(完整版)微纳加工

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1、定义
垂直抽减加工方法： 基于与侧壁沉积间接加工相反过程实现纳米尺度结
构的间接加工。 侧壁沉积
以沉积的薄膜作为最后的图形结构，而支撑结构在 最后一步加工中被清除。 垂直抽减则是将侧壁的薄膜刻蚀清除，以清除后留下 来的间隙作为最后的图形结构。
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2、工艺步骤
步骤： 1、低分辨率光刻技术（支撑结构） 2、热氧化工艺（表面转化二氧化硅） 3、PECVD工艺（表面沉积氮化硅） 4、化学机械抛光工艺（表面平整化） 5、反应离子刻蚀方法（清除多余部分）
二氧化硅纳米球阵列还可以作为微透镜阵列。每一 个二氧化硅都是一个球形透镜，可以将入射光汇聚 成一点。
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纳米球阵列刻蚀掩膜
将二氧化硅小球排列在光刻胶层上，入射光进入球 透镜阵列会聚对光刻胶曝光，显影后在光刻胶上形 成孔阵列。小孔的大小不仅与球透镜会聚光斑的大 小有关，还与曝光剂量有关。
如用0.97微米直径的二氧化硅小球和365nm波长紫外光 可以在光刻胶上得到250nm的孔阵列。若要制作100nm 以下的孔阵列，需要用深紫外波长的光源曝光。
2、工艺步骤
纳米球阵列掩膜制作点阵结构的过程包括：纳米球 自组装、蒸发镀膜、去除纳米球掩膜层等步骤。
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2、工艺步骤
1、纳米球自组装：利用普通甩胶机将含有纳米球的悬浮 液旋转涂覆到样品表面，通过纳米球间液体毛细管作用 形成规则排列，形成纳米球阵列掩膜。
2、蒸发金属镀膜。镀膜厚度为10~20nm。 3、酸中溶解
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五、 纳米球阵列法
1、定义 2、工艺步骤 3、纳米球阵列掩膜 4、优势与局限
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1、定义
纳米球阵列法是利用自组装技术在在衬底表面形成 规则排列的聚苯乙烯纳米小球阵列。
这些尺寸均匀一致的小球铺在衬底材料表面，在球 与球之间的间隙会形成规则的点阵图形。
当向纳米球覆盖的表面进行热蒸发沉积金属薄膜时， 蒸发材料的分子只能通过球与球之间的间隙沉积到 衬底材料表面。纳米球阵列起到了掩膜的作用。
氧化削尖工艺过程 15
3 、目的
横向抽减法希望刻蚀或者腐蚀过程尽可能各向同性，但各 向异性的湿法腐蚀也可以通过巧妙的设计腐蚀方法来实现横 向抽减的间接加工。例如KOH对硅的腐蚀是各向异性的，腐 蚀速率与晶面指数有关，通过设计特殊的掩模图形可以实现 所要求的纳米结构。
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4 、其他方法
我们也可以通过“修剪”的方法来将宽粗结构变为窄细结 构。其中聚焦离子束（FIB）是一种最好的，最灵活的微纳米 修剪技术。FIB既可以实现微纳米尺度的溅射刻蚀，也可以实 现微纳米尺度的溅射沉积。FIB最成功的例子是修剪计算机硬 盘的读写磁头。
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4、优势与局限
如图所示，如果不是垂直辐 照，而是以一定角度入射， 并沿空间一定方向扫描，则 曝光得到的图形不是点阵而 是短线条阵列。
这一技术最吸引人之处是它的制作过程简单与低成本， 不需要任何复杂高昂的曝光设备。但局限性也很大， 点的直径与点阵的周期均受到纳米球直径的限制。
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六、多步加工法
第九章 间接纳米加工技术
一、侧壁沉积法 二、横向轴减法 三、横向添加法 四、垂直抽减法 五、纳米球阵列法 六、多步加工法 七、超级分辨率法
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引言
光刻技术：包括光学曝光、电子束、离子束、扫描探针、
压印技术、微接触印刷技术等。此加工技术有一个共同点即 加工结构或者图形的最小尺寸直接决定于各种光刻技术的分 辨率。图形转移技术也会对最后的尺寸结构有所影响，但图 形转移也是以光刻形成的掩膜为依据的。
将镀膜后的样品放在氯乙酸中，将聚苯乙烯纳米球溶解， 最后在衬底材料表面留下纳米金属点阵。
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图示金属点阵
如图所示，这些只有几十个纳米的金属点 阵可以用于量子点器件、高密度磁存储器 件等应用。
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纳米球阵列刻蚀掩膜
纳米球阵列可以做刻蚀掩膜，将纳米球阵列的间隙 图形转移到衬底材料上，此处需要二氧化硅纳米球 阵列做掩膜，刻蚀形成纳米孔的点阵。
层的加厚，最后将沟槽封死。
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3、工艺流程
