专利名称：一种批量制作纳米结构的方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种批量制作纳米结构的方法和装置，用激光冷却和束掩模调制对原子束进行横向操纵，使原子沉积在基底上(或破坏基底上的特殊膜层)形成纳米结构。
背景技术：
近年来，半导体低维结构系统(如量子阱、量子点、量子线等)是半导体物理理论研究和半导体器件开发与应用最为活跃的领域，纳米结构制作在新型半导体材料的制备过程中扮演着非常重要的角色。现有的纳米结构制作技术中，光学光刻技术已陷入十分艰难和费用很高的状态，电子束光刻和纳米压印技术虽可用于制作纳米结构，然而目前仍存在一些问题需要进一步解决，如电子束光刻的曝光系统非常昂贵而且效率很低。
近十年来随着原子激光的出现和玻色-爱因斯坦凝聚的实现，原子光学在理论和实验上逐步走向成熟。用激光冷却的手段对原子束进行横向高度准直为纳米结构制作提供了一个很好的工具。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是克服上述技术的不足，将原子冷却技术和掩模调制两种手段结合起来用于纳米结构制作，提供一种效率高、制作费用低的批量制作纳米结构的方法及其制作装置。
本发明的技术解决方案是批量制作纳米结构的方法，其特点在于采用激光冷却的方法对原子束进行横向高度准直，原子束在穿过束掩模时受到横向调制，具体包括下列步骤(1)对从原子源喷出的原子束首先通过准直孔进行初步准直，再由传播方向相反、振动方向互相垂直的线偏振光形成线偏振激光梯度场，对原子束进行横向冷却达到高度准直的目的；(2)经过准直的原子束在穿过束掩模时受到横向调制，原子沉积在基底上或破坏基底上的特殊膜层形成纳米图形，通过更换基底可实现纳米结构的批量制作。
利用上述方法进行批量制作纳米结构的装置，其特征在于包括真空室、原子源、准直孔、振动方向互相垂直的线偏振光、束掩模和基底，用高温蒸发(或高压直流放电)的方法产生固体材料原子束(亚稳态惰性气体原子束)，原子束从原子源喷出后，首先通过准直孔进行初步准直，接着进入线偏振激光梯度场进行横向冷却变成高度准直的原子束。原子束在穿过纳米量级的掩模时受到横向调制，只有束掩模上镂空的地方才可透过原子，原子沉积在基底上(或通过破坏基底上的特殊膜层)形成纳米结构。通过更换基底实现纳米结构的批量制作。
本发明的原理是利用光和原子相互作用产生的自发力对原子束进行横向冷却实现高度准直，原子束在穿过束掩模时受到横向调制，原子沉积在基底上形成纳米结构(或通过破坏基底上的特殊膜层来制作纳米结构)。
本发明相比于现有技术有以下优点(1)本发明采用激光冷却技术对原子束进行横向高度准直，由于原子的德布罗意波长很短(远小于1nm)，原子在穿过束掩模时衍射效应很小，具有潜在的高分辨力。
(2)只要加工出用于对原子束进行横向调制的纳米量级的束掩模，便可实现纳米结构的批量制作，降低了制作成本。
(3)大截面积的原子流容易获得，可以一次制作数目可观的量子阱、量子线或量子点等，提高了纳米器件的制作效率。
(4)通过更换基底便可实现纳米结构的批量制作，因而操作简便。
故本发明可用于量子线、量子点、新型纳米器件制作和半导体物理理论研究等。纳米量级的束掩模可用电子束光刻技术来制作，如用氮化硅材料进行制作。
图1为本发明批量纳米结构制作装置的结构示意图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明批量制作纳米结构的装置，包括真空室1、原子源2、准直孔4、振动方向互相垂直的线偏振光5、束掩模7和基底8。
纳米结构制作过程为原子束3从原子源2发出，由于束发散角很大，首先通过准直孔4进行初步准直，接着进入由传播方向相反、振动方向互相垂直的线偏振光5形成的线偏振激光梯度场，利用该激光梯度场对原子束进行横向冷却达到高度准直的目的，原子束变成平行原子束6，平行原子束6在穿过束掩模7时受到横向调制。若是固体材料原子便直接沉积在基底8上形成纳米结构9，若是亚稳态惰性气体原子则可破坏基底8上的特殊膜层，结合刻蚀技术可在基底8上得到纳米结构9。通过更换基底8便可实现纳米结构的批量制作。
