原子光刻技術(shù)

原子光刻技術(shù)摘要與光子和電子不同，原子的激發(fā)亞穩(wěn)態(tài)具有方便操作的內(nèi)能態(tài)結(jié)構(gòu)，這使利用內(nèi)能態(tài)的光學(xué)滅原理實現(xiàn)光刻技術(shù)成為現(xiàn)實?；谠庸鈱W(xué)的中中性原子束光刻技術(shù)是下一代光刻技術(shù)(thenextgenerationlithography,NGL)的一種，它可分為兩種途徑實現(xiàn)：激光駐波原子直沉積技術(shù)和亞穩(wěn)態(tài)中性原子光刻技術(shù)。前者可以實現(xiàn)圖案的納米尺度特征、大面積平行沉積和高分辨率；后者結(jié)合有效的抗蝕劑，同樣可以實現(xiàn)納米圖形制造。在基板上獲得的尖銳邊緣分辨率目前可達40nm。兩種途徑的原理相差甚遠，但最終獲得的結(jié)果相似。文章對原子光刻進行了深入的分析，介紹了基本概念、工作原理、相關(guān)實驗方案，針對原子光刻的原子捕獲、激光穩(wěn)頻、原子束聚焦和沉積等關(guān)鍵技術(shù)，進行了分析和討論。關(guān)鍵詞：原子光刻；原子光學(xué)；納米結(jié)構(gòu)；激光穩(wěn)頻；原子束沉積0.緒論光刻技術(shù)是納米結(jié)構(gòu)制作的重要工藝，通過增大光刻物鏡的數(shù)值孔徑（N.A）和縮短曝光波長，可以提高光刻系統(tǒng)的分辨率。但當光刻圖形的尺寸小于100nm時，光學(xué)光刻面臨著很大的挑戰(zhàn)。原子光刻是一種利用原子束實現(xiàn)刻印的新方法。作為原子光刻中的原子擁有X射線、電子束及離子束等刻印媒體所不具備的特點。自20世紀60年代，集成電路技術(shù)得到迅速發(fā)展，集成規(guī)模越來越大，集成效率越來越高。傳統(tǒng)光刻技術(shù)及電子束光刻技術(shù)是半導(dǎo)體工業(yè)中常用的制備工藝。近年來，為了提高集成度，在追求最小特征尺寸和極限分辨率的情況下，對儀器設(shè)備的要求越來越苛刻，傳統(tǒng)光刻技術(shù)正面臨越來越嚴峻的挑戰(zhàn)。受光學(xué)衍射極限的限制，提高光子能量是降低特征尺寸的唯一途徑。當今半導(dǎo)體工業(yè)中，光刻技術(shù)的曝光光源已從可見光波段發(fā)展到極深紫外光波段，也提高了制備短波光學(xué)元件的材料及工藝要求。在電子束光刻技術(shù)中，由于空間電荷效應(yīng)的影響，特征尺寸的縮小是以昂貴設(shè)備為代價來實現(xiàn)的。在這些情況下，作為一種潛在光刻技術(shù)的原子光刻技術(shù)有望成為集成電路和微型器件加工的新型納米結(jié)構(gòu)制造技術(shù)。1.原子光刻技術(shù)簡介1995年，美國國家標準技術(shù)研究所和哈佛大學(xué)的科學(xué)家們成功地運用中性原子代替光子和電子，在硅表面產(chǎn)生了金的微納米圖形，這是原子光刻技術(shù)的第一個實驗結(jié)果，并預(yù)言原子光刻技術(shù)制造出集成電路或其他器件比其他光學(xué)光刻技術(shù)制造的小十倍。自從以后，美國、德國、日本、法國等國家先后在中性原子光刻實驗上取得了成功，原子光學(xué)的基礎(chǔ)研究成果正逐步向原子光刻技術(shù)進行轉(zhuǎn)化，是基礎(chǔ)研究技術(shù)化的典型之一。