或分子等奈米尺寸之〝零件〞而組成一個可運用之機件或裝置。
TOP DOWN型在半導體或紀錄媒體的領域裏已有所進展，目前最進步的尺寸為0.1微米(即100奈米)。所謂BOTTOM UP型，乃 是以原子、分子及細胞等為構件之單位，藉由加工、組合以製作奈米尺寸之元件或裝置。TOP DOWN型與BOTTOM UP型之領域大小(SCALE)，以長度而言有100倍、面積而言有10,000倍，體積來說則有100萬倍之差距。
除上述兩者懸殊差距之外，TOP DOWN型在達到0.1微米以下之層次時，將在精密加工上出現瓶頸，問題叢生，只靠TOP DOWN型要打開奈米科技之大門，可謂難上加難。因此有關分子的觀測與分子的控制等BOTTOM UP型的研究備受重視。
具體而言，要以Nano材料作為最適當的分子之設計、開發為指針，進以開發出新的電腦或電子用之Nano Device(奈米級裝置)、Nano Memory(奈米級記憶體)以及在生物科技上可應用之材料為其目標。
從上述可看出奈米科技及材料將直接影響到工業製品之未來國際競爭力，因此，先進國家不惜重資於十年前即進行研發。
(2) 市場預估：
到底奈米科技會帶來什麼？日本經濟團體連合會(簡稱〝經團連〞)在2001年3月提出的報告書『奈米科技將創造的未來社會(n-plan 21)』中，以5到10年後及10到20年後等二階段方式，分析與奈米科技關聯之重點投資領域。
5到10年為製程50奈米層次之下一世代半導體，一兆bites級之磁氣貯存(硬碟)光碟，每秒4兆級之大容量傳送之photonic導波裝置等之開發，而10到20年後之目標則有bio-chip(生物晶片)、Nano加工等。Nano科技將藉此替未來市場打開〝一片天〞。
根據經團連的市場預測，以IT、電子業、材料(Process Material)等為中心，2005年奈米科技之市場規模可達日幣2兆4,000億日圓，2010年更高達日幣27兆3,000億日圓(約新台幣9兆元) (如圖二)。
圖二、奈米科技市場之擴大
單位：億日圓
日刊工業新聞在2001年6月下旬就主要企業為對象實施Nano科技研發調查時，接近半數(42.8%)的公司回答「已開始研究」(有效回答194家公司中之83家公司)。可見奈米科技在日本已有部份進入實用化、產業化，成為日本製造業競爭力之基盤，也是未來創造利潤的利器。
二、在資訊(IT)及電子科技方面：
台灣在2002年3月間熱烈地討論有關開放八吋晶圓廠赴大陸設廠問題。八吋晶圓廠開放登陸議題錯綜複雜，涵蓋政治、經濟與社會層面，不過換一個角度來看，如果我們不急著技術升級而死守八吋晶圓，那麼還有多少好日子可以過呢？
答案是五年左右，屆時奈米技術就會取代八吋晶圓。如今台灣的八吋晶圓，其製程技術水準在0.15微米到0.25微米之間(換算為奈米相當於150奈米到250奈米)，而根據日本日立綜合計劃研究所主任研究員小林直哉所著〝奈米技術〞一書的資料(P.35)，半導體積體電路在2005年要升級到100奈米製程技術水準時，會碰到所謂的〝Red Brick Wall〞的瓶頸而無法解決，不過如果採用奈米技術則可加以突破。而預計2005年時，奈米技術在IT及電子產業中將有27%的市場佔有率，到2010年時更高達50%以上。
到底奈米技術是何方神聖，能顯此神通？目前量產的半導體積體電路採用的微影技術方法(Lithograpy)乃以ArF為雷射光源，其波長為193奈米，使用光源波長愈短，其集積度愈高，但要做100奈米製程則已無相當之雷射光源可用。其解決方法只有採用新的光源，而波長只有13奈米的超紫外線(EUV)光將可擔此重任，成為新的半導體微影技術的救星(詳圖三)。
日本已在推動所謂的〝ASUKA計劃〞，將於2005年左右達成100奈米到70奈米製程技術之實用化，促成超低電力消耗(約為目前之一百萬分之一)微處理器及超大容量記憶體之問世。目前日本NTT及NEC均已完成10奈米加工技術之建立。
