图形转移技术概要

AL的缺点：部分原子在聚焦时偏 离理想聚焦点 ，形成原子透镜的像 差；原子与梯度场的作用时间等也影响成像质量
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摩尔定律：1965年 Gordon Moore提出了 芯片集成度每两年翻 一番(后来改为每18个 月翻一番)。自那时以 来，IC集成度的增长 一直遵循这一定律。 从光学光刻的发 展来看：分辨率(R)每 三年缩小0.7倍，曝光 波长(λ)每六年上一新 台阶，数值孔径(NA) 每年增加0.03，工艺 因子(K1)每年减少0.03 ，并相应提高了套刻 精度、像场尺寸、片 径和生产率。
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离子束光刻技术
离子束光刻(IPL)的研究始于20世纪70年代，它是将离子源 (气体或液 态金属)发出的离子通过多极静电离子透镜，将掩模图像缩小后聚焦于涂有 抗蚀剂的片子上 ，进行曝光和步进重复操作。
IPL的优点：离子束曝光基本上不存在邻近效应，故有比电子束光刻更 高的分辨力；在同样能量下，感光胶对离子的灵敏度要比电子高数百倍。
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电子束光刻（Electron Beam Lithography）
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在显微镜的基础上发展起来的。其研究始于20世纪60年代，由德意 志联邦共和国杜平根大学的 G.Mollenstedt和R.Speidel提出
用电磁场将电子束聚焦成微细束辐照在电子抗蚀剂上，由于电子束 可以方便地有电磁场偏转扫描，所以可以将复杂的电路图形直接写 到硅片上而无需掩模版. 优点：高分辨、长焦深、无需掩模(即电子束直写)、可以在计算机控 制下直写任意图形； 缺点：曝光速度慢；生产效率比较低；难以实现高精度的对准和套刻 电子束光刻中使用的曝光机一般有两种类型：直写式与投影式。直 写式就是直接将会聚的电子束斑打在表面涂有光刻胶的衬底上，不 需要光学光刻工艺中最昂贵和制备费时的掩模；投影式则是通过高 精度的透镜系统将电子束通过掩模图形平行地缩小投影到表面涂有 光刻胶的衬底上。
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热压印工艺
紫外压印工艺
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紫外压印一个新的发展，是提出了步进-闪 光压印，它可以达到10nm的分辨率。 紫外压印的工艺过程是：先将低粘度的 单体溶液滴在要压印的衬底上，用很低的压 力将模板压到园片上，使液态分散开并填充 模板中的空腔。紫外光透过模板背面辐照单 体，固化成型后，移去模板。最后刻蚀残留 层和进行图案转移，得到高深宽比的结构。 采用小模板的方式, 提高了在基板上大 面积压印转移的能力，降低了掩模板制造成 本，也降低了采用大掩模板（光刻胶厚度不 均匀）带来的误差。 另外，紫外压印相对于热压印来说，不 需要高温、高压的条件，可以廉价的在纳米 尺度得到高分辨率的图形。
人工组装技术
扫描探针技术
自组装技术
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扫描探针技术
扫描探针显微镜不仅仅可以让科学家观察原子世界，它们也可以利用针尖和 表面原子、分子的相互作用力来操纵单个原子、单个分子或者用来制备表面纳米 结构，即谈针尖可以沿着表面移动纳米粒子并使其重新排列，说制作的纳米图形 特征线宽可以达到单个原子的宽度。 操作模式主要包括横向操作和纵向操作。
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软刻印技术
软刻印术主要有两钟 ：微接触印刷法、毛细管 微模制法。 微接触印刷法是由 Whitesides等人于1993年 提出的。它的主要思想是 使用具有纳米图案的弹性 印章将自组织单分子膜印 到基片上。 用毛细管微模制法制 作纳米图形结构，也要像 微接触印刷法那样 ，先制 作浅浮雕式母板并且由母 板制作PDMS印章，但在 这里不称其为印章而称为 铸模更合适。 微接触印刷法的工艺流程图