中性原子光刻是指利用中性原子束在材料表面上制造特定的結(jié)構(gòu)圖形，基于中性原子的性質(zhì)，原子光刻具有以下獨特優(yōu)勢：首先，中性原子束的原子源裝置結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉；其次，相對于光子和電子，中性原子束的粒子動能非常低，小于1eV，對表面損傷極小，以惰性氣體為例，一個原子經(jīng)激發(fā)處于激發(fā)亞穩(wěn)態(tài)是可攜帶8-20eV的內(nèi)能，單個紅外光子就可以耗散一個原子所含的內(nèi)能。由于相對較低的速度和較大的原子質(zhì)量，中性原子的德布羅意波長很短，相應(yīng)的衍射效應(yīng)非常?。坏谌?，中性原子的運動軌跡不受均勻電場和磁場的影響，而介于中性原子之間的長程粒子間相互作用力非常小，沒有庫倫排斥力引起的分辨率限制（離子束光刻中存在）；第四，中性原子束還具有電子束或光子束所不具有的躍遷態(tài)，原子具有可用激光調(diào)諧的中間態(tài)結(jié)構(gòu)，這種中間態(tài)結(jié)構(gòu)使得原子操控成為可能，并可以通過激光冷卻來增強原子束通量和校準。與其他光刻技術(shù)比較，原子光刻由于目前的技術(shù)尚難以獲得高強度束流，制造效率較低。此外，還有一些本文后面部分提到的關(guān)于原子操控和原子與表面相互作用等方面基礎(chǔ)研究難點造成的技術(shù)問題尚未得到最后解決。原子光刻技術(shù)可分為兩種模式：一種是中性原子經(jīng)原子透鏡聚焦成非常精細的點直接沉積到基板上，在納米結(jié)構(gòu)制備過程可以在干凈、無抗蝕劑的環(huán)境下完成。因為中性原子的動能非常小，對基板的損傷非常小或沒有損傷，這對于無污染和無缺陷生長納米結(jié)構(gòu)來說是非常重要的；另外一種是采用亞穩(wěn)態(tài)中性原子對基板表面的合適的抗蝕劑曝光，采用濕法化學(xué)刻蝕的手段在基板上刻印圖案結(jié)構(gòu)，迄今為止，金屬原子直沉積技術(shù)已經(jīng)取得了顯著成果，同樣，結(jié)合抗蝕劑的亞穩(wěn)態(tài)中性原子光刻技術(shù)也取得了重要進展，本為分布予以解釋。2.應(yīng)用于微納米制造的原子光學(xué)設(shè)計2.1原子束的產(chǎn)生中性原子束是原子物理和薄膜物理的支柱技術(shù)。自20世紀初以來，在其性質(zhì)及可能的應(yīng)用技術(shù)研究中收獲甚豐。中性原子束的標準源包括熱源和噴射源兩類，兩者動能均小于100eV。最基本的原子束產(chǎn)生方法是在真空系統(tǒng)中的熱蒸發(fā)技術(shù)，這是一種最簡單的典型熱源，如圖1所示，材料在小真空坩蝸室內(nèi)加熱到熱平衡狀態(tài)時，蒸汽壓大約為100Pa的蒸發(fā)原子，通過毫米尺度的小孔擴散到壓強小于10-7Pa真空系統(tǒng)中，原子的平均自由程至少為1m的量級。當原子從小孔中射出時，它們在真空系統(tǒng)中沿著直線發(fā)散，直至碰撞到基板或者真空室內(nèi)壁，此后，原子粘附或者彈起依賴于局域溫度以及本身化學(xué)性質(zhì)。原子擴散速度分布有一定的寬度，大約與最可幾分布速度相當。Kif束準jT光隅Kif束準jT光隅堪鋼室小孔真空泉圖1金屬原子束裝備裝置簡圖（在真空中坩蝸中，加熱其中的所需原子束的材料，產(chǎn)生原子蒸汽，原子通過小孔擴散到真空系統(tǒng)，并通過光闌準直）另外一種原子束產(chǎn)生方法是噴射法，最常用的是亞穩(wěn)態(tài)直流電觸發(fā)模式。2.2用于微納米加工掩膜的原子光學(xué)眾所周知，動能小于1eV的原子是不可能對材料自由穿透，在掩膜材料的選擇上，厚度為微米量級的氮化硅薄膜對原子束來說是非常適合的。