(完整版)微纳加工

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。
19
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
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。
35
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。
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。
33
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。
34
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。
22
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。
23
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）
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。
16
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。
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
1
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。
27
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。
28
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。
3
一、侧壁沉积法侧壁光刻
1、定义 2、应用
4
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。
5
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
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。
1、定义 2、工艺步骤
38
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。
11
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
12
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。
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。
2
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；
24
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
25
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。
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。
32
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
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。
26
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。
13
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。
14
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。
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。
9
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。
8
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
6
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
7
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。
层的加厚，最后将沟槽封死。
20
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
21
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
10
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
17
三、横向添加法
1、定义 2、应用 3、工艺流程
18
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
36
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。
37
六、多步加工法
30
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
31
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ห้องสมุดไป่ตู้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。
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。
29
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。