圖三、Lithograpy技術之變遷
由早稻田大學理工學院大泊巖教授領導的研究團隊，已成功地確立能夠將原子一個個正確地注入的新技術。要讓半導體發生Device(裝置)之機能，必須在半導體內注入不純物之原子，但如果半導體構造物的尺寸小於0.1微米以下時，原子數與位置之搖晃會讓其特性不穩定而成為〝不良品〞。
為了解決此問題，大泊教授開發了單離子注入法(SII)，將原子離子化，一個一個的注入必要的數目，可命中僅有毛髮直徑之一千分之一(約50奈米)之微小目標。(2001年8月30日，日刊工業新聞)
三、奈米碳管(CNT)等新材料之問世：
CNT為奈米碳管CARBON NANO TUBE之簡稱，它是碳原子以筒狀排列之物質，直徑只有0.5到10奈米，於1991年由NEC的飯島澄男主席研究員所發現。奈米碳管具有高強度、導電性、電子放出能、吸收氫氣等氣體，也可貯存氫氣，可多方面應用於能源、IT、生物科技、醫療等。
CNT的量產技術已由日本的東麗(TORAY)公司建立，採用觸煤氣相成長法(CCVD)中的複層DWNT法可大量生產。東麗公司將在2002年內將建立製造條件最適化之設備，並於兩年內量產，利用其吸收及貯存氫氣之特性，將CNT應用於燃料電池之日應已不遠。(2002年3月7日，化學工業日報)
日本名古屋大學尖端技術共同研究中心之福田敏男教授等人，則發展出具有15種自由度的奈米級機器人，可在電子顯微鏡下將CNT加以彎曲或僅將其內側部分抽拔出來。此一技術對奈米級加工方法之開發有很大貢獻。(2002年2月26日，日刊工業新聞)
佐賀大學理工學院則發展出由希土類氧化物構成之奈米管(NANO TUBE)，合成的管子為長度數百公尺、外徑6奈米、內徑3奈米之單層型。希土類元素有特異的磁性、光學、化學等性質，此新材料之遠景看好。(2002年2月25日，日刊工業新聞)
四、奈米科技對產業之衝擊：
有關奈米科技對產業之衝擊，在IT及半導體產業方面，已如前述。至於對其它產業之影響，則分三部份分析如下。
(1) 材料、製法技術：
我們已知道當結晶的粒度減小為十分之一時，其強度可提高三倍。奈米層級之多層膜(厚度數奈米)可讓材料之耐蝕性增加十倍，對多層被覆膜而言，只要將膜層降為十分之一左右之厚度，其硬度會提升2到3倍之多。不容易生銹，且具高強度之金屬材料之開發已指〝年〞可待。(以下表綜合述之)
(2) 環保、能源問題：
(3) 生物科技方面：
前述早稻田大學的大泊研究室也正致力於〝分子認識系統〞之研究，若能採用奈米構造物，成功地把蛋白質加以精密分離並識別的話，就可實現對人體沒有負擔、可隨時從排泄物立即驗出血液成分的感應器(Sensor)。如裝在牙刷上，將可監視健康狀態。
所謂的Tailored Made(因人而異，如〝量身訂製之衣服〞)的醫療也可望實現。採用DNA晶片的遺傳基因診斷，還有以對遺傳基因有關之疾病具特殊作用的物質為醫藥品的Genome時代也將來臨。
Drug Delivery System (DDS)指的是設計一種〝分子〞乘載物，將醫藥物質確實送到病變部位，而達到治療效果。東京女子醫科大學與東京理科大學已合作完成一種約40奈米大之〝乘載物〞(DDS)(稱為〝高分子Micell〞)，將抗癌劑以〝高分子Micell〞注射於老鼠，確認老鼠身上之癌細胞已消失，得到接近百分之百成功之實驗結果(詳如下表)。
五、結論：
綜觀上述，我們可概略瞭解奈米科技將會給產業與生活帶來怎樣的衝擊與影響，在這一波新產業革命中，台灣是否仍能屹立不搖，並將危機轉化為轉機，開創新的光明前途，端視政治領袖、企業界、學術界(產官學)能否體認其重要性而齊心迎頭趕上，全力加入開發研究的行列。2002.03.26