在加工過程中，透過掩膜必須是物理模板，這意味著自支撐體系和自由駐波的性質(zhì)限制了構(gòu)型的可能性。事實上，弗蘭克透鏡、散射分束器、全息術(shù)、近場光學(xué)和接觸式掩膜的組合，或其中多個元件進行組合，均可構(gòu)成微納米制造加工的掩膜，但在這組元件中，僅有接觸式掩膜在中性原子光刻技術(shù)中得以運用，其衍射效應(yīng)限制的最小特征尺寸較小。2.3用于投影式透鏡的原子光學(xué)與帶電粒子不同，中性原子在空間均勻分布的磁場作用下不會發(fā)生偏移。但大多數(shù)的原子有其內(nèi)在磁動量u,而在一個波爾磁子量級的磁場B（r）中，磁偶極子的能量由U（r）=-u（r）B（r）決定。因此，在由永磁體制成的透鏡和反射鏡形成的磁場中，原子上的作用力與磁場梯度成正比。Kaenders等一提出來原子投影式透鏡系統(tǒng)，運用此透鏡在基板上形成原子級的圖案。對原子進行聚焦的薄透鏡焦深正比于vL/p,其中V［是原子的縱向傳輸速度，p是聚焦勢阱的曲率，在磁透鏡組L中，使用磁場梯度為1T/cm的磁場對銫原子加速，速度可達4X105m/s而用焦距為10cm的六磁極透鏡對銫原子加速，速度可達VL=70m/s在薄磁透鏡的焦點上，當其焦距為f和輸入原子尺寸為D時，衍射點的尺寸為0=fA/D.假定D=1nm。但考慮磁透鏡的鏡差等因素的影響，聚焦的點的衍射點的尺寸大約50nm左右?？梢钥闯觯迷油队霸?，可在基板表面創(chuàng)造任意具有納米尺度特征的圖案，由于衍射限制非常小，原子光學(xué)透鏡的真實圖案特征是非常好的。然而，目前原子源光學(xué)性質(zhì)的技術(shù)難點大大降低了上述優(yōu)勢，如原子透鏡相差、視野、軸外相差等。而這些對真實圖案定位都無比重要。2.4應(yīng)用激光構(gòu)成光學(xué)元件的原子光學(xué)盡管許多原子具有內(nèi)在的磁偶極子力矩，但中性原子的內(nèi)在電偶極子力矩卻為零，。但是，中性原子可在電場誘導(dǎo)下產(chǎn)生偶極子力矩P，對電場強度為E的電場而言，當其振蕩頻率3與原子的共振頻率30相近，圖光學(xué)頻率，則P的振幅大小具有德拜量級，隨著電場振幅的增加，P的振幅得以共振。在3小于30時，P作用方向與電場方向向反平行，偶極子內(nèi)能最小時激光強度也最小。顯然，這種光勢阱可用來創(chuàng)造各種光學(xué)元件，包括原子透鏡、原子透鏡陣列、反射鏡、分束器和波導(dǎo)等等。例如，Sleator等在3小于30的大周期激光駐波的反節(jié)點單勢阱最小值的位置，創(chuàng)造了一個原子透鏡。這個薄透鏡的焦距與V2入2/I1/2成比例，其中I0是激光峰強度，入是駐波的有效波長。對亞穩(wěn)態(tài)的氦原子He+而言，如果V=1800m/s，D=25um，入=45um，焦距f=57cm,則根據(jù)上節(jié)公式0=玖/D獲得的可觀測衍射限制的點尺寸約2um，在與激光作用的40ns時間內(nèi)，原子加速度可達1016m/s2。毫無疑問，上述研究方式及內(nèi)容與基礎(chǔ)原子光學(xué)過程的研究范圍緊密相關(guān)，人們特別期待在微納米制造方面?？梢灶A(yù)期，完全可以利用基礎(chǔ)駐波的概念制造大規(guī)模陣列的線和點，直接制造一個點陣列并在沉積過程中反復(fù)掃描基板以獲得更大規(guī)模的陣列。形象地說，如果使用壓電驅(qū)動平臺在陣列單元內(nèi)掃描，則原子透鏡就好像原子“筆”的陣列，通過駐波控制，使其在基板上直接刻劃復(fù)雜周期性圖案。