纳
深圳挤出机用螺杆组合米
光
刻
姓名：王 玉
班级：091611
学号: 016109091
摘要：随着纳米加工技术的发展，纳米结构器件必将成为未来集成电路的基础。纳米光刻技术是制作纳米结构的基础，具有重要的应用前景。文章介绍了几种极有潜力的纳米光刻技术，包括极电子束光刻、离子束光刻、X射线光刻、STM光刻、纳米压印光刻技术的新途径、发展现状和关键问题，最后讨论了纳米光刻技术的应用前景。 关键词：纳米技术 纳米光刻 纳米结构制作
引言
纳米科技是20世纪80年代末逐步发展起来的前沿交叉学科领域，它的发展大大拓展和深化了人们对客观世界的认识，并将带来新一轮的技术革命。纳米电子学、纳米材料、纳米机械共同组成了纳米高技术体，它的出现标志着高新技术进入了一个崭新的发展阶段。纳米结构制作是纳米器件研制的前提，成为研究微观量子世界的重要基础之一，纳米光刻技术已成为当前世界科学研究急需解决的问题。
一 电子束光刻
电子束光刻与传统意义的光刻(区域曝光)加工不同，是用束线刻蚀进行图形的加工。电子束光刻机的原理为： 电子束被电磁场聚焦成微细束照到电子抗蚀剂上， 由于电子束可以方便的由电磁场进行偏转扫描，复杂的图形可以直接写到感光胶上而无须使用掩膜板。与其他光刻技术相比，电子束光刻的优点非常明显： 首先， 电子束光刻分辨率高，可达0．1 u m，如直接进行刻蚀可达到几个纳米。用电子束加工制作出l～2nm的单电子器件已见诸报
导。其次，电子束光刻不需要掩膜板，非常灵活，很适合小批量，特殊期间的生产。目前， 电子束光刻主要用于制作光学光刻的掩膜。其发展方向是尽可能提高曝光速度， 以适应大批量生产，如采用变形电子束、高灵敏度的电子抗蚀剂、高发射度的阴极等。尽管电子束光刻机较光学光刻机昂贵，但它的突出优点仍吸引着许多厂商，NEC公司已准备投资20亿美元，建立用电子束加工的O．2 uⅢ生产线。研究者利用电子束光刻，在纳米结构加工及纳米器件制备方面取得了很多成果。Liu等利用电子柬光刻，获得了问距为10nm的纳米电极对，成品率达到了100％，但试图得到间距更小的电极对时，成品率大大降低； 另外，大量平面纳米器件，如量子电导原子开关、单电子晶体管、基于碳纳较容易的获得二维纳米结构，但是其设备昂贵，加工耗时，另外在三维结构及大面积(几十微米到几百微米量级)图形结构加工上难以实现。
二 离子束光刻
离子束光刻分为聚焦离子束曝光(FIB)、掩膜离子束光刻(MIB)和离子束溅射光刻(IBP)。离子束光刻利用离子源进行曝光。从八十年代开始出现的液态金属离子源，是离子束光刻的真正开端，其原理是通过加热使附在一根金，钨或钽的针尖端的镓或金硅合金熔化，在外
加电场作用下使液态金属表面产生场离子发射。其发射面积极小，可以较容易的利用离子光学系统将发射离子聚焦成微细离子束，进行高分辨率离子束曝光。聚焦离子束曝光与电子束曝光相比有一些突出的优点：1)邻近效应可忽略， 因离子比电子重的多。电子质量极轻，在抗蚀剂中的散射范围大，影响邻近电路形的曝光质量；2)感光胶对离子束的灵敏度要比电子束高数百倍。但聚焦离子束曝光也有一些弱点：1)分辨率比电子束低， 因为离子束中的离子能量分散，使聚焦受到限制：2)离子质量大，在光刻胶中的曝光深度较小，2O万伏的硅离子柬的曝光深度仅0．5微米，而2万伏能量的电子柬可曝光1微米以上。研究者利用聚焦离子束光刻方法制备出了大量表面纳米结构，J．Taniguch等用聚焦离子束系统(FIB)的离子束辅助刻蚀技术成功制备了单晶金刚石场发射针尖，聚焦离子束辅助刻蚀技术对减小单晶金刚石场发射针尖的发射区域非常重要。N．A．Paraire采用聚焦离子束刻蚀多层膜的方法加工出了二维光子晶体，M．~oshida用聚焦离子束技术在金属薄膜上刻蚀出线宽几十纳米的沟槽。这种直接微加工技术在人工制备单电子器件、巨磁阻器件等领域非常重要。另外，大量其他纳米结构， 如纳米孔点阵、三维螺旋结构等，也得到了成功制备
