1、9 纳米技术9.1 纳米技术概述在广博的自然界、生物界中早巳充满了纳米科学的内涵。在坚硬的齿的外表面排列着纳米尺寸的微晶，这早已在人类和动物的牙齿中存在。考古学家观察到了几千年前制备的古铜器和古瓷器表面至今完好无损，这些表面均是由纳米级的晶粒组成。在自然界里，纳米科技及分子机器实际上早已存在。动、植物按最微基准来定义，就是这些“纳米机器”的组合体。这些纳米机器中最为人熟知的就是蛋白质、核糖核酸(RNA) 以及辅助细胞再生修复和辅助制造蛋白质的酶。纳米(nanometer)，是一个长度单位，简写为 nm。1nm=10 -3m=10-6mm=10-9m。在原子物理中还常使用埃作单位(A) ，1 A
2、=10 -10m，所以 1nm=10A。氢原子的直径为 1 A，所以 lnm 等于 10 个氢原子一个挨一个排起来的长度。由此可知，纳米是一个极小的尺寸，但它又代表人们认识上的一个新的层次，从微米进入到纳米。纳米技术是20世纪80年代末期诞生并正在蓬勃发展的一种高新技术。它的内容是在纳米尺寸范围内认识和改造自然。纳米技术通常是指纳米级0.1nm100nm的材料、设计、制造、测量、控制和产品的技术。纳米技术标志着人类对自然的认识和改造方面已从宏观领域进入到物理的微观领域，深入了一个新的层次。在深入到纳米层次时，所面临的决不是几何上的相似缩小的问题，而是一系列新的现象和新的规律。在纳米层次上，一些
3、宏观的物理量，如弹性模量、密度、温度等已要求重新定义，在工程科学中习以为常的欧几米德几何、牛顿力学、宏观热力学和电磁学都已不能正常描述纳米级的工程规律，而量子效应、物质的波动特性和微观涨落等已是不可忽略的，甚至是主导因素。纳米科学技术(nano scale science and technology)是一门在0.1nm-100nm尺度空间内，研究电子、原子和分子运动规律与特性的高技术学科。它的最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子，制造具有特定功能的产品。纳米科学技术涵盖纳米物理学(nanophysics) 、纳米电子学(nanoelectronics) 、纳米材料科学(nanomet
4、er materials science)、纳米机械学 (nanomechanics)、纳米生物学(nanobiology)、纳米医学(nanomedicine)、纳米显微学(nanoscopy)、纳米计量学(nanometrology)和纳米制造(nanofabrication) 等。它是在现代物理学与先进工程技术相结合的基础上诞生的，是一门基础研究与应用探索紧密联系的新兴科学技术。许多专家预测，纳米科技必将成为 21 世纪的主导新技术之一。纳米机器可能做出器官再生、环境复原等许多惊人之举。近几年来，人们在制造分子机器方面已取得许多突破性的进展。能攻击病菌的抗生素，就是一个杰出的例子。人类一
5、旦制造出了新型纳米机器，就可以使它像脱氧核糖核酸(DNA)以及它的伴生酶那样，根据所140储存的指令或控制输入来完成各种通常方法不能完成的任务。纳米技术会将人类带人一个奇迹层出不穷的时代。科学家认为，如果能在原子尺寸基准上控制纳米机器的结构造型，那么纳米技术就将给我们带来数不尽的新产品、新工艺、新技术和潜在的利益。首先，纳米技术能够改变材料制造业的现状，制造出纯度很高的材料。第二，纳米机器可以奇迹般地回收并提取微量元素，如果使用其他方法来回收，这些微量元素会散失到环境中去；纳米机器还能清除废水中的有毒化学物质。第三，纳米技术可以制造超级嗅觉器，用来检测毒品、炸药、工厂泄露物质等等。第四，纳米机
6、器可以奇迹般地缩短产品从设计到批量生产所需的时间。纳米机器每秒能完成数十亿次操作，目前，需几天或几个月完成的事情，有可能在几分乃至几秒钟内完成。第五，使用纳米机器，可以使传统的装配工艺变成一次成型工艺。它可以做修理工作，其工作范围从消除发动机零件的腐蚀损坏与细小裂纹到医治患者的病变、修复损坏的器官、进行人体肢体再生、人体整容等。第六，纳米逻辑器件具有先进水平，亿倍于目前微处理器和随机存取存储器芯片的容量。纳米机器不仅可以控制单个电子，而且可以控制单个光子，实现通信瞬时化。纳米技术的诞生是以扫描隧道电子显微镜和原子力显微镜的发明为先导的。1981年美国IBM公司在瑞士的苏黎世实验室的 G. Bi