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1993年Eigler等在Cu(111) 表面上成功地移动了101个吸附 的铁原子，写成中文的“原子 ”两个字，这是首次用原子写 成的汉字，也是最小的汉字。
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中国科学院北京真空物理实验室的研究人员于1993年底至1994年初，以超 真空扫描隧道显微镜（STM）为手段，在Si重构表面上开展了原子操纵的研究 ，取得了世界水平的成果。他们在室温下，用STM的针尖，并通过针尖与样品 之间的相互作用，把硅晶体表面的原子拨出，从而在表面上形成一定规则的图 形，如“中国”等字样，这些沟槽的线宽平均为2 nm，是当时在室温时，人们 在Si表面“写”出的最小汉字。凹陷的地方是原子被拨出后显示的深黑色沟槽 ，凸起的亮点是散落的原子形成的，显白色。
光学光刻的进展示意图
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非光刻图形技术
（1）纳米压印技术和软刻印技术
代替物理的光和电子源，利用一块橡胶聚合物作为工具，采用日常所见 的印刷、模锻、模铸和压印等力学过程来制造纳米结构，称之为软刻印技术（ Soft Lighography）和纳米压印技术(Nano-Imprint Lithography，NIL) 。 （2）扫描探针技术 彻底抱起自上而下的手段，采用自底而上的人工组装方法，也就是从 移动原子或者分子的开始组装并构建纳米功能结构，最成功的是STM微分 析技术发展而来的扫描探针技术。
生产中常采用步进-闪光纳米压印技术
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（a） SiO2压模被用12次后的SEM 照片
（b）用（a）压模压成的聚合物图案的SEM照片
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三种压印技术的比较
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扫描探针技术
前面提到几种图形转移技术都是从一个宏观的大尺度图形开始，在刻出纳米结 构之前按比例缩小图形的横向尺度。但是没有哪一种自上而下的方法能够简单而低 成本的制造各种材料的纳米结构。
于是一些科学家开始研究自底向上的方法，也就是从原子或者分子开始组装并 构建纳米结构。这些方法可以制备最小的纳米结构，而且不是很昂贵。
它可以大批量重复性地在大面积上制备纳米图形结构，并且所制成的高 分辨率图案具有相当好的均匀性和重复性。该技术还有制作成本低、简单易 行、效率高等优点。 纳米压印技术主要包括热压印技术和紫外压印技术。
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热塑性聚合物：PMMA等 Tg以上
保持足够的模压时 间，施加足够的模 压压力，使聚合物 填充满模腔。 透明印章： 石英玻璃印章（硬模） 或PMMA印章（软模） 聚合反应而 固化成型 等固化完全时再 脱模，脱模要小 心，防止用力过 度而使模具损伤
毛细管微模法的工艺流程图
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纳米压印技术
纳米压印技术是软刻印技术的发 展，采用绘有纳米图案的刚性压模将 基片上的聚合物薄膜压出纳米级花纹 ，通过热的或者化学的方法固化在聚 合物上保留模板图形，再对压印件进 行常规的刻蚀、剥离等加工，最终制 成纳米结构和器件。
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Nano-imprint lithography: Templates, imprinting and wafer pattern transfer
W.J. Dauksher *, N.V. Le, E.S. Ainley, K.J. Nordquist, K.A. Gehoski,S.R. Young, J.H. Baker, D. Convey, P.S. Mangat Motorola Labs, Embedded Systems Research, 2100 E. Elliot Road, MD: EL-317, Tempe, AZ 85284, USA