三管线电伴热 X射线光刻
X射线光刻(XRL)由于具有很高分辨率的图形复印能力，焦深大和工艺宽容度大等优点，一直是广泛重视的主要亚微米光刻技术之一。与光学光刻相似，x射线光刻也采用区域曝光方式，但它具有许多光学光刻无法比拟的优点：
① 反射、衍射的影响小，分辨率可大大优于0．1 p m；
② x射线穿透性好，可进行深层光刻胶的曝光，而且不存在景深问题；
③ 衬底表面形貌误差引起的图形线宽变动很小；
④ 由灰尘等微粒产生的曝光缺陷小，有利于提高加工精度和成品率；
⑤ 分辨率与视场无关， 可进行大面积曝光从而提高加工效率。
通常，用于超大规模集成电路的X射线光刻选用卜100nm的X射线。有很多种x射线光源可作为光刻光源，但最有效的是同步辐射加速器所产生的同步辐射x光。同步辐射x光源有极高的平行性和辐射强度并具有连续的光谱，使光刻的几何偏差极小，曝光效率较高并可在选定的波谱范围内进行加工。这些特点使得同步辐射X光刻不仅能加工超大规模集成电路
等平面微结构，也能制作具有复杂构造的三维立体结构和器件。目前， 同步辐射x射线光刻的辅助工艺系统还很不发达，除了对准系统与光学光刻相似外，还需要发展自己的完整的掩膜制作系统和使用抗蚀剂系统。其中x射线掩膜是关键。由于对x射线的聚焦极其困难，x射线光刻的曝光方式只能采用1：1的投影方式。掩膜要求非常精密，制作起来困难。目前，制作银行复点机x射线掩膜主要依靠电子束光刻机。由于x射线光刻使用穿透力极强的x射线，使得x射线掩膜的制作比光学光刻掩膜复杂的多。在同步辐射X射线光刻中，由于曝光剂量大，曝光时间长，x射线掩膜往往产生热变形，使得掩膜的尺寸受到了限制。虽然同步辐射X射线光刻有能力刻划非常精密细微的图形和很厚的抗蚀剂，但是用于工业生产的障碍是同步辐射加速器的高造价和占地面积大。然而它的优点已显示了美好的应用前景。科学界和工业界普遍认为同步辐射x射线光刻有希望代替光学光刻用于0．25u m以下图形的超精密加工。
四 STM光刻架构调整
从STM问世以来，除了用于极高的空间分辨率的成像外， 以被用于纳米加工，如在样品表面直接刻写、淀积和在抗蚀膜上进行光刻等，甚至进行单原子操作。当STM探针充分接近
样品时，产生一高度空间约束的电子束，使样品表面微小区域内产生结构变化、相变、化学反应和吸附质移位等作用，并诱导化学淀积和反应。因此，用STM进行表面加工是在纳米尺度上进行的。STM在这方面的应用前景是相当诱人的。首先，通过STM所进行的光刻、微区淀积和刻蚀等操作，有可能将目前大规模集成电路线条宽度从微米数量级降到纳米数量级。而且， 当器件尺寸达到纳米级甚至原子级时，量子效应将起主要作用，这时会出现新效应，因此，可设计出新器件，可能使它成为掩膜制作的有力工具。另外，用STM可有目的控制和安排原子团甚至单个原子。与电子束、离子束和X光束相比，STM的优势在于：① 不用很高的外加电压(最低可船舶智能焊接技术NlOV左右)就能形成足够高的电场，产生束径为纳米数量级的电子束；② 能在样品表面微区产生局部接触作用力或静电力，从而可以直接在样品表面上进行刻写；③ STM是目前能提供具有纳米级尺寸的低能(0~20eV)电子束的唯一手段，这种低能电子束可用来对诸如迁移、化学反应、化学键断裂、微小粒子移动等过程进行探测和控制；④ 加工处理的过程中能实时地对样品表面进行成像，从而可迅速了解加工结果并及时发现表面各种结构上的缺陷和损伤，便于后续工艺步骤的调整和对每一步加工的效果的评估。STM用于光刻时，一般工作在场发射模式，即便是这样，它也能够提供能量很低的可直接引起电子抗蚀剂曝光的聚焦电子束。因此，抗蚀剂的曝光只需通过一次柬
