1、原子光刻技術 電科0901 楊沙沙 光刻技術是納米結構制作的重要工藝，通過增大光刻物鏡的數值孔徑（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。 在電子束光刻技術中，由于空間電荷效應的影響，特征尺寸的縮小是以昂貴設備為代價來實現的。在這些情況下，作為一種潛在光刻技術的原子光刻技術有望成為集成電路和微型器件加工的新型納米結構制造技術。原子光刻技術簡介： 1995年，美國國家標準技術研究所和哈佛大學的科學家們成功地運用中

2、性原子代替光子和電子，在硅表面產生了金的微納米圖形，這是原子光刻技術的第一個實驗結果，并預言原子光刻技術制造出集成電路或其他器件比其他光學光刻技術制造的小十倍。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，原子光學的基礎研究成果正逐步向原子光刻技術進行轉化，是基礎研究技術化的典型之一。中性原子光刻： 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構圖形。基于中性原子的性質，原子光刻具有以下獨特優(yōu)勢第一：中性原子束的原子源裝置結構簡單，價格低廉；第二：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；第三：中性原子的運動軌跡不受均勻電場

3、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諧的中間態(tài)結構，這種中間態(tài)結構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。與其他光刻技術比較，原子光刻由于目前的技術尚難以獲得高強度束流，制造效率較低。以惰性氣體為例，一個原子經激發(fā)處于激發(fā)亞穩(wěn)態(tài)是可攜帶8-20eV的內能，單個紅外光子就可以耗散一個原子所含的內能。由于相對較低的速度和較大的原子質量，中性原子的德布羅意波長很短，相應的衍射效應非常小； 原子光刻技術缺點 目前利用原子光刻技術獲

4、得的樣品的沉積條紋質量不高，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生很大的不確定性，這將限制它在某些場合的應用，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。原子光刻技術可分為兩種模式： 一種是中性原子經原子透鏡聚焦成非常精細的點直接沉積到基板上，在納米結構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構來說是非常重要的； 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，采用濕法化學刻蝕的手段在基板上刻印圖案結構，迄今為止，金屬原子直沉積技術已經

5、取得了顯著成果，同樣，結合抗蝕劑的亞穩(wěn)態(tài)中性原子光刻技術也取得了重要進展。原子束的產生 中性原子束是原子物理和薄膜物理的支柱技術。自20世紀初以來，在其性質及可能的應用技術研究中收獲甚豐。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。最基本的原子束產生方法是在真空系統(tǒng)中的熱蒸發(fā)技術，這是一種最簡單的典型熱源，如圖1所示。另外一種原子束產生方法是噴射法，最常用的是亞穩(wěn)態(tài)直流電觸發(fā)模式。圖1 金屬原子束裝備裝置簡圖（在真空中坩堝中，加熱其中的所需原子束的材料，產生原子蒸汽，原子通過小孔擴散到真空系統(tǒng)，并通過光闌準直）材料在小真空坩堝室內加熱到熱平衡狀態(tài)時，蒸汽壓大約為100Pa

6、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壁，此后，原子粘附或者彈起依賴于局域溫度以及本身化學性質。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。中性原子光刻技術-使用抗蝕劑的He原子光刻技術 亞穩(wěn)態(tài)氦原子本身呈電中性，不會引起空間電荷效應，由于其德布羅意波長僅幾個pm，衍射效應可忽略不計，這意味著在狹小區(qū)域內可以使用超大曝光劑量。He+的壽命長達8000s，所攜帶的內能為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發(fā)生化學反應。但當其碰撞