原子光刻技术

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1、原子光刻技术摘要与光子和电子不同，原子的激发亚稳态具有方便操作的内能态结构，这使利用内能态的光学灭原理实现光刻技术成为现实。基于原子光学的中中性原子束光刻技术是下一代光刻技术(thenextgenerationlithography,NGL)的一种，它可分为两种途径实现：激光驻波原子直沉积技术和亚稳态中性原子光刻技术。前者可以实现图案的纳米尺度特征、大面积平行沉积和高分辨率；后者结合有效的抗蚀剂，同样可以实现纳米图形制造。在基板上获得的尖锐边缘分辨率目前可达40nmo两种途径的原理相差甚远，但最终获得的结果相似。文章对原了光刻进行了深入的分析，介绍了基本概念、工作原理、相

2、关实验方案，针对原子光刻的原子捕获、激光稳频、原子束聚焦和沉积等关键技术，进行了分析和讨论。关键词：原了光刻；原了光学；纳米结构；激光稳频；原了束沉积0.绪论光刻技术是纳米结构制作的重要工艺，通过增大光刻物镜的数值孔径（N.A）和缩短曝光波长，可以提高光刻系统的分辨率。但当光刻图形的尺寸小于100nm时，光学光刻面临着很大的挑战。原子光刻是一种利用原子束实现刻印的新方法。作为原子光刻中的原子拥有X射线、电了束及离了束等刻印媒体所不具备的特点。自20世纪60年代，集成电路技术得到迅速发展，集成规模越来越大，集成效率越来越高。传统光刻技术及电子束光刻技术是半导体工业中常用的制

3、备工艺。近年来，为了提高集成度，在追求最小特征尺寸和极限分辨率的情况下，对仪器设备的要求越来越苛刻，传统光刻技术正面临越来越严峻的挑战。受光学衍射极限的限制，提高光了能量是降低特征尺寸的唯一途径。当今半导体工业中，光刻技术的曝光光源已从可见光波段发展到极深紫外光波段，也提高了制备短波光学元件的材料及工艺要求。在电子束光刻技术中，由于空间电荷效应的影响，特征尺寸的缩小是以昂贵设备为代价来实现的。在这些情况下，作为一种潜在光刻技术的原子光刻技术有望成为集成电路和微型器件加工的新型纳米结构制造技术。1.原子光刻技术简介1995年，美国国家标准技术研究所和哈佛大学的科学家们成功地

4、运用中性原了代替光了和电了，在硅表面产生了金的微纳米图形，这是原子光刻技术的第一个实验结果，并预言原子光刻技术制造出集成电路或其他器件比其他光学光刻技术制造的小十倍。自从以后,美国、德国、口本、法国等国家先后在中性原子光刻实验上取得了成功，原子光学的基础研究成果止逐步向原子光刻技术进行转化，是基础研究技术化的典型之一。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结构图形，基于中性原了的性质，原子光刻具有以下独特优势：首先,中性原子束的原子源装置结构简单,价格低廉;其次，相对于光子和电子，中性原子束的粒子动能非常低，小于leV,对表面损伤极小，以惰性气体为例，一个原

5、子经激发处于激发亚稳态是可携带8・20eV的内能，单个红外光子就可以耗散一个原子所含的内能。由于相对较低的速度和较大的原了质量，中性原了的德布罗意波长很短，相应的衍射效应非常小；第三，中性原子的运动轨迹不受均匀电场和磁场的影响，而介于中性原子之间的长程粒子间相互作用力非常小，没有库伦排斥力引起的分辨率限制（离子束光刻中存在）;第四，中性原子束还具有电子束或光子束所不具有的跃迁态，原子具有可用激光调谐的中间态结构，这种中间态结构使得原了操控成为可能，并可以通过激光冷却来增强原子束通量和校准。与其他光刻技术比较，原子光刻由于目前的技术尚难以获得高强度束流，制造效率较低。此外，

6、还有一些本文后面部分提到的关于原子操控和原子与表面相互作用等方面基础研究难点造成的技术问题尚未得到最后解决。原子光刻技术可分为两种模式：一种是中性原子经原子透镜聚焦成非常精细的点直接沉积到基板上，在纳米结构制备过程可以在干净、无抗蚀剂的环境下完成。因为中性原子的动能非常小，对基板的损伤非常小或没有损伤，这对于无污染和无缺陷生长纳米结构来说是非常重要的；另外一种是采用亚稳态中性原子对基板表面的合适的抗蚀剂曝光，采用湿法化学刻蚀的手段在基板上刻印图案结构，迄今为止，金属原了直沉积技术已经取得了显著成果，同样,结合抗蚀剂的亚稳态中性原子光刻技术也取得了重要进展，本为分布-了以解

7、释。2.应用于微纳米制造的原子光学设计2.1原子束的产生中性原了束是原了物理和薄膜物理的支柱技术。自20世纪初以来，在其性质及可能的应用技术研究中收获其丰。中性原子束的标准源包括热源和喷射源两类，两者动能均小于lOOeVo最基本的原子束产生方法是在真空系统中的热蒸发技术，这是一种最简单的典型热源，如图1所示，材料在小真空圮堀室内加热到热平衡状态时，蒸汽压大约为lOOPa的蒸发原子，通过毫米尺度的小孔扩散到压强小于1(/巾3真空系统中，原子的平均自由程至少为lm的量级。当原子从小孔中射出时，它们在真空系统中沿着直线发散，直至碰撞