原子光刻技术物理与电子信息学院

原子光刻技术

物理与电子信息学院，光学专业

在纳米计量中，由于受仪器工作原理、测量对象和环境等不同因素的影响，用不同仪器检测同一目标或利用同一仪器在不同环境下测量同一目标，所得结果可能会截然不同。因此，纳米计量中纳米传递标准具有重要的意义。研制准确适用的纳米长度传递标准是当前急需解决的问题和研究重点。纳米长度传递标准包括：线宽、阶高、线纹尺、节距(1D栅)、网格(2D栅)等。扫描隧道、原子力、电子、可见光以及紫外光显微镜都要使用这些标准来校准，并通过这些传递标准溯源于国家标准和SI基本单位。

研制纳米长度标准的技术路线主要沿三个方向发展。一个是利用原子晶格研制自然标准；一个方向是继续利用微一纳加工技术刻蚀出各种纳米结构：另一个新的技术路线是利用原子光刻技术。这是近十年来应用基础领域内的一个热点。

1987年．Balykin和Letokhov通过分析钠原子束通过激光束时的效应，得出原子束可以用激光束进行会聚的结论。Gallatin等在此基础上．预言即使考虑激光束会聚原子时的像差，也完全可以得到纳米微结构。1992年，Timp等让钠原子通过位于基片表面上方的驻波场，得到了由钠原子组成的类光栅结构。1993年，NIST 的McClelland等人利用原子光刻技术获得了铬原子的一维栅结构。1995年，McGowan等用铝原子也作出了同样的光栅结构。1998年2月．NIST制造的沉积在蓝宝石基底上的铬样品的平均节距为212.7787nm±0.0049nm，2002年用光学衍射方法确认的平均节距为212.7777nm 4±0.0069nm，这和22℃时的预期的节距212.7705nm±0.0049nm有很好的符合。2003年，在上海市纳米专项的资助下，同济大学、中国计量科学研究院开始合作研究制作沉积铬原子光栅距标准的关键技术和相关实验。2004年，在搭建的实验平台上开始相关实验。2005年．李同保院士等在硅基片上得到了由铬原子组成的一维光栅结构。

原子光刻技术的基本原理原子光刻技术，是一种利用原子束实现刻印的新方法。相对于光学光刻，原子光刻技术的突出优点是：

1原子质波波长短，因此衍射极限很小，大约在0.1nm量级；

2原子束不携带高能量，对掩膜和基片无破坏作用；

3可以并行刻印，缩短刻印时间。

4利用原子光刻技术制作光栅标准，对提高量值溯源的准确度指标是十分有利的。因为光栅样品的平均线间距取决于形成光驻波场的稳定激光的半波长，而稳定激光频率(波长)的参考标准是原子的共振频率．这种简单的溯源关系使得所制成的标准样品的平均线问距不仅是已知的并且量值的不确定度非常小，从而线间距是很准确的。图1所示就是NIST的McClelland等人制造的沉积在蓝宝石基片上的铬的一维光栅结构，样品的平均节距为212.7787nm±O.O049nm，不确定指标

0.O049nm。

其基本原理就是利用共振光的辐射压力(或光抽运作用)使原子束产生空间强度分布，将原子束沉积在基片(或使基片上的特殊薄膜层“曝光” 形成极细的纳米级条纹、点阵或特定图案，以达到纳米计量传递标准的需要。可用偶极子模型来阐明激光汇聚原子沉积纳米结构原理，即在一个非均匀的激光场中．中性原子被光的交变电场感应形成偶极子，用一个保守势来描述原子偶极子与光场的相互作用。如果激光强度足够低，并且激光频率相对于原子共振频率的失谐足够大，那么基本不产生原子的激发态．则一个2能级原子偶极子在光场中具有的势能为：

式中，Γ为原子跃迁的自然线宽（单位：rad/s )，δ为激光频率对原子共振频率的失谐量(单位：rad/s )，(),,I x y z 为随空间位置(),,x y z 变化的激光强度，Is 为与原子跃迁相关的饱和强度，2h π= 为普朗克常数。如果激光频率低于原子共振频率0δ<，称为“红失谐”)，则原子偶极子的势能(),,0U x y z <，那么在偶极力(),,d F U x y z =-∇作用下，原子向激光强度高的方向加速；如果激光频率高于原子

共振频率0δ>，称为“蓝失谐”)，则原子偶极子的势能(),,0U x y z >，那么在偶极力d F 的作用下，原子向激光强度低的方向加速。在一维驻波光场中，光强以

2λ为周期交替变化。对垂直于此驻波传播的原子束来说，驻波类似于一个柱面透镜阵列：当激光频率出现红失谐时，原子所受的偶极力始终指向驻波波腹；当激光频率发生蓝失谐时，原子所受的偶极力始终指向驻波波节。当驻波激光频率出现红失谐时原子束的汇聚情形如图2所示。

图2中基片表面位于驻波激光束的光轴上，从原子炉喷射出的原子经过激光冷却形成高度准直的原子束，在驻波光场的作用下，原子束被汇聚于驻波光场的波腹处，沉积在基片表面形成纳米级微轮廓结构。原子光刻采用中性原子束取代光束进行刻录，不受电荷的影响，并且原子的德布罗意波波长很短(<1nm)，具有较高的分辨能力。

Cr原子光刻实验 1992年Timp等首次报道了Na原子光刻实验．此后MeClelland小组和Mlynek小组报道了Cr的原子光刻McGowan等报道了Al的原子光刻。事实上，Na的工作的意义在于首次证实了用光波可以实现亚微米的原子聚焦，从原理上给出了原子沉积技术这一新方法。但由于Na在空气中极易吸湿和潮解，制成的光栅根本不能移出真空室。真正有实用价值的材料是Al和cr，特别是Cr，属于自保护型金属，表面活动性极低，制成的样品稳定可靠，易于保存和使用。

Cr原子光刻实验如图3所示

Cr原子经高温处理后形成Cr原子束，通过预准直狭缝后进入真空室(虚线部

分)，采用美国Verdi一10固体激光器对蓝宝石可调谐激光器MBR一100进行泵浦并调谐其输出波长λ= 851.1nm，然后对上述光束进行倍频，得到425.55nm 的激光束。将激光束通过声光调制器(AOM)，选取其出射的0级和1级光分别作为Cr原子光刻的聚焦光束和准直光束。进入真空室的原子束首先经过准直光束产生横向多普勒效应，形成准直度很高的原子束，然后进入聚焦光场，在聚焦光场的势垒作用下在基板上形成对应的条纹。

目前利用原子光刻技术获得的样品的沉积条纹质量不高，如沉积线比较粗。虽然平均节距非常准确，但在一个单线对上一个单次的测量可能产生很大的不确定性，这将限制它在某些场合的应用，例如作为线宽标准。目前正在研究制造过程中减小粗糙度使其精细化的方法。

纳米技术的兴起和发展使人们越来越能够深入了解物质的微观领域和制造相应的纳米器件，促进了现代科学技术的创新和进步。纳米计量水平和纳米计量传递标准影响着纳米微电子、微机械、精密测量技术的发展及其相应仪器的开发。通过比较实现纳米传递标准的3种方法可以知道，利用原子光刻技术可以获得更细、更高精度的纳米级条纹、点阵或者所需要的特定图案，对开发新型标准尺寸纳米、微米结构和纳米、微米结构元件将起到极大的推动作用。以激光对中性原子的冷却、捕获、聚焦和沉积为重要内容的原子光刻技术在未来将会得到更深入广泛的研究和发展。