专利名称：一种利用原子束和纳米孔进行微小尺寸图形制作的方法
技术领域：
本发明涉及现代集成电路技术、硅MEMS技术、原子光刻与沉积技术以及其他纳米 加工技术领域，特别涉及一种利用原子束和纳米孔进行微小尺寸图形制作的方法。
背景技术：
在现有的纳米制造技术中，由于光学光刻技术的不断创新，一再突破人们预期的 光刻极限，而且其性能稳定、技术成熟、低成本，光学光刻技术依然是当前光刻的主流技术。 但由于其技术特点的制约，光学光刻技术存在着诸多的缺陷。电子束曝光和离子束曝光可 以制作小到几个纳米的图形或微结构，但是它们的设备复杂、昂贵，生产率低，很难用于大 规模生产。至于正在开发的极紫外光刻技术，由于在光源和光学材料方面还存在很多的技 术难题，离应用尚需时日。因此为了适应新型纳米器件的制作，迫切需要寻找一种新的纳米 结构制备技术。原子粒子由于其半径小、质量大、德布罗意波长小等特点，具有获得高分辨率(纳 米级尺度)图形的潜力。很早就被考虑用作光刻介质进行图像加工研究。但由于原子不 容易操控，利用中性原子进行光刻一直没有很大的进展。离子束加工是原子光刻的一种特 殊形式，其缺点是高能带电原子(或者离子)可能存在如荷电效应、离子植入、高能损伤 等负面影口向[文献 1 :Bruenger WH, Dietzel AH, Loeschner H，Ion projection surface structuring with noble gas ions at 75keV，Surface and Coatings Technology，2007， 201(19-20) :8437-8441],而且这种方法效率很低。近年来有大量的关于基于原子光学的 原子操控和准直的报道，但是这些操控方法是针对单个原子进行，需要复杂的激光冷却系 统，尚无实用前景。可以认为，如果有合适的几何限制方法，就可以省略上述复杂准直方 式而使原子束保持很小的束流半径，从而进行直接的蚀刻或者沉积。随着硅纳米加工技 术的发展，获得极小尺度的纳米孔已经成为可能，为本发明提供了很好的技术基础。另一 方面，中性原子或者低能激发态原子已经被大量用于大规模集成电路制造工艺中，其中包 括等离子体刻蚀、化学气相沉积(CVD)以及最近发展起来的原子层级沉积(AtomicLayer Deposition-ALD)[文献2 :Ritala MiKukli K,Rahtu A，et al. ,Atomic layer deposition of oxide thin films with metal alkoxides as oxygen sources， Science，2000， 288(5464) :319-321]等，将阵列化的纳米孔和上述工艺技术相结合，辅之以现代控制技 术、对准技术等，即可以利用原子束和纳米孔实现平行的大规模纳米图形蚀刻或者沉积，从 而为现代纳米加工技术提供一个新型有效的手段。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种利用原子束和纳米孔 进行微小尺寸图形制作的方法，该方法是以现代集成电路技术、硅MEMS技术、原子光刻和 沉积、现代自动化和精密加工为基础，利用经过纳米孔的原子束粒子流在纳米尺度内实现 原子的结构化和图形化的一种纳米制作方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的一种利用原子束和纳米孔进行微小尺寸图形制作的方法，包括以下步骤—、制作出阵列纳米孔掩模7 利用微细加工技术，在硅衬底表面制作出带有掩模 层保护的硅图形结构，采用干法刻蚀技术制作出垂直的硅深孔结构，孔的深度为300-390 微米，然后用各向异性腐蚀获得孔径可控的硅阵列纳米孔2 ；二、以原子1为工作粒子进行原子刻蚀或者原子沉积加工采用共振光的辐射压 力或光抽运作用使原子束产生空间强度不一的分布，然后使原子束沉积在基板上或使基板 上的膜层“曝光”；工作粒子是中性原子、中性亚稳态原子、激发态原子或带电粒子；三、根据对准结构4和对准图形6进行对准，利用衬底8或者掩模7的移动完成纳 米结构5的制作在横向运动方面，需要采用传统的光学对准方法通过0-5mm大尺寸的运动 控制O-Imm大跨度的移动和纳米级的移动控制小于10纳米精度的微动，控制方法采用NEMS 场发射纳米电子束对准的级联控制方法；在纵向运动方面，纳米尺度上的平面找准使掩模 7和硅衬底8之间保持平行且间距在0-5mm可调，调节好间距后，保持该固定间距进行图形 操作。