7、nning教授和H. Rohrer博士发明了扫描隧道电子显微镜(Scanning Tunneling Microscopy, 简称为STM)。这是目前为止进行表面分析的最精密的仪器，可以直接观察到原子。它的横向分辨率达0.1nm，纵向分辨率达0.01nm。两位博士因发明STM而于 1986年获得诺贝尔物理奖。由于STM及原子力显微镜的发明，不仅可以直接观察原子、分子，而且能够利用STM 直接操纵和安排原子和分子，这就实现了人们由来已久的两个梦想，一是直接看到原子，二是按人们的意愿去安排原子，这在人类科学历史上是一个巨大的进步。美国加州的IBM研究室利用STM，在低温下在Ni表面上将35个Xe（
8、氙）原子排布成最小的IBM商标，此后日本的研究室实现了在室温下进行单原子操作，以原子空穴的形式写下了“peace 91”的字样。利用STM按照需要排布单个原子的能力显然可以构成高密度的数据存储器件，其密度比目前的磁盘要高十亿倍。这势必引起信息技术新一轮革命。纳米科技中纳米加工具有更广泛的含义，例如纳米刻蚀技术(Nanolithography)也是在纳米尺度上制备产品的方法之一。目前微电子技术中最细的刻线为几百纳米，而利用STM中针尖与表面相互作用原理可以进行纳米级的刻蚀。现在我国已能用STM刻出 10nm的细线。这种技术具有非常重要的实用价值。一是可制备高密度的存储器。二是可与分子束外延技术结
9、合，制造出三维纳米量子器件，这将对微电子、激光技术、光电技术产生革命性的影响。纳米技术方面取得的初步成果已引起各发达国家的极大重视，美国最早成立了纳米科技研究中心，将纳米加工列入国家关键技术。日本制定了庞大的国家计划开展纳米技术的研究，创办“原子工厂”。我国政府对纳米技术予以了足够的重视。1411991年召开了纳米科技发展战略学术研讨会。将纳米技术列入了“八五”、“九五”和“十五”国家重点项目。9.2 纳米测量技术一、 纳米级测量方法简介纳米级测量技术包括：纳米级精度尺寸和位移的测量，纳米级表面形貌的测量。在纳米级测量中常规的机械量仪、机电量仪和光学显微镜等，已不易达到要求的测量分辨率和测量精
10、度；此外接触法测量不但不易达到要求的预期精度，而且很容易损伤被测表面。现在纳米级测量技术主要有两个发展方向：1. 光干涉测量技术这方法是利用光的干涉条纹以提高测量的分辨率。可见光和紫外光的波长较长，干涉条纹间距达数百纳米，不符合测量要求。纳米级测量用波长很短的激光或X射线，故可以有很高的测量分辨率。光干涉测量技术可用于长度和位移的精确测量，也可用于表面显微形貌的测量。用这种原理的测量方法有：双频激光干涉测量，激光外差干涉测量，超短波长干涉测量，基于F-P标准具的测量技术等。2. 扫描显微测量技术这方法主要用于测量表面的微观形貌和尺寸，它的原理是用极尖的探针对被测表面进行扫描，借助纳米级的三维位
11、移定位控制系统测试出该表面的三维微观立体形貌。用这原理的测量方法有：扫描隧道显微镜，原子显微镜，磁力显微镜，激光力显微镜，热敏显微镜，光子扫描隧道显微镜，扫描离子导电显微镜等。为对这些纳米级测量方法的测量分辨率、测量精度、测量范围等性能有更好的对比了解，在表9-1中给出了几种主要的纳米级测量方法的测量性能对比。表 9-1 纳米级测量方法的对比分辨率(mm) 精度(nm) 测量范围(nm) 最大速度(nm/s)双频激光干涉测量法 0.600 2.00 11012 51010光外差干涉测量法 0.100 0.10 5107 2.5103F-P标准具测量法 0.001 0.001 5 510X射线干
12、涉测量法 0.005 0.01 2105 310-3衍射光学尺 1.0 5.0 5107 106扫描隧道显微测量法 0.050 0.05 3104 10二、 双频激光干涉测量双频激光干涉测量系统的原理如图9-1所示。氦氖激光管1输出的激光在轴向强磁场2的作用下分裂成频率为f 1和f 2旋向相反的两束圆偏振光。这两圆偏振光经 1/4波片成为垂直和水平两个方向的线偏振光，经透镜组4 成为平行光束。f 1和f 2的频率差(f= f1-f2)约为1.21.8MHz 。频率差与氦氖激光频率 (4.741014Hz)相比是极小的。激光f 1和f 2经过分光镜5分成两路，反射的一路光经干涉测量器 7获得f的