一、通过横向添加材料缩小间隙的方法
A、传统直接加工方法得到的初始间隙
B、通过材料沉积获得的缩小的间隙
二、非光刻间接方法缩小孔直径的加工工程
C、聚焦电子束辅助沉积将120nm间隙缩小为5nm
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四、垂直抽减法
1、定义 2、工艺步骤 3、原料要求 4、应用及优势
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上图为该工艺过程的说明
二、横向抽减法
1、定义 2、应用 3、目的 4、其他方法
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1、定义
横向抽减加工方法： 横向抽减法是将一个宽图形从两侧逐渐抽减使之最后变
成窄图形的方法。 利用化学湿法腐蚀的各向同性和反应离子刻蚀的部分各
向同性，是实现横向抽减的一种有效途径。使用这一技术 的关键是要尽可能使刻蚀达到各向同性，即达到尽可能显 著的横向刻蚀。
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一、侧壁沉积法侧壁光刻
1、定义 2、应用
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1、定义
所谓侧壁沉积法，是通过向侧壁沉积薄膜材料的方法 制作窄细线条结构，通常又称为侧壁光刻或边缘光刻。
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2、应用
侧壁沉积法的加工过程：
(a) 用传统光刻与硅刻蚀方法制作大尺寸的支撑结 构 （b）在支撑结构外表面沉积一层二氧化硅薄膜材料 （c）将支撑结构顶部与底部的二氧化硅薄膜通过刻 蚀清除 （d）将刻蚀沟槽用光刻胶填平 （e）氧等离子体轻度刻蚀光刻胶，仅将凸起结构 顶 部的光刻胶去除，暴露出新鲜硅表面 （f）硅刻蚀，将二氧化硅侧壁包围的硅除去 （g）用等离子体将光刻胶去除，获得仅由二氧化硅 侧壁组成的图形
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三、横向添加法
1、定义 2、应用 3、工艺流程
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1、定义
横向添加法是获得窄细的间隙结构的一种间接加工方法。 传统的方法是电子束曝光+反应离子刻蚀或者聚焦离子束方法。 所谓的横向添加法就是从一个宽带间隙开始，通过沉积的方法
不断从两端横向添加材料，使得宽的间隙变窄。 通过控制间隙的起始量和材料的沉积量，可以使间隙缩小到只
垂直抽减法的关键是要求支撑材料与沉积材料的刻 蚀化学不兼容，即刻蚀其中一种材料对其余材料无 损伤。
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垂直抽减+碱性腐蚀各向异性
利用单晶硅在碱性腐蚀液中的腐蚀是各 向异性的特点在SOI硅片上可以控制当 “V”形槽的锥底刚好在到达二氧化硅夹 层时停止腐蚀。
小孔
从反面实施硅深刻蚀，将硅的“把手 层”去除，并刻蚀清除二氧化硅夹层， 正面的“V”形槽的尖锥顶就变成了一 个透明孔。
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2 、应用
硅线条在RIE（反应离子刻蚀）过程的演变
RIE方法制作的纳米硅尖阵列
由上可以看出随着时间的增加，一方面刻蚀的深度增加，另一方面图形顶部的横向尺寸 减小。
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2 、应用
这是另一种横向抽减方法是：通过氧化将一部分硅转化为 二氧化硅，然后利用化学湿法腐蚀将二氧化硅部分腐蚀掉， 从而形成尖细的硅结构。常使用的腐蚀材料是氢氟酸，由 于刻蚀深度有限，故需要多次进行“氧化——腐蚀”的循环 过程。反之，也可以将硅腐蚀，保留二氧化硅，形成非常 窄细的沟道。
间接技术：意指非直接光刻技术，图形结构的分辨率不
决定于某种光刻的分辨率。例如：当无法用电子束或者光学 直接曝光实现小于10nm的线条图形，可以先加工一个宽线条 图形，然后从线条两边一点一点的挖除，直到线条宽度小于 10nm。这也是所谓的间接方法。
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间接加工技术的优缺点：
间接加工技术不是显而易见的“光刻+图形转移”的 加工技术，而是比较复杂的、通常涉及多道工艺环 节的加工技术。 间接加工技术通常不像直接加工技术那样具有普适 性和灵活性； 间接加工技术一般很难制作任意形状的图形结构；
胶表层的工艺，经过处理后的光刻胶能够有效阻止 氧等离子体的刻蚀。通过控制工艺条件可以有效控 制硅原子在光刻胶层的扩散深度。最后形成的结构 是掺有硅原子的光刻胶结构，它可以作为反应离子 刻蚀掩膜而将线条图形继续转移到衬底材料上。
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3、优缺点
侧壁光刻技术自从报道以来一直被沿用至 今，基本原理没有变化，唯一变化的是不 同的支撑材料与薄膜材料的组合，但无论 何种材料组合只要满足前述两条件，均可 以实现侧壁光刻。 优：侧壁光刻是一种低成本制作纳米图形 结构的方法，尽管制做程序要比直接光刻 方法复杂一些。 缺点;侧壁光刻法制作的图形形状受到支撑 图形的限制。
