專利名稱：一種利用原子束和納米孔進(jìn)行微小尺寸圖形制作的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及現(xiàn)代集成電路技術(shù)、硅MEMS技術(shù)、原子光刻與沉積技術(shù)以及其他納米 加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用原子束和納米孔進(jìn)行微小尺寸圖形制作的方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有的納米制造技術(shù)中，由于光學(xué)光刻技術(shù)的不斷創(chuàng)新，一再突破人們預(yù)期的 光刻極限，而且其性能穩(wěn)定、技術(shù)成熟、低成本，光學(xué)光刻技術(shù)依然是當(dāng)前光刻的主流技術(shù)。 但由于其技術(shù)特點(diǎn)的制約，光學(xué)光刻技術(shù)存在著諸多的缺陷。電子束曝光和離子束曝光可 以制作小到幾個納米的圖形或微結(jié)構(gòu)，但是它們的設(shè)備復(fù)雜、昂貴，生產(chǎn)率低，很難用于大 規(guī)模生產(chǎn)。至于正在開發(fā)的極紫外光刻技術(shù)，由于在光源和光學(xué)材料方面還存在很多的技 術(shù)難題，離應(yīng)用尚需時日。因此為了適應(yīng)新型納米器件的制作，迫切需要尋找一種新的納米 結(jié)構(gòu)制備技術(shù)。原子粒子由于其半徑小、質(zhì)量大、德布羅意波長小等特點(diǎn)，具有獲得高分辨率(納 米級尺度)圖形的潛力。很早就被考慮用作光刻介質(zhì)進(jìn)行圖像加工研究。但由于原子不 容易操控，利用中性原子進(jìn)行光刻一直沒有很大的進(jìn)展。離子束加工是原子光刻的一種特 殊形式，其缺點(diǎn)是高能帶電原子(或者離子)可能存在如荷電效應(yīng)、離子植入、高能損傷 等負(fù)面影口向[文獻(xiàn) 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],而且這種方法效率很低。近年來有大量的關(guān)于基于原子光學(xué)的 原子操控和準(zhǔn)直的報(bào)道，但是這些操控方法是針對單個原子進(jìn)行，需要復(fù)雜的激光冷卻系 統(tǒng)，尚無實(shí)用前景?？梢哉J(rèn)為，如果有合適的幾何限制方法，就可以省略上述復(fù)雜準(zhǔn)直方 式而使原子束保持很小的束流半徑，從而進(jìn)行直接的蝕刻或者沉積。隨著硅納米加工技 術(shù)的發(fā)展，獲得極小尺度的納米孔已經(jīng)成為可能，為本發(fā)明提供了很好的技術(shù)基礎(chǔ)。另一 方面，中性原子或者低能激發(fā)態(tài)原子已經(jīng)被大量用于大規(guī)模集成電路制造工藝中，其中包 括等離子體刻蝕、化學(xué)氣相沉積(CVD)以及最近發(fā)展起來的原子層級沉積(AtomicLayer Deposition-ALD)[文獻(xiàn)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，將陣列化的納米孔和上述工藝技術(shù)相結(jié)合，輔之以現(xiàn)代控制技 術(shù)、對準(zhǔn)技術(shù)等，即可以利用原子束和納米孔實(shí)現(xiàn)平行的大規(guī)模納米圖形蝕刻或者沉積，從 而為現(xiàn)代納米加工技術(shù)提供一個新型有效的手段。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種利用原子束和納米孔 進(jìn)行微小尺寸圖形制作的方法，該方法是以現(xiàn)代集成電路技術(shù)、硅MEMS技術(shù)、原子光刻和 沉積、現(xiàn)代自動化和精密加工為基礎(chǔ)，利用經(jīng)過納米孔的原子束粒子流在納米尺度內(nèi)實(shí)現(xiàn) 原子的結(jié)構(gòu)化和圖形化的一種納米制作方法。