13、拍频信号作142为参考信号。其余大部分激光到偏振分光镜6，这时垂直面的线偏振光f 1全部反射，经固定反射棱镜M1而反射回来。水平面的线偏振光 f2全部透过偏振分光镜6，经移动反射棱镜M2而反射回来，由于移动反射棱镜随被测件移动，频率 f2将变成f 2f2，这两路反射回来的激光经过偏振分光镜6又汇合在一起，经反射镜而进入干涉测量器7而获得f f2的拍频信号和前面的f参考信号比较，可以获得f 2的具有长度单位当量的交流电信号。由于变化量f 2是一种频率调制信号，中心频率f 与被测件移动速度无关，可用高放大倍数的窄带交流放大电路，故测量灵敏度高且稳定。由于测量时用的是频率差f，环境变化将使f 1和f
14、 2同时变化，但其差值 f则变化不大，故双频激光测量受环境干扰影响比单频激光测量小得多。三、 Fabry-Perot标准具的测量技术基于F-P标准具的测量技术具有极高的灵敏度和精度，其核心部分是由两块平面度和平行度极高的平面镜构成的谐振腔。这两个平面镜有很高的反射率，只有很少部分光透过镜片输出。具有半波长/2为为腔长的整数分之一的光在腔内形成驻波，其输出得到加强。如果波长有很小的变化，输出能量急剧降低。在测量中F-P标准具的一块平面镜与被测物相联结，可调谐激光器出现峰值信号时，谐振频率是被测物位移的函数。对于腔长为1cm 的F-P标准具，1nm的位移所对应的谐振频率改变量为47MHz，故在理论
15、上 F-P标准具的测量分辨率可以达到10 -7nm。但实际上由于各种因素的影响，只能实现10 -3nm的测量分辨率。四、 X射线干涉测量技术X射线干涉显微测量技术是近年新发展的纳米测量技术，是一种测量范围大，较易实现的纳米级测量方法。早期实践证明X射线波长的数量级别为 1，晶体中原子间距离也是这个数量级。Laue 在1912年建议用晶体作为X射线的衍射光栅，但X射线干涉行为显微测量技术则是近年才发展的。均一的单晶硅尺寸稳定，其晶格常数可以用作长度基准。将3块单晶硅片平行放置，X射线入射第一块硅片后产生衍射，其光束分为两路，经第二块硅片再次衍射，在与被测物联结一体的第三块硅片上光束汇合，产生干涉
16、形成干涉条纹。被测物位移一个硅晶格间距0.2nm，干涉信号变化一个周期，由干涉条纹数和相位，可以实现0.005nm分辨率的位移测量。五、 扫描隧道显微测量技术1. STM简介扫描隧道电子显微镜(简称STM)是1981年G. Binnig教授和H. Rohrer 博士发明的，它用来观察测量物体表面级的表面轮廓，也就是它能观察物质表面单个原子和分子的排列状态以及电子在表面的行为，为表面物理、表面化学、生命科学和新材料研究提供了一种全新的研究方法。后来，随着研究的深入，STM还可以用于在纳米尺度下的单个原子搬迁、去除、添加和重组，构造出新结构的物质。STM的基本原理是基于量子力学的隧道效应。在正常情
17、况下互不接触的两个电极之间是绝缘的。然而当把这两个电极之间的距离缩短到约1nm时，由于量子力学中粒子的波动性，电流会在外加电场作用下，穿过绝缘势垒。从一个电极流向另一143个电极，好向不必再爬过高山，却可以通过隧道而从山下通过一样。当其中一个电极是非常尖锐的探针时，由于尖端放电而使隧道电流加大。用探针在试件表面扫描，将它“感觉”到的原子高低和电子状态的信息采集起来，通过计算机集成，即可以得到表面的纳米级三维的表面形貌。2. STM工作原理、方法及系统组成扫描隧道电子显微镜的工作原理如图9.1所示。图9.1扫描隧道电子显微镜的工作原理示意图当探针的针尖接近试件表面距离为1nm左右时，将形成如图9
18、.2所示的隧道结。在探针和试件之间加偏压U b，隧道间隙为d ，势垒高度为=( 1+2)/2，且U b时，隧道电流密度 j为： )(22104kbaeUhej式中 h普郎克常数；e电子电量；ka，k o为系数由上式可见，针尖与试件间的距离d对隧道电流密度j非常敏感。对于大多数金属试件，如果距离每减小0.1nm，隧道电流密度j将增加一个数量级。这种隧道电流对隧道间隙的极端敏感性就是STM的基础。STM可以有两种测量模式，等高测量模式和恒电流测量模式。1) 等高测量模式 这种测量模式的原理如图9.3。采用这种等高测量模式时，探针以不变高度在试件表面扫描，隧道电流将随试件表面起伏而变化，因此测量隧道
19、电流变化就能得到试件表面形貌信息。这种12dUbSTM 探针试件图 9.2 STM 的隧道结示意图扫描器检测电路输出STM 探针试件图 9.3 STM 等高测量模式工作原理144测量方法只能用于测量表面起伏很小时的试件，且隧道电流大小与试件表面高低的关系是非线性的，由于上述限制，这种测量模式很少使用。2) 恒电流测量模式 这种测量模式的原理见图9.4。采用这种测量模式时，探针在试件表面扫描时，要保持隧道电流恒定不变，即使用反馈电路驱动探针，使探针与试件表面的距离在扫描过程中保持不变，这时探针将随试件表面的高低起伏而跟踪其高低起伏。记录反馈的驱动信号即得到试件表面的形貌信息。这种测量模式将隧道电