反過來說，使用多束以不同角度范圍入射的激光束，可以構(gòu)成非常復(fù)雜的圖案。因此，從假想復(fù)雜圖案開始，進而發(fā)現(xiàn)有多少激光束從何種角度入射，而采取何種相移產(chǎn)生這個圖案是非常具有挑戰(zhàn)性的，也是十分有趣的。上述設(shè)計必然遵從光的衍射定律，同時，由于需要產(chǎn)生原子共振，將限制所有激光束選擇統(tǒng)一的波長，至于產(chǎn)生何類圖案尚需在將來的研究加以證明。3原子沉積技術(shù)--通過激光駐波聚焦的直沉積方法近共振激光的強駐波可以用來形成周期性的原子透鏡陣列。因為高場梯度可形成焦距為50um的透鏡，并制造寬度為100nm的特征尺寸結(jié)構(gòu)，透鏡組陣列的納米特征結(jié)構(gòu)可以平行沉積，重復(fù)相干激光提供了準確的定位，所以，透鏡陣列適合進行納米光刻技術(shù)的研究。透鏡組陣列可以由兩束反演光束相互干涉形成駐波強度分布構(gòu)成。如圖3所示，當3<30時，原子趨向于反節(jié)點位置并聚焦下面的基板材料上。激光強度的峰值為105mW/cm3形成的50um焦距的原子透鏡陣列，原子加速度為3X107m/s2.駐波透鏡陣列是一組厚透鏡，在透鏡中原子移動明顯，焦距尺度為v/I"，對于速度為650m/s的鈉原子通過厚度為入/2且焦距為50um的透鏡時，由公式0=fA/D可知，衍射限制的點尺寸0為2nm左右。實際上，透鏡色差以及別的因素的尺寸展寬等使得特征尺寸的尺度大于10nm。冷卻at光束標準波光學(xué)勢阱圖2激光駐波的原子光刻技術(shù)的基本原理燃料激光器、二極管激光器和鈦紅寶石激光器作為產(chǎn)生單頻的近共振激光的可調(diào)諧激光源。一束激光調(diào)諧后進入真空系

統(tǒng)，經(jīng)過反光后在非常接近基板表面的上方形成駐波作為光學(xué)掩膜，一部分激光分束后，經(jīng)過光調(diào)制器調(diào)制頻率低于原子共振頻率，對原子進行激光冷卻并對原子束激光校準，原子束經(jīng)駐波聚焦，通過節(jié)點在基板上沉積陣列結(jié)果。實驗裝置圖如下所示：圖3激光駐波原子聚焦的簡易裝置圖（AOM為聲光調(diào)制器）實驗結(jié)果：圖4用激光駐波原子直沉積法在基板上沉積鉻原子，形成寬29nm和間距212.73nm的線陣列的顯微鏡圖像圖5用激光駐波原子直沉積法在基板上沉積鉻原子，形成高13nm和點間距212.73的點陣列原子顯微鏡圖像4中性原子光刻技術(shù)--使用抗蝕劑的He原子光刻技術(shù)亞穩(wěn)態(tài)氦原子本身呈電中性，不會引起空間電荷效應(yīng)，由于其德布羅意波長僅幾個pm，衍射效應(yīng)可忽略不計，這意味著在狹小區(qū)域內(nèi)可以使用超大曝光劑量。He+的壽命長達8000s，所攜帶的內(nèi)能為19.8eV。處于亞穩(wěn)態(tài)的氦原子可以確定的能量在真空中穿行而不和別的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。但當其碰撞表面時，破壞了量子力學(xué)選擇定則，將從亞穩(wěn)態(tài)返回基態(tài)并釋放能量。該能量代替光刻技術(shù)中沉積光子能量作用到抗蝕劑表面，斷開分子中的化學(xué)鍵，改變曝光區(qū)域的化學(xué)、物理性質(zhì)，從而實現(xiàn)中性原子光刻。