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的一種利用原子束和納米孔進(jìn)行微小尺寸圖形制作的方法，包括以下步驟—、制作出陣列納米孔掩模7 利用微細(xì)加工技術(shù)，在硅襯底表面制作出帶有掩模 層保護(hù)的硅圖形結(jié)構(gòu)，采用干法刻蝕技術(shù)制作出垂直的硅深孔結(jié)構(gòu)，孔的深度為300-390 微米，然后用各向異性腐蝕獲得孔徑可控的硅陣列納米孔2 ；二、以原子1為工作粒子進(jìn)行原子刻蝕或者原子沉積加工采用共振光的輻射壓 力或光抽運(yùn)作用使原子束產(chǎn)生空間強(qiáng)度不一的分布，然后使原子束沉積在基板上或使基板 上的膜層“曝光”；工作粒子是中性原子、中性亞穩(wěn)態(tài)原子、激發(fā)態(tài)原子或帶電粒子；三、根據(jù)對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)4和對準(zhǔn)圖形6進(jìn)行對準(zhǔn)，利用襯底8或者掩模7的移動完成納 米結(jié)構(gòu)5的制作在橫向運(yùn)動方面，需要采用傳統(tǒng)的光學(xué)對準(zhǔn)方法通過0-5mm大尺寸的運(yùn)動 控制O-Imm大跨度的移動和納米級的移動控制小于10納米精度的微動，控制方法采用NEMS 場發(fā)射納米電子束對準(zhǔn)的級聯(lián)控制方法；在縱向運(yùn)動方面，納米尺度上的平面找準(zhǔn)使掩模 7和硅襯底8之間保持平行且間距在0-5mm可調(diào)，調(diào)節(jié)好間距后，保持該固定間距進(jìn)行圖形 操作。本發(fā)明的方法是用陣列納米孔篩的限制作用，進(jìn)行橫向尺度為納米級的中性、亞 穩(wěn)態(tài)、荷電原子材料的批量化沉積或者刻蝕。采用陣列納米孔進(jìn)行限定性原子加工，無需采 用復(fù)雜技術(shù)對原子進(jìn)行操控，也不需要特殊的原子源，半導(dǎo)體工業(yè)界或者試驗(yàn)研究系統(tǒng)中 的等離子源、ALD系統(tǒng)、亞穩(wěn)態(tài)原子源等，均可以與本發(fā)明方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)原子圖形的沉積 或者刻蝕。這就是說，納米孔原子加工技術(shù)不僅可以用于加法工藝，也可以用于減法工藝。 具體的應(yīng)用，將根據(jù)工作原子和襯底材料的性質(zhì)和狀態(tài)的選擇和控制。本發(fā)明的方法與無 掩?？涛g是不同的。無掩?？涛g沒有圖形化的功能，不做相對運(yùn)動；尺寸較大，一般在5微 米以上；不考慮對準(zhǔn)。而本發(fā)明的方法可以獲得最小特征尺寸為50nm以下的納米圖形結(jié) 構(gòu)。


圖1為本發(fā)明制作過程的剖面圖。圖2為本發(fā)明制作過程的局部放大圖。圖3為本發(fā)明制作過程中的硅基納米孔的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理進(jìn)行詳細(xì)說明。一種利用原子束和納米孔進(jìn)行微小尺寸圖形制作的方法，包括以下步驟一、參見圖1、圖3，制作出陣列納米孔掩模7。利用微細(xì)加工技術(shù)，在硅襯底表面制 作出帶有掩模層保護(hù)的硅圖形結(jié)構(gòu)，采用干法刻蝕技術(shù)制作出垂直的硅深孔結(jié)構(gòu)，孔的深 度為300-390微米，然后用精確控制的各向異性腐蝕獲得孔徑可控的硅陣列納米孔2，單個 納米孔結(jié)構(gòu)如3所示；二、參見圖1，以原子1為工作粒子進(jìn)行原子刻蝕或者原子沉積加工，采用共振光 的輻射壓力或光抽運(yùn)作用使原子束產(chǎn)生強(qiáng)度不一的分布，然后使原子束沉積在基板上或使 基板上的膜層“曝光”；無論是中性原子、中性亞穩(wěn)態(tài)原子、激發(fā)態(tài)原子或帶電粒子均可以作為工作粒子，而且也不需要特殊的原子源；三、參見圖1、圖2，根據(jù)對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)4和對準(zhǔn)圖形6進(jìn)行對準(zhǔn)，利用襯底8或者掩模 7的移動完成納米結(jié)構(gòu)5的制作。