20、流对隧道间隙的敏感性转移到反馈扫描器的驱动电压与其位移间的关系上，避免了等高测量模式时的非线性，提高了纵向测量的测量范围和测量灵敏度。现在STM大都采用这种测量模式，纵向测量分辨率最高可以达到0.01nm。获得表面微观形貌的信息后，通过计算机进行信息的数据处理，最后得到试件表面微观形貌的三维图形和相应的尺寸。由于采用低噪声的预放电路、功能强的软件和高效的防振系统，扫描隧道显微镜能得到清晰分辨原子的图像。图9.5是观测到的Si(111)7 7表面的原子结构。左图是硅片相对针尖加正偏压，得到的是占据态结构像；右图是硅片相对针尖加负偏压，得到的是空态像。图9.5 正负偏压下Si(111)7 7表面的
21、原子结构从上述STM的工作原理可知，它是由下面三部分组成：探针和控制隧道电流恒定的自动反馈控制系统；纳米级三维位移定位系统，以控制探针的自动升降和形成扫描运动；信号采集和数据处理系统，这部分主要是计算机软件工作。3. STM的特点扫描器检测电路输出STM 探针试件图 9.4 STM 恒电流测量模式工作原理驱动电路145与其他显微分析仪器相比，扫描隧道显微镜具有以下特点：具有原子级的分辨率，横向分辨率为0.1nm，纵向分辨率高达0.01nm ，即可以分辨出单个原子；能够实时获得表面的三维图像，用于周期性或非周期性的表面结构研究，实现对表面扩散等动态过程的研究。可以观察单个原子层的局部表面结构，而
22、不是体相或整个表面的平均信息，因而可直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置。可以在大气、真空、常温、低温甚至液体中工作，不需要特别的制样技术，探测过程对样品无损伤，特别适用于研究生物样品和在不同条件下对样品表面的评价。配合扫描隧道谱可以获得有关表面电子结构的信息表面不同层次的电子密度、表面势垒的变化和能隙结构等。利用STM针尖还可以对原子和分子进行操纵。图 9.6是同时具有STM 和AFM功能的多功能表面分析系统。图9.6 多功能表面分析系统六、其它测量技术（原子力显微镜）扫描隧道显微镜虽然有极高的测量灵敏度，但它是靠隧道电流进行测量的，因此不能用于非导体材料的测量。有人参考扫描
23、隧道显微镜的测量原理，提出依靠探针尖和试件表面间的原子作用力来测量的原子力显微镜，依靠磁作用力的磁力显微镜，激光力显微镜，光子扫描隧道显微镜等一系列扫描探针测量技术或类似的扫描测量技术，可以分别用于测量非导体，磁性物质甚至有机生物体等表面的纳米级测量。下面介绍原子力显微镜（AFM）的测量原理和工作原理。1. AFM的测量原理 为解决非导体的表面微观形貌的检测，G.Binnig1986 年发明了原子力显微镜，它是利用原子间的作用力而进行测量的。当两个原子间距离缩短到 级时，原子间的相互作用力就显示出来。由于这两原子的相互作用，造成两个146原子的势垒高度降低，使系统的总能量降低，于是二者之间产生
24、吸引力。如这两原子间的距离继续减小到原子直径时，由于原子间的电子云的不相容性，两原子间的作用力表现为排斥力。在AFM中，探针与样品之间的原子间的吸引力和排斥力的典型值在10 -9N左右。AFM有两种测量模式：接触测量和非接触测量。接触式测量是利用原子间的排斥力，探针针尖和试件表面间距离0.5nm ；非接触式测量是利用原子间的吸引力，探针针尖和试件表面间距离在0.51nm。由于利用原子间排斥力的接触测量，分辨率要高很多，可以得到原子级的分辨率，现在AFM 主要采用这种测量模式。AFM的测量原理是探针扫描试件表面，保持探针与被测表面间的原子排斥力一定，探针扫描时的纵向位移即是被测表面的微观形貌。原
25、子力显微镜由扫描探头、电子控制系统、计算机控制及软件系统、步进电机及自动逼近控制电路等几部分组成。2. AFM的工作原理可以有不同方法保持探针在试件表面的原子间的排斥力恒定。常用的方法是将探针用悬臂方式装在一个微力传感弹簧片上，这弹簧片非常软，弹性系数在0.010.1N/m。探针在试件表面扫描时，探针将随被测表面起伏而升降。 G.Binnig研制的AFM 是用扫描隧道显微镜来检测探针的纵向位移的。试件装在能作三维扫描的AFM扫描驱动台上，AFM探针装在弹簧片的外端。STM的驱动只能作纵向微进给，STM的探针检测出AFM探针的簧片的纵向起伏运动。进行测量时，AFM的探针被微力弹簧片压向试件表面，