式中： k1是为工艺因子 ； λ为曝光波长 ；NA 为投 影光刻物镜的数值孔径。
1）降低工艺因子(k1)： OAI（离轴照明）、PSM（移相掩模）及OPC（ 光学邻近效应校正）等 2）缩短曝光波长(λ) ： 436nm(g线) → 365nm(i线) → 248nm(KrF) →193nm(ArF) → 157nm →NGL(下一代光刻术) 3）提高物镜的数值孔径(NA)： 非浸没式：0.28→0.42→0.48→0.60→0.68 →0.75→0.78→0.82 →0.85(极限) 浸没式：1.3(2003) →1.44(04-06) →1.64(2007)
IPL的缺点：液态金属离子源发射的离子具有较大的能量分散，而聚焦 离子束系统所采用的静电透镜具有较大的色差系数，色差会影响离子束聚 焦；由于离子的质量大，在感光胶中的曝光深度有限，故限制了离子束曝 光的应用范围。
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原子光刻技术
原子光刻技术(AL)是贝尔实验室G.Timp等人最早提出的，它是利用激 光梯度场对原子的作用力来改变原子束流在传播过程中的密度分布，使 原子按一定规律沉积在基板上，在基板上形成纳米级的条纹、点阵或所 需要 的特定图案。 AI 的优点：原子呈 中性 ，不像电子和离子那样容易受到电荷的影响 ，因而具有极高的分辨力 ；原子的德布罗意波长非常短，其衍射极限比 常规光刻所用的紫外光 的衍射极限小很多。
纳米结构的图形转移技术
纳米结构的图形转移技术
物理方法
传统方法
化学方法
光学光刻技术
图形转移技术
非光刻图形制备技术
纳米结构的自组装技术
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传统的光学光刻技术
光刻是制造半导体器件和集成电路 微图形结构的关键工艺技术，思路起源 于印制技术中的照相制版，属于平面工 艺。
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新一代光刻技术和纳米制造
曝光波长限制了光学光刻技术向更小尺寸器件的应 用，进入0.1μm以下的光刻必须采用新一代光刻技术，如 X射线光刻(XRL)、极紫外光刻(EUVL)、电子束光刻(EBL) 和离子束光刻(IBL)等。
但是由于短波长光源的获得，以及新的透镜材料、更高数字孔径 光学系统的加工，还有大部分材料都强烈的吸收深紫外而被破坏， 而且，光刻设备所花费的巨大成本，均成为了光刻技术的瓶颈。
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几种电子束曝光系统的性能
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极紫外百度文库刻和X射线光刻
采用波长在0.1~10nm的X射线或者波长在10~70nm的软X射线（即紫外光）进行 光刻，缩小特征线宽的极限； 传统的透镜对极紫外光不是透明的，也不能聚焦X射线，而其能量辐射会很快地 破坏掩模和透镜用的材料； 最显著的特点是采用Mo/ Si多层材料构成布拉格反射器，而非传统光学光刻中的 球面透镜，用做掩模的材料是可以吸收极紫外线的TaN,Cr,W等； XRL的优点：高分辨力；大焦深和大像场等；分辨力可达40nm，它可用于UL-SI、 纳米加工和 MEMS等。XRL的缺点：采用大型的、昂贵的同步加速器，巨额耗 资，对量产IC工艺难以接受；高集成的1倍掩模版难制作；与光学光刻机相比， 生产效率极低。 制作所需的设备将是非常昂贵
光学平面印制工艺分为两步：掩 膜的制备和图形的转移。
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传统光刻技术遇到的困境：
最小特征线宽（Minimum Feature Size，MFS）决定不仅与曝光光源波长以及 光学系统有关，而且还与曝光材料等工艺细节有关：
MFS = k1λ / NA
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移动过程中第一个垂直的STM 操作是由Eigler完成的，他在液氦温 度线移动35个Xe原子在单晶Ni（110 ）表面过程了最小的IBM公司商标
下图是48个Fe原子在Cu （111）表面构成的一个量子 围栏，围栏说构成的量子阱诱 导表面电子的量子限域效应， 从而在图中可以观察到电子波 的驻波现象。