由于納米孔陣列2本身不是功能化的圖形，需要利用襯 底8或者掩模7的運(yùn)動獲得相應(yīng)的圖形結(jié)構(gòu)5。需要采用傳統(tǒng)的光學(xué)對準(zhǔn)方法通過大尺寸 0-5mm的運(yùn)動控制大跨度O-Imm的移動和納米級的移動控制小于10納米精度的微動，控制 方法采用NEMS場發(fā)射納米電子束對準(zhǔn)的級聯(lián)控制方法。在縱向運(yùn)動方面，納米尺度上的平 面找準(zhǔn)使掩模7和硅襯底8之間保持平行且間距在0-5mm可調(diào)，調(diào)節(jié)好間距后，保持該固定 間距進(jìn)行圖形操作。圖中，1是原子；2是納米孔篩；3是納米孔；4是對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)；5是納米結(jié)構(gòu)圖形；6是 對準(zhǔn)圖形；7是掩模；8是襯底。
權(quán)利要求
1. 一種利用原子束和納米孔進(jìn)行微小尺寸圖形制作的方法，其特征在于，包括以下步驟一、制作出陣列納米孔掩模(7)利用微細(xì)加工技術(shù)，在硅襯底表面制作出帶有掩模層 保護(hù)的硅圖形結(jié)構(gòu)，采用干法刻蝕技術(shù)制作出垂直的硅深孔結(jié)構(gòu)，孔的深度為300-390微 米，，然后用各向異性腐蝕獲得孔徑可控的硅陣列納米孔O)；二、以原子(1)為工作粒子進(jìn)行原子刻蝕或者原子沉積加工，采用共振光的輻射壓力 或光抽運(yùn)作用使原子束產(chǎn)生強(qiáng)度不一的分布，然后使原子束沉積在基板上或使基板上的膜 層“曝光”；所說的工作粒子是中性原子、中性亞穩(wěn)態(tài)原子、激發(fā)態(tài)原子或帶電粒子；三、根據(jù)對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)(4)和對準(zhǔn)圖形(6)進(jìn)行對準(zhǔn)，利用襯底(8)或者掩模(7)的移動 完成納米結(jié)構(gòu)(5)的制作需要采用傳統(tǒng)的光學(xué)對準(zhǔn)方法通過0-5mm大尺寸的運(yùn)動控制 O-Imm大跨度的移動和納米級的移動控制小于10納米精度的微動，控制方法采用NEMS場 發(fā)射納米電子束對準(zhǔn)的級聯(lián)控制方法，在縱向運(yùn)動方面，納米尺度上的平面找準(zhǔn)使掩模(7) 和硅襯底⑶之間保持平行且間距在0-5mm可調(diào)，調(diào)節(jié)好間距后，保持該固定間距進(jìn)行圖形 操作。
全文摘要
一種利用原子束和納米孔進(jìn)行微小尺寸圖形制作的方法，包括以下步驟一、用微細(xì)加工技術(shù)，采用干法刻蝕和濕法刻蝕相結(jié)合的方法，制作出陣列納米孔結(jié)構(gòu)，形成陣列納米孔掩模；二、以原子為工作粒子進(jìn)行原子刻蝕或者原子沉積加工；三、根據(jù)對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和對準(zhǔn)圖形進(jìn)行對準(zhǔn)，利用襯底或者掩模的移動完成納米結(jié)構(gòu)的制作；本發(fā)明是在納米尺度內(nèi)實(shí)現(xiàn)原子的結(jié)構(gòu)化和圖形化的一種新型納米制作方法，為原子束的表面控制和其他納米加工技術(shù)提供了技術(shù)支持，起到了推動作用。
文檔編號B81C1/00GK102126699SQ201110031770
公開日2011年7月20日 申請日期2011年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月28日
發(fā)明者劉澤文, 司衛(wèi)華, 尹明 申請人:清華大學(xué)