26、探针尖端和试件表面间的原子排斥力将探针微微抬起，达到力的平衡。AFM探针在试件表面扫描时，因微力弹簧的压力基本不变，故探针将随被测表面的起伏面上下波动、AFM探针弹簧片后面的 STM探针和弹簧片间产生隧道电流，控制隧道电流不变，则STM的探针和AFM的探针将作同步的纵向位移运动，即可测出试件表面的微观形貌。微力弹簧将探针压向试件表面的力甚小，在10 -9N左右，故不会划伤试件表面。AFM的测量分辨率纵向可达到0.010.1nm。9.3 纳米加工技术9.3.1 纳米级加工的物理实质纳米级加工的物理实质和传统的切削加工有很大的不同，一些传统的切削方法和规律已不能用在纳米级加工。欲获得1nm的加工精
27、度，加工的最小单位必然在亚纳米级。由于原子间的距离为0.10.3nm，纳米级加工实际上已经到加工精度的极限。纳米级加工中试件表面的一个个原子或分子将成为直接的加工对象，因此纳米级加工的物理实质就是要切断原子间的结合，实现原子或分子的去除。各种物质是以共价键、金属键、离子键或147分子结构的形式结合而组成，要切断原子或分子的结合，就要研究材料原子间结合的能量密度，切断原子间结合所需的能量，必然要求超过该物质的原子间结合能，因此需要的能量密度是很大的。表9-2中是若干种材料的原子间结合能密度。在机械加工中工具材料的原子间结合能必须大于被加工材料的原子间结合能。表 9-2 不同材料的原子间结合能密度
28、材料 结合能 备注Fe 2.6103 拉伸SiO2 5102 剪切Al 3.34102 剪切Al2O3 6.2105 拉伸SiC 7.5105 拉伸B4C 2.09106 拉伸CBN 2.26108 拉伸金刚石 5.641081.02107 晶体的各向异性在纳米级加工中需要切断原子间结合故需要很大的能量密度，约为105106J/cm3,传统的切削加工消耗的能量密度很小，实际上是利用原子、分子或晶体间连接处的缺陷而进行加工的。用传统切削加工方法进行纳米级加工，要切断原子间的结合就相当困难了。因此直接利用光子、电子、离子等基本能子的加工，必然是纳米级加工的主要方向和主要方法。但纳米级加工要求达到极
29、高的精度，使用基本能子进行加工时，如何进行有效的控制以达到原子级的去除，是实现纳米级加工的关键。近年来，纳米级加工有很大的突破，例如用电子束光刻加工超达规模集成电路时，已实现100nm线宽的加工；离子刻蚀已实现纳米级表层材料的去除；扫描隧道显微技术已实现单个原子的去除、搬迁、增添和原子的重组。纳米加工技术现在已成为现实的、有广阔发展前景的全新加工领域。9.3.2 纳米级加工精度纳米级加工精度包括：纳米级尺寸精度、纳米级几何形状精度、纳米级表面质量。对不同的加工对象这三方面有所偏重。1. 纳米级的尺寸精度1) 较大尺寸的绝对精度很难达到纳米级。零件材料的稳定性、内应力、本身质量造成的变形等内部因
30、素和环境温度变化、气压变化、测量误差等都将产生尺寸误差。因此，现在的长度基准不采用标准尺为基准，而采用光速和时间作为长度基准。1m长的实用基准尺，其精度要达到绝对长度误差0.1m 已经是非常不易了。2) 较大尺寸的相对精度或重复精度达到纳米级，这在某些超精密加工中会遇到，如某些特高精度孔和轴的配合，某些精密机械精密零件的个别关键尺寸，超大规模集成电路制造过程中要求的重复定位精度等，现在使用激光干涉测量和X射线干涉测148量法都可以达到级的测量分辨率和重复精度，可以保证这部分加工精度的要求。3) 微小尺寸加工达到纳米级精度，这是精密机械、微型机械和超微型机械中遇到的问题，无论是加工或测量都需要继
31、续研究发展。2. 纳米级的几何形状精度这在精密加工中经常遇到，例如精密轴和孔的圆度和圆柱度；精密球（如陀螺球、计量用标准球）的球度；制造集成电路用的单晶硅基片的平面度；光学、激光、X射线的透镜和反射镜、要求非常高的平面度或是要求非常严格的曲面形状。因为这些精密零件的几何形状直接影响它的工作性能和工作效果。3. 纳米级的表面质量表面质量不仅仅指它的表面粗糙度，而且包括其内在的表层的物理状态，如制造大规模集成电路的单晶硅基片，不仅要求很高的平面度，很小的表面粗糙度和无划伤，而且要求无表面变质层、无表面残留应力、无组织缺陷。高精度反射镜的表面粗糙度、变质层会影响其反射效率。微型机械和超微型机械的零件