本實驗采用抗蝕劑輔助的原子光刻技術(shù)手段，以He+作為曝光原子源，以硅表面直接生長上的十八烷基硅烷自組裝單分子層為抗蝕劑，通過濕法化學(xué)刻蝕方法把物理掩膜的圖形轉(zhuǎn)移到硅襯底的表面上。并通過改進掩膜支撐模式，來提高空間分辨率。圖6惰性氣體原子束源簡易裝置圖高純度的氦氣經(jīng)銅管和微量氣體計量表后進入曝光源腔，在百流電觸發(fā)模式下把氦氣體原子從基態(tài)激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)后，利用He+束對樣品進行曝光。偏轉(zhuǎn)電壓為1000v的橫向電場施加在原子束上，用來除去其中包含的離子或電子，避免這些帶電粒子撞擊樣品表面時引起損傷。He+束穿過直徑為700um的隔離器向一個可旋轉(zhuǎn)的中空三棱柱鉭樣品架。它的兩個側(cè)面用來安裝樣品，另一側(cè)用來檢測初始He+的強度。本實驗中掩膜和十八烷基硅烷（OTS）自組裝單分子層（OTS-SAM）直接接觸。如圖6所示。實驗步驟：利用超聲清洗器依次在去離子水、乙醇和丙酮中清洗 15nmx20nm大小的硅片；在氫氟酸中除去硅片表面的氧化層，在硅表面形成硅-氫懸掛鍵，再用氬氣吹干硅表面；將硅片浸入含有一定量十八烷三氯硅烷的甲苯溶液中密封反應(yīng)48h，在硅表面可生長形成OTS-SAM；取出后用甲苯清洗，氬氣吹干后放入真空干燥器保存?zhèn)溆谩悠泛蛶в醒谀さ闹误w固定到可旋轉(zhuǎn)樣品架上送入樣品腔，密封并抽真空。本實驗中的掩膜支架由15mmx20mm的較硬不易彎曲變形的金屬Ta片構(gòu)成，Ta片上均勻分布了五個或七個小孔，其直徑20mmoHe原子束下曝光時間為1-120min，室溫下采用濕法化學(xué)刻蝕法用0.1mol/LKOH溶液進行刻蝕。最后使用HF和去離子水清洗，氬氣吹干后利用ASM和SEM進行表征觀察實驗結(jié)果：（1）如下圖a：透鏡電鏡銅網(wǎng)掩膜的SEM照片；b：硅上的圖形尺寸為7.5um的負圖形的AFM圖像；c：沿b圖中白線方向的掃描圖；d：硅上的圖形尺寸為7.5um正圖形的AFM圖像

圖7實驗結(jié)果的顯微鏡圖片結(jié)論：由圖a,b,d可見銅網(wǎng)的掩膜圖形可以完美地在襯底上得以復(fù)制，經(jīng)過不同曝光時間的實驗驗證，再現(xiàn)性非常好由圖c可知，負圖形的圖案尺寸7.5um、圖案間的間隔為5um與銅網(wǎng)參數(shù)一致。圖案臺階的高度約為30-40nm，遠大于硅片表面生長的單分子層厚度；圖案的邊緣分辨率約20nm;降低刻蝕時間，刻蝕深度僅有幾個納米，但邊緣分辨率可達到10nm左右；增加刻蝕時間，刻蝕深度可達到微米量級，圖案的邊緣分辨率也相應(yīng)增大。這種展寬源自發(fā)散的原子束及刻蝕過程；所用曝光源并非理想的“點”源；KOH

溶液刻蝕為各向異性，長時間刻蝕使得圖形高度增大，可能破壞圖形的邊緣結(jié)構(gòu)；硅表面的均方根粗糙度約為2-8nm。實驗結(jié)果：（2）如下圖8所示：該圖給出了以自組裝單分子層作為抗蝕劑制備的結(jié)構(gòu)陣列圖的正負圖形的圖像。a，b分別對應(yīng)尺寸為4um和1um的正圖形。c，d為分別對應(yīng)尺寸的負圖形。襯底的表面上。5總結(jié)：目前利用原子光刻技術(shù)獲得的樣品的沉積條紋質(zhì)量不高，如沉積線比較粗，雖然平均節(jié)距非常準確，但在一個單線對上一個單線的測量可能產(chǎn)生很大的不確定性，這將限制它在某些場合的應(yīng)用，例如作為線寬標準。目前正在研究制造過程中減小粗糙度使其精細化的方法。利用亞穩(wěn)態(tài)