本发明中的用于纳米结构制作的原子是固体材料原子，如Au、Al、Si、Cr、Fe等，或是处于亚稳态的惰性气体原子，如He、Ne、Ar、Xe。用于对原子束进行调制的掩模必须镂空。
下面以Cr原子为例给出批量制作纳米结构的具体步骤用耐高温的陶瓷材料(如氧化锆)坩埚对Cr进行加热，当温度在1500℃以上时便有Cr原子从坩埚的小孔喷出，首先用孔径为毫米量级的准直孔(如1mm左右)对原子束进行初步准直，然后进入线偏振激光梯度场(光波长为425.6nm)进行高度准直变成平行原子束。选用化学稳定性好的材料(如SiN)作为掩模材料，用电子束曝光的方法制作纳米量级的掩模，掩模必须刻透而且要尽量薄(小于1mm)。平行原子束在垂直穿过掩模时受到横向调制，只有束掩模上镂空的地方才可透过原子，原子沉积在基底(如硅片)上形成纳米结构。通过更换基底实现纳米结构的批量制作。若是亚稳态惰性气体原子(如He原子)，则需用直流高压(如1000V)放电的方法产生原子束，基底上必须有特殊膜层(如自组装单分子膜)，亚稳态原子破坏基底上的特殊膜层，再结合刻蚀工艺制作纳米结构。
权利要求
1.一种批量制作纳米结构的方法，其特征在于采用激光冷却的方法对原子束进行横向高度准直，原子束在穿过束掩模时受到横向调制，具体包括下列步骤(1)原子束首先通过准直孔进行初步准直，由传播方向相反、振动方向互相垂直的线偏振光形成线偏振激光梯度场，对原子束进行横向冷却达到高度准直的目的；(2)经过准直的原子束在穿过束掩模时受到横向调制，原子沉积在基底上或破坏基底上的特殊膜层形成纳米图形，通过更换基底可实现纳米结构的批量制作。
2.根据权利要求1所述的一种批量制作纳米结构的方法，其特征在于所述的用于对原子束进行调制的掩模必须镂空。
3.根据权利要求1所述的一种批量制作纳米结构的方法，其特征在于所述的用于纳米结构制作的原子是固体材料原子，或处于亚稳态的惰性气体原子。
4.根据权利要求3所述的一种批量制作纳米结构的方法，其特征在于所述的固体材料原子为Au、Al、Si、Cr、Fe。
5.根据权利要求3所述的一种批量制作纳米结构的方法，其特征在于所述的处于亚稳态的惰性气体原子为He、Ne、Ar、Xe。
6.根据权利要求1所述的一种批量制作纳米结构的方法，其特征在于所述的基底上的特殊膜层为自组装单分子膜。
7.一种批量制作纳米结构的装置，其特征在于包括真空室(1)、原子源(2)、准直孔(4)、振动方向互相垂直的线偏振光(5)、束掩模(7)和基底(8)，原子束(3)从原子源(2)喷出，通过准直孔(4)进行初步准直，接着进入由传播方向相反、振动方向互相垂直的线偏振光(5)形成的线偏振激光梯度场，利用该激光梯度场对原子束进行横向冷却达到高度准直的目的，平行原子束(6)在穿过束掩模(7)时受到横向调制，原子沉积在基底(8)上或破坏基底(8)上的特殊膜层形成纳米结构(9)，通过更换基底(8)便可实现纳米结构的批量制作。
8.根据权利要求7所述的批量制作纳米结构的装置，其特征在于所述的用于纳米结构制作的原子是固体材料原子，或处于亚稳态的惰性气体原子。
9.根据权利要求8所述的批量制作纳米结构的装置，其特征在于所述的固体材料原子为Au、Al、Si、Cr、Fe。
10.根据权利要求8所述的批量制作纳米结构的装置，其特征在于所述的处于亚稳态的惰性气体原子为He、Ne、Ar、Xe。
全文摘要
本发明涉及一种批量制作纳米结构的方法及其装置，用线偏振激光梯度场对原子束进行横向高度准直，原子束在穿过掩模时受到横向调制并沉积在基底上(或破坏基底上的特殊膜层)形成纳米结构；制作纳米结构的装置由真空室、原子源、准直孔、振动方向互相垂直的线偏振光、原子束掩模等构成。该方法具有分辨力高、可批量制作、成本低、效率高、操作简便等优点，可广泛应用于量子阱、量子线、量子点、新型纳米器件制作和半导体物理理论研究等方面。
文档编号H01L21/00GK1740089SQ20041000948
公开日2006年3月1日 申请日期2004年8月27日 优先权日2004年8月27日
发明者陈献忠, 姚汉民, 陈旭南 申请人:中国科学院光电技术研究所