32、对其表面质量亦有极严格的要求。9.3.3 纳米光刻技术纳米科学技术将成为新世纪信息时代的核心技术。纳米量级结构作为研究微观量子世界的重要基础之一，其制作技术是整个纳米技术的基础，已成为当前世界科学研究急需解决的问题。这里介绍几种纳米光刻技术的实现途径、发展现状和关键问题。详细阐述了波前工程、电子束光刻、离子束光刻、x 射线光刻、原子光刻、干涉光刻、极紫外光刻以及 157nm 光刻的原理和实现难点。作为下一代各种光刻技术，它们都有望实现纳米量级的图形，但各种技术可实现的分辨率极限有所不同。50nm以上分辨率可以用 193nm 光刻结合波前工程和干涉光刻实现。 50nm 左右的分辨率可用极紫外光刻
33、、157nm 光刻和 126nm 光刻实现。而电子束光刻、离子束光刻、x 射线光刻、原子光刻则可望实现几个纳米的分辨率。但是这些技术的完善还有待于诸如光学系统、抗蚀剂、精密控制等相关技术的成熟。1 两条技术途径纳米制造学是纳米技术的关键基础，它贯穿整个纳米科学技术。随着信息高速公路和全球通信技术的高度发展，超高频纳米器件的出现，微加工技术已经可以制作小于 l00nm 线宽的图形，并朝着制作出几十个纳米，乃至几个纳米特征图形的方向发展。美国、日本、德国等发达国家对纳米加工技术十分重视，纷纷投入了大量的人力物力进行研究开发。目前制作纳米图形有两个途径：一是采用现代技术，主要有原子层外延、等离子体增
34、强化学气相沉积、金属有机物化学气相沉积、分子束外延等；另一种是采用光刻手段，在物体上制作出纳米量级图形，但这需要大幅度提高现有光刻技术的分辨率，通常采用的方法有离子束、电子束、极紫外、x 射线、深紫外加波前工程、干涉光刻、扫描探针显微技术、原子力显微镜修改结构、原子光149刻等。罗先刚和姚汉民等介绍了几种主要的纳米光刻技术的实现方式和现状。2深紫外加波前工程在 193nm 曝光波长下，要实现 l00nm 以下线宽图形，必须结合波前工程技术。现有的波前工程技术主要有以下几种。改变照明条件 通常采用离轴照明，主要方法有：四极照明、环形照明、新型照明、相位光栅照明以及偏振光照明等。主要原理是通过改变
35、照明函数调制成像系统的传递函数，提高图形的对比度和焦深。在离轴照明条件下，光经过掩模衍射后，通过投影物镜成像时，掩模图形的 1 级衍射光与 0 级光参与成像，弥补系统通低频阻高频的不足，从而改变传递函数。对成像掩模进行调制 常用的办法是利用相位调制的相移掩模或利用振幅相位同时调制的衰减相移掩模。其基本原理是：在高度集成的光掩模中，所有相邻的透明区域上相间隔地增加(或减少)一层透明介质，使透过这些相移层的光与相邻透明区透过的光产生相位差，利用光的相干性，抵消部分的衍射扩展效应，改变空间光强分布，使更多的能量从低频分配到高频上，弥补投影物镜的通低频阻高频的缺点，增大空间图像的反差，改善像质，使分辨
36、率和焦深增大。相移掩模种类较多，如弱衰减型(attenuating PSM)、周边相移型(edge shifters PSM)、周期交替型、多位相值台阶型、带辅助图形型等等。改变系统传递频谱 主要原理是直接调制系统的传递函数，通过设置相移滤波器或振幅滤波器来降低物体的低频成分，弥补由于成像镜头数值孔径有限而损失的高频成分，从而提高分辨率和焦深。与离轴照明技术的区别是，它对系统传输的最高空间频率不能提高，只能通过使较低频率信号的能量衰减，来增大图像反差，达到提高分辨率增大焦深的目的。光瞳滤波也有一些局限性有待于进一步克服：(1)对不同的掩模图形仅有一种最优的滤波器相匹配，这要求滤波器在光瞳面上易
37、于取放，这给投影物镜的设计增添了新的难度，在目前的投影物镜中难以达到，这大大限制了它的实用性；(2)光在滤波器上的吸收和反射引起的热量问题有待解决；(3)滤波器的材料和相移器的制造还需作大量研究。对像进行多次处理 该技术也称为多焦面曝光技术，其内容包括：先在某个特殊的焦面上对硅片进行部分曝光；然后，不改变硅片水平位置，仅沿轴向移动硅片到另外的焦面上，对剩余部分曝光，空间像的最终结果是理想焦面上及理想焦面外光强的平均。此技术对结点(contacts) 效果很好，焦深要调到最大。在离轴照明技术，对结点图形的分辨率和焦深无改进作用，在原有掩模不变的情况下，采用多焦面曝光改进结点图形的分辨率和焦深是较