有2—3nm。最精确也是最灵活的方法是聚焦离子束或者聚焦电子 束辅助沉积。聚焦电子束的沉积结果更准确但效率较低。
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2、应用
（1）利用类似的技术可以用来缩小孔的直径。 步骤：①薄膜沉积，孔缩小的程度与薄膜沉积的厚度有关；
②通过各向异性刻蚀去除衬底表面和孔底的薄膜； ③图形转移。 （2）利用这一个技术也可以密封的沟道。 步骤：①通过各向异性刻蚀获得矩形沟槽； ②通过各向同性刻蚀将矩形沟槽变成圆形截面沟槽； ③薄膜沉积，保护沟槽的开口 ④通过原子层沉积（ALD）填充沟槽内壁，随着沉积
6ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2、应用
右图是用这一工 艺获得的高深宽 比二氧化硅结构， 最小线宽可以做 到25nm，高达 700nm
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2、应用
侧壁沉积法制作的线条结构的线宽不决定于光刻的分辨率， 而决定于侧壁薄膜的厚度，因此称为侧壁光刻。 成功实现侧壁光刻需要满足两个条件： 一、要保证支称结构的侧壁足够垂直，这样清除顶部薄膜 时不会损伤侧壁的薄膜 二、在腐蚀去除支撑结构材料时刻蚀或腐蚀化学对薄膜材 料无影响，这样才能保证在清除支撑结构时薄膜结构能完 整保留下来。
GaAs与AlGaAs的特点是它们 可以分别不同的酸性腐蚀液腐蚀。 例如，用柠檬酸与双氧水混合液 （5:1）腐蚀GaAs而不会影响 AlGaAs，用稀释的氢氟酸腐蚀 AlGaAs而不会影响GaAs。
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优势
利用这一特性可以将交替生长层中的一种材料腐蚀 清除而保留另一种材料，形成高密度纳米线条结构。 这些线条的宽度只与MBE生长层的厚度有关。用这 种技术可以间接制作出间隙只有23nm宽的分离电极 结构，还制作出只有6nm间距的纳米压印印模。
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工艺过程的说明
线条图形是最容易由侧壁光刻法实现的图 形。 也可以形成其他的图形，但需要巧妙设计 支撑结构图形。
如果支撑结构的侧壁不垂直，可以将侧壁 的薄膜保护起来。保护的方法之一是将支 撑结构掩埋，只留出顶部供刻蚀。如下图
（a）通过反应离子刻蚀硅形成硅的锥形支撑 结构 （b）沉积金属薄膜 （c）将附有金属薄膜的锥体用光刻胶掩埋 （d）通过反应离子刻蚀将顶层的光刻胶剥离， 使其只露出锥尖部分 （e）作为支撑结构的硅全部腐蚀清除，留下 开口的金属锥形结构
1、定义 2、工艺步骤
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1、定义
多步加工是指通常只需要一步加工制作的微纳 米图形结构，由于加工分辨率的限制无法用一步 加工实现，于是将一步加工分解成多步加工。
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2、工艺步骤示意图
支撑结构
低分辨率光刻技术
表面转化SiO2 热氧化工艺 表面沉积Si3N4 PECVD工艺 表面平整化 化学机械抛光工艺
清除多余部分 反应离子刻蚀方法
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3、材料要求及应用领域优势
这一间接加工技术已经被用来制作纳米流体器件， 纳米流体通道宽度可以很容易地做到小于100nm。
其他一些方法可以在不改变光刻分辨率的情况下获得高分 辨率的图形结构。例如巧妙运用正型光刻胶与付型光刻胶的显 影特性的差别，可以实现远小于光学曝光分辨率的图形。
窄细结构的电极在量子电子学研究和生物学中单分子行为 的研究中具有广泛的应用。这种结构的间隙一般要求在10nm 以下，传统的光刻与刻蚀技术很难获得如此小的电极间隙。一 般，我们可以通过横向抽减法和横向添加法来获得。
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2、应用
侧壁光刻最初的工艺是光刻胶制作支撑结构，用
PECVD技术在光刻胶结构上沉积SiO2薄膜，用RIE （CF4气体）去除顶部的SiO2薄膜，最后用氧等离子 体去除光刻胶支撑结构。后来进行改进免去了SiO2 薄膜沉积环节，而对光刻胶结构进行硅烷基化处理。
硅烷基化工艺是通过化学反应将硅原子植入光刻
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优势
这种技术已经用来制作沉积加工用的纳米阴影掩膜，并 获得最小100nm的沉积图形。这种小孔的制作不涉及任何高 分辨率光刻设备，制作成本大大降低。
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垂直抽减+分子束外延法
分子束外延技术交替生长GaAs 与AlGaAs,形成超薄层异质材料 结构，然后将生长层部分断开， 如图所示，在断口部分暴露出异 质材料的交替生长层面。