的作用就可产生，从而克服了常规电子束光刻由于二次电子和被散射电子作用所引起的分辨率降低的缺点， 能获得更精细的结构。而且， 由于STM针尖与样品的间距为纳米级，产生的低能电子束在样品表面上的有效束径很小，与该间距同一数量级。另外，STM装置可在水平方向上由计算机控制做精确的扫描，还可通过控制针尖到样品表面的偏压来精确控制曝光电子的能量，从而控制所刻结构的线条宽度。用STM进行光刻，分辨率显然要高于常规电子束光刻，它所能刻得的最小结构尺寸一般等于针尖与样品之间的距离，是常规电子束光刻的三分之一。该技术目前仍处于研究阶段，还有一些问题有待解决：首先，所形成的金属结构的纵横比较小，厚度仅为纳米数量级，这是由于STM光刻时要求抗蚀膜足够薄的缘故； 其次：光刻速度太慢， 因而已有的应用只限于很小的单个器件。目前，STM光刻还很难应用于大规模商业生产，但是该技术的应用前景是毋庸置疑的。
五 纳米压印光刻技术
纳米压印技术是美国普林斯顿大学华裔科学家周郁在20世纪1995年首先提出的_5j。这项技术具有生产效率高、成本低、工艺过程简单等优点，已被证实是纳米尺寸大面积结构复制最有前途的下一代光刻技术之一。目前该技术能实现分辨率达5 lqm以下的水平[6l。纳米
压印技术主要包括热压印(HEL)、紫外压印(UV—NIL)以及微接触印刷( CP)。纳米压印技术是加工聚合物结构最常用的方法，它采用高分辨率电子束等方法将结构复杂的纳米结构图案制在印章上，然后用预先图案化的印章使聚合物材料变形而在聚合物上形成结构图案。
1 热压印技术
纳米热压印技术是在微纳米尺度获得并行复制结构的一种成本低而速度快的方法。该技术在高温条件下可以将印章上的结构按需复制到大的表面上，被广泛用于微纳结构加工。
2 紫外压印光刻技术
紫外压印工艺是将单体涂覆的衬底和透明印章装载到对准机中，在真空环境下被固定在各自的卡盘上。当衬底和印章的光学对准完成后，开始接触压印。透过印章的紫外曝光促使压印区域的聚合物发生聚合和固化成型。与热压印技术相比，紫外压印对环境要求更低，仅在室温和低压力下就可进行，从而使用该技术生产能大大缩短生产周期，同时减磨损。由于工艺过程的需要，制作紫外压印印章要求使用能被紫外线穿过的材料。以往紫外压印工艺中印章是用PDMS材料涂覆在石英衬底上制作而成。PDMS是一种杨式模数小的弹性
体，用它制作的软印章能实现高分辨率。然而在随后的试验中发现由于PDMS本身的物理软性，在压印过程中在外界低压力下也很容易发生形变，近来，法国国家纳米结构实验室提出使用一种3层结构的软性印章，以减小紫外压印印章的形变。该印章使用2mm厚的石英衬底，中间一层是厚度为5mm的PDMS缓冲层，顶层是由PMMA构成。具体制作印章步骤是先将PMMA均匀涂覆在被离子激活的PDMS材料上，在PMMA上镀上一层30nm厚的锗薄膜作为后续工艺中的刻蚀掩模，再在锗薄膜上涂覆对电子束灵敏度高的抗蚀剂，随后用电子束光刻及反应离子刻蚀就可在印章顶层PMMA上得到高纵横比的图案，最后将残余锗薄膜移去即可。使用该方法可以在保持高分辨率情况下大大提高印章的坚硬度，减小印章压印形变。
六 展望
纳米科技现在已成为倍受人们关注、最为活跃的前沿学科领域，它使人类在改造自然方面进入到原子、分子级的纳米层次，从而给国民经济和国家安全带来深远的影响。正像产业革命及微电子技术的出现和应用所产生的巨大影响一样，纳米科技的发展将带来一场工业革命，成为21世纪经济增长的新动力。纳米光刻技术可用于纳米材料制作、纳米器件加工
、纳米长度测量、纳米物质的物理特性研究等方面，还可用于对DNA链和病毒进行处理等，在生物工程中具有重要的应用前景。只有掌握最新纳米结构制造技术，才能在未来科技发展中拥有竞争力。
参考文献
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[4赖西湖、徐军、吴文刚、经光银、郝一龙，FIB加工的三维单晶硅纳米螺旋的机械特性，2007，5：351—354．
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