38、为可行的办法。多焦面曝光方法也存在一些缺点：过程复杂，生产率低，仅对结点图形有利，对线空图形效果差。邻近效应矫正(物体预补偿、硅片预处理) 在掩模上预先补偿，以便校正硅片仁图形的畸变。现有方法较多，由于掩模制作的难度较大，成本较高。系统像差对分辨率影响 成像系统的振幅脉冲响应函数 h：是反映系统成像特征150的量，通过改变 h，可以影响离焦、球差、彗差、像散、场曲和畸变等，从而改变系统频率传递函数，可提高系统光刻图形的质量。为此国外一些研究人员开始结合分辨率增强技术研究像差对分辨率的影响。综合成像 前面提出的分辨率增强技术在一定程度上都起作用，但若将上述技术结合起来，可使分辨率进一步提高。目前
39、出现了将离轴照明、相移掩模、光瞳滤波以及多焦面曝光技术结合起来的研究热潮。由于现有光学曝光技术具有成熟的工艺技术的产业支持，用分辨率增强的波前工程技术结合 248nm、193nm 光刻技术，很有希望实现低于 100nm 线宽图形的制作。3157nm 光刻作为 193nm 光刻的下一代技术，157nm 曝光可将传统光刻技术延伸到 100nm 以下，甚至可以制作低于 50nm 的尺寸。目前在德国 Carl Zeiss 公司、美国的劳伦斯利弗莫尔国家实验室、SVGL 公司、日本的尼康公司、荷兰的 ASML 公司都在积极开展这方面的研究。随着 157nm 的激光器的商用化和对 157nm 波长吸收小的
40、 CaF2 的获得，该技术被提上研究日程。波长为 157nm 的激光器功率可与波长为 193nm、248nm 的激光器功率相比拟，其自然宽度仅为 10pm-15pm，小于 193nm 激光器的自然宽度，为 157nm光刻提供了可靠的光源。此外，CaF 2 对 157nm 的吸收系数仅为 0.004/cm。这些成果为 157nm 光刻提供了必要的技术条件。目前，对 157nm 低损失薄膜还需做大量研究。最近研究表明，最佳反射膜的反射系数达 97-98。157nm 掩模的制作方案采用CaF2 或 MgF2，其温度、应力参数还须做具体研究，157nm 光刻掩模的修补和制作技术还有一些难点需要克服。抗
41、蚀剂的研究是很重要的一个方面，表面成像抗蚀剂可用于 157nm 光刻，化学放大抗蚀剂也有可能用于光刻。目前还没寻求到 157nm 波长传输充分的高折射率材料。尽管如此，157nm 光刻是一种实现 100nm 以下线宽图形的可能方案之一。4126nm 光刻1999 年 9 月，在美国加利福尼亚州蒙特雷召开的光掩模技术会议上，专门讨论了光学光刻的前景，将 126nm 光刻作为 157nm 光刻技术的下一代产品。目前德国Carl Zeiss 公司、美国的劳伦斯利弗莫尔国家实验室正在开展这方面的研究。5极紫外光刻极紫外光刻(EUVL)技术是有望突破 100nm 以下特征尺寸的 5 种新光刻技术之一。用
42、波长范围为 11nm14nm 的光，经过周期性多层膜反射镜，照射到反射掩模上，反射出的 EUV 光再经过投影系统，将掩模图形形成在硅片的光刻胶上。该技术利用短波长曝光，可以在很小的数值孔径下获得线宽小于 100nm 的图形，焦深足够长，满足实际生产的需要。从目前情况来看，极紫外光刻极有可能在最近两年达到实用，投入生产。1516电子束光刻以电子束作为集成电路光刻手段的研究几乎是与光学曝光同时开始的。光学曝光的分辨率和焦探主要受到光源波长和透镜数值孔径的限制。而电子束的辐射波长则可以通过增大能量来大大缩短。因此，电子束曝光的分辨率远远超过光学光刻分辨率。光学光刻目前所达到的分辨率用电子束在 10
43、多年以前就已经达到了。电子束曝光利用电磁场将电子束聚焦成微细束，辐照在电子抗蚀剂上。由于电子束可方便地由电磁场偏转扫描，复杂的电路可直接写在硅片上而无需使用掩模板。由电子束曝光制作的最小器件尺寸可达 10nm-20nm。英国剑桥大学微电子中心利用 100kV 电子束曝光机制作出 lnm-2nm 的单电子器件。由于电子束采用把电路图形一个像素一个像素地扫描曝光到硅片上，速度极慢，无法适应大工业批量生产的需要。尽管如此，电子束曝光却是制作光学掩模板的主要工具。电子束曝光机主要有三种：高斯电子束、矩形电子束、变形电子束。电子束曝光的焦点在于如何提高曝光速度。方法之一是采用新型六硼化镧阴极和热场致发射