本发明的方法是用阵列纳米孔筛的限制作用，进行横向尺度为纳米级的中性、亚 稳态、荷电原子材料的批量化沉积或者刻蚀。采用阵列纳米孔进行限定性原子加工，无需采 用复杂技术对原子进行操控，也不需要特殊的原子源，半导体工业界或者试验研究系统中 的等离子源、ALD系统、亚稳态原子源等，均可以与本发明方法相结合，实现原子图形的沉积 或者刻蚀。这就是说，纳米孔原子加工技术不仅可以用于加法工艺，也可以用于减法工艺。 具体的应用，将根据工作原子和衬底材料的性质和状态的选择和控制。本发明的方法与无 掩模刻蚀是不同的。无掩模刻蚀没有图形化的功能，不做相对运动；尺寸较大，一般在5微 米以上；不考虑对准。而本发明的方法可以获得最小特征尺寸为50nm以下的纳米图形结 构。
图1为本发明制作过程的剖面图。图2为本发明制作过程的局部放大图。图3为本发明制作过程中的硅基纳米孔的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的原理进行详细说明。一种利用原子束和纳米孔进行微小尺寸图形制作的方法，包括以下步骤一、参见图1、图3，制作出阵列纳米孔掩模7。利用微细加工技术，在硅衬底表面制 作出带有掩模层保护的硅图形结构，采用干法刻蚀技术制作出垂直的硅深孔结构，孔的深 度为300-390微米，然后用精确控制的各向异性腐蚀获得孔径可控的硅阵列纳米孔2，单个 纳米孔结构如3所示；二、参见图1，以原子1为工作粒子进行原子刻蚀或者原子沉积加工，采用共振光 的辐射压力或光抽运作用使原子束产生强度不一的分布，然后使原子束沉积在基板上或使 基板上的膜层“曝光”；无论是中性原子、中性亚稳态原子、激发态原子或带电粒子均可以作为工作粒子，而且也不需要特殊的原子源；三、参见图1、图2，根据对准结构4和对准图形6进行对准，利用衬底8或者掩模 7的移动完成纳米结构5的制作。由于纳米孔阵列2本身不是功能化的图形，需要利用衬 底8或者掩模7的运动获得相应的图形结构5。需要采用传统的光学对准方法通过大尺寸 0-5mm的运动控制大跨度O-Imm的移动和纳米级的移动控制小于10纳米精度的微动，控制 方法采用NEMS场发射纳米电子束对准的级联控制方法。在纵向运动方面，纳米尺度上的平 面找准使掩模7和硅衬底8之间保持平行且间距在0-5mm可调，调节好间距后，保持该固定 间距进行图形操作。图中，1是原子；2是纳米孔筛；3是纳米孔；4是对准结构；5是纳米结构图形；6是 对准图形；7是掩模；8是衬底。
权利要求
1. 一种利用原子束和纳米孔进行微小尺寸图形制作的方法，其特征在于，包括以下步骤一、制作出阵列纳米孔掩模(7)利用微细加工技术，在硅衬底表面制作出带有掩模层 保护的硅图形结构，采用干法刻蚀技术制作出垂直的硅深孔结构，孔的深度为300-390微 米，，然后用各向异性腐蚀获得孔径可控的硅阵列纳米孔O)；二、以原子(1)为工作粒子进行原子刻蚀或者原子沉积加工，采用共振光的辐射压力 或光抽运作用使原子束产生强度不一的分布，然后使原子束沉积在基板上或使基板上的膜 层“曝光”；所说的工作粒子是中性原子、中性亚稳态原子、激发态原子或带电粒子；三、根据对准结构(4)和对准图形(6)进行对准，利用衬底(8)或者掩模(7)的移动 完成纳米结构(5)的制作需要采用传统的光学对准方法通过0-5mm大尺寸的运动控制 O-Imm大跨度的移动和纳米级的移动控制小于10纳米精度的微动，控制方法采用NEMS场 发射纳米电子束对准的级联控制方法，在纵向运动方面，纳米尺度上的平面找准使掩模(7) 和硅衬底⑶之间保持平行且间距在0-5mm可调，调节好间距后，保持该固定间距进行图形 操作。
全文摘要
一种利用原子束和纳米孔进行微小尺寸图形制作的方法，包括以下步骤一、用微细加工技术，采用干法刻蚀和湿法刻蚀相结合的方法，制作出阵列纳米孔结构，形成阵列纳米孔掩模；二、以原子为工作粒子进行原子刻蚀或者原子沉积加工；三、根据对准结构和对准图形进行对准，利用衬底或者掩模的移动完成纳米结构的制作；本发明是在纳米尺度内实现原子的结构化和图形化的一种新型纳米制作方法，为原子束的表面控制和其他纳米加工技术提供了技术支持，起到了推动作用。
文档编号B81C1/00GK102126699SQ201110031770
公开日2011年7月20日 申请日期2011年1月28日 优先权日2011年1月28日
发明者刘泽文, 司卫华, 尹明 申请人:清华大学