44、阴极，以提高阴极发射电流密度，可以在同样曝光剂量下减少曝光时间。另外一个方法是研制新型电子抗蚀剂。其中最引人注目的是 1999 年以来出现的化学放大电子抗蚀剂。初期的电子抗蚀剂的灵敏度为 100C/cm2500C/cm2，而目前的化学放大电子抗蚀剂还存在热稳定性差以及存放期效应等问题，还须进一步研究。目前化学放大电子抗蚀剂还无法普遍用于电子束曝光工艺中。电子束曝光技术发展的一个新方向是采用扫描隧道显微镜作为曝光手段，可实现原子级分辨率。当然这方面的研究还处于初步阶段，真正实现能适用于纳米加工的电子束曝光技术还须作大量的研究工作。由于电子质量极轻，在感光胶中的散射范围很大，这些散射电子会影响邻近
45、电路图形的曝光质量，因而邻近效应很难控制。邻近效应直接与电路图形的形状及密度有关，如何克服邻近效应一直是电子束曝光技术中的一个重要研究课题。为了提高生产率和减小邻近效应，目前正在广泛研究限定角度投影电子束光刻技术。7X 射线光刻光学曝光所能达到的极限分辨率与工作波长成正比，与透镜的数值孔径成反比。目前，曝光波长的进一步缩短和数值孔径的增大都受材料、光刻工艺等因素的限制，因而必须寻求新的技术方案。由于 X 射线的波长很短，能满足超大规模集成电路发展的需要，近年来得到了广泛的重视。X射线可用高能电子束轰击不同的金属靶材料产生，也可用激光等离子体方法获得，即用超短脉冲激光辐射铜或铁表面，使铜或铁原子
46、变成等离子体，当等离子体态还原为基态时，会产生X射线。但最有效的X射线源是高能同步辐射加速器所产生的同步辐射。用于超大规模集成电路光刻的X射线波长通常在 lnml00nm之间。其中1014nm波段称为极紫外，上面已有详细论述。目前，通常采用l0nm以下的曝光波长。152X射线曝光过程与光学曝光过程类似，都是将掩模板上的图形转移到硅表面的光刻胶上。由于到目前为止还无法对X射线聚焦，采用的曝光系统基本都是近贴式和=1:1投影式。x射线曝光所用的掩模板与光学掩模板不一样，x射线掩模板是由Si 3N4或SiC等材料做成1m5m厚的薄膜底板，然后在上面根据图形要求，沉积0.4 0.7m厚的重金属层 (通
47、常为金或钨)作为吸收层。感光胶上的曝光区与非曝光区是由掩模板上两种材料对X射线不同吸收系数来决定的。由于 X射线目前是1：1式，即要制作80nm的线条，掩模上的图形尺寸也必须是80nm，而且掩模板本身仅为几微米厚的薄膜，这使掩模的制作具有相当大的难度。同时还有掩模板使用过程中的受热变形问题。这些是x射线光刻技术必须解决的难关。8. 离子束光刻用离子束进行抗蚀剂的曝光始于20世纪80年代液态金属离子源的出现。最简单的液态金属离子源是一根金屑(钨或钼)针，在针尖顶端附有镓或金硅合金，通过加热使其熔化，然后通过加外场使液态金属表面产生场致离子发射。由于离子是从一个在外电场作用下形成的极小的液体尖端发
48、射的，其发射面积仅有几个纳米，因而可以较容易地利用离子光学系统将发射的离子聚焦成微细离子束，进行高分辨率离子束曝光。离子束曝光技术具有一些电子束无法比拟的优点。与电子相比，最轻的离子也要比电子重近 2000 倍。因此离子在感光胶中散射范围极小，邻近效应几乎为零。此外，由于离子质量大，在同样的能量下，感光胶对离子的灵敏度要比对电子高数百倍。这些优点使离子束更适合于作为光刻工具。但聚焦离子束方法也存在一些局限性：首先，液态金屑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有较大的色差系数。由于色差的影响，无法将离子束聚焦成电子束一样细，因而其分辨率电子束曝光低。其次，由于离子
49、质量大，在感光胶中的曝光深度有限，例如，能量为 70kV 的镓离子在感光胶中的曝光深度小于 0.1m，从金硅合金离子源发射的能量为 200kV 的硅离子，其曝光深度也不过为 0.5m。相比之下，20kV 能量的电子束可曝光 1m 以上的感光胶。有限的曝光深度大大限制了离子束曝光的应用范围。离子束曝光在集成电路产业中主要用于光学掩模的修补和集成电路芯片的修复。在光学掩模板的制造过程中，难免会产生一些缺陷，如多余的烙斑或不必要的透光斑，利用聚焦离子束溅射能力可将多余的烙斑去掉，在离子束扫描过程中同时通入某种化学气体，则可把碳或钨沉积到透光斑缺陷上。用离子束还可切断芯片上的某一组连线或接通某一组连线，从而可在芯片上纠正设计错误，提高芯片利用率。目前，美国、日本等国家已有投影式离子束光刻机。现在正在研究利用离子束投影制作小于 100nm 的图形。离子束投影光刻采用泛光照明模板和光学静电投影将掩模图形微缩，并聚焦在涂有抗蚀剂的片子上。欧洲应用微电子开发项目支持的奥地利离153子微制造系统有限公司和美国先进光刻集团公司是从事离子束投影光刻研究的主要公司。9.3.4 纳米加工中
