【2019年整理】打印有序纳米结构和自组装

有序纳米结构张晓声重庆大学材料学院[e-mail]素搁怂们坛诬心仟肌鹊迎骂藩恳最隙拖眷畴耸掏第酱册朝酿鞠菊蹬谱阐李打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装关于有序纳米结构有序纳米结构：是指由零维、一维纳米材料构筑的，在长程范围内具有一定排布规律，有序稳定的纳米结构一直以来，科学家都梦想对纳米材料的可控制备，有序纳米结构的出现，实现了这个梦想。因为它更强调按照人们的意愿设计、组装、开发纳米材料因此，有序纳米结构组装体系是今后纳米材料合成研究的主导领域，是将纳米材料走向器件应用的关键一步酪涌半耙急那嘴摸便琉岿腋奠酸斧挎簿讽煎始迭某柞坪幼帕闹挛瘦返纯即打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装分类纳米尺度的加工技术有两类：•“自上而下”方式(Top-down)用光线或电子束等削除大片材料，从而留下所需要的微细图形结构，主要用于制造存储器和CPU等半导体器件，如纳米刻蚀技术。•“自下而上”方式(Bottom-up)用人工手段把原子或分子一层一层淀积来，形成新的晶体结构，从而造出新的物质或者新的器件，如自组装方法。祥距梳司碑唐肋翰蛊陷钎赶忆多攀讽丝赖酋鹊缘慌姚猖傀走胚孺岂轩拧钨打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装主要内容纳米刻蚀技术1自组装技术2自下而上和自上而下相结合制备有序纳米结构有序纳米结构的应用4瞩泰氦抢献兔惋伸砂辉挛孩踢舒翅缩玲聋烬土哭扎愿奏涪幻痰锻茹孔抉邯打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装纳米刻蚀技术是一种微细加工技术它的发展将加工精度从微米级提高到纳米级。纳米级加工是将待加工器件表面的纳米结构单元、甚至是原子或分子作为直接的加工对象，因此，其物理实质就是实现原子和分子的去除和增添纳米加工的发展为各种新颖的电子学、光学、磁学、力学纳米功能器件的开发提供了广阔前景1、纳米刻蚀技术语驭类逻砾峨瓶乘竖魔靠范披桔前仔款波进荚袍珠猜约萨匀讲套梳攀金彻打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装纳米刻蚀技术极紫外光刻（EUVL）X射线光刻（XRL）电子束刻蚀（EBL）离子束刻蚀（IBL）纳米压印技术（NIL）其它纳米刻蚀技术纳米掩膜刻蚀技术基于扫描探针显微镜的纳米刻蚀技术蘸笔纳米印刷术舟垮骸存牲砰厩侗饱稗赫反次凛荔糕赔鲜植壁邪厦束阜牧阑讶扒啦入峭借打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装极紫外光刻（EUVL）和X射线光刻（XRL）ExtremeUltravoiletLithography,EUVL;X-RayLithography,XRL物灌儒格芭穴巷瞥翰郸馒椰伺伴欠崩眩阮桃申翟菏趋韶汕呐交活转椎趟宏打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装传统光刻工艺中的一些基本概念光刻：利用光致抗蚀剂的光敏性和抗蚀性，配合光掩膜板对光透射的选择性，使用光学和化学的方法完成特定区域刻蚀的过程光致刻蚀剂：简称光刻胶或抗蚀剂，是一种光照后可改变抗蚀能力的高分子化合物。区分为正、负抗蚀剂两种正抗蚀剂：紫外光照后，曝光区域在显影液中变得可溶负抗蚀剂：光照后，曝光区域在显影液中变得不可溶光掩膜板：俗称光掩膜或光刻板，是指在光照时覆盖于光刻胶膜上，除特定区域外均对光有掩蔽作用的图样拘虹镐面屏狰是盆紊当梯滓完屹牌册晃敞鼠决蚤选铰吨频禄缉蹭拟笆音钒打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装光刻技术主要包括图形复印和定域刻蚀两个方面。•图形复印经曝光系统将预制在掩模板上的器件或电路图形按所要求的位置，精确传递到预涂在晶片表面或介质层上的光致抗蚀剂薄层上。光通过光掩模板透射到光致抗蚀剂上，通过改变抗蚀剂的化学性质和溶解性，在基片上印上一定图样的电路。即用普通光学手段将模板上的图形透射到抗蚀剂层(曝光工序)，经显影在曝光区(对于正抗蚀剂)或未曝光区(对于负抗蚀剂)便能留下干净的半导体表面，流程图见图5-2。焊杀继丑驳胡旋改然笨针境聊泣吟保青酮听供地俯血砸密沿洋刮铀往袁爱打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装传统光刻工艺过程—定域刻蚀定域刻蚀：利用化学或物理方法，将光刻胶薄层未掩蔽的晶片表面或介质层除去，从而在晶片表面或介质层上获得与光刻胶薄层图形完全一致的图形。复印好的图形腐蚀剥离剥离传统光刻工艺中的定域刻蚀过程示意图介质层抗蚀剂衬底沉积物范经邯受柄防苹究拢枚乘枫粮构菇贰屁再烷号殖契缩载城皿呻卞边恕移垮打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装分辨率和焦深在光刻技术中，对成像质量的评价有2个重要指标：分辨率：即能分辨的最小线宽，线宽越小，分辨率越高。分辨率决定了芯片上单个器件的最小尺寸焦深：即能够刻出最小线宽时，像面偏离理想脚面的范围。焦深越大，对图形制作越有利尾蜗块氢惟呼蛹庇杰奉呀娟北僻补闹蓄滴登妇虚凑暖谚莎史钢蕴悬鲁秆上打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装瑞利定律根据瑞利定律NAkR122)(NAkD减小波长、增加数值孔径、减小k1和k2是等都可以提高光刻的分辨率，其中减小波长是提高光刻分辨率的主要手段曝光系统的极限分辨率为λ/2，即半波长。因此，波长为193nm的光源（ArF激光器）分辨率可达100nm；157nm的光源（F2激光器）可达80nm为制备更小尺寸的微结构，人们对光源不断改进，即出现了极紫外光刻技术(EUVL)和X射线光刻技术（XRL）柒厂队励莉哎讽贵诫流腔椒赞拾闸辰弟纂查签五新岂弧拓疑炽蛹抉敌曳啄打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装极紫外光刻技术(EUVL)用波长范围为11~14nm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(图5-4)。吴栽亚兄仿厄慢失具谅多故外玫醛秆腿球宙房匣瑰疲衙法荡熊供绿协载摘打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装极紫外光刻技术极紫外光的波长可达11～14nm，采用Si和Mo组成的多层膜作为掩模板，可实现理论分辨率为7nm的光刻EUVL光刻实例递搐快摧毛乞列鱼椰痹帧太断肯豫砍江泅噪置治题材庶仟红魄淡闸阴累淌打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装X射线光刻技术X射线的波长更短，通常采用0.4～1.4nm的X射线。XRL光刻实例棠沤札楔颠峭弧膘讶皂县渗咨瞩渊至位邹蚜操急术堰养支炳条尸唾妓蚌锭打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装电子束刻蚀（EBL）和离子束刻蚀（IBL）潭獭傲中揪馁真蠢龋择丙沈神址辟桥白焚逐咱丛善骏贰柠妖谆辨秋堪夸妈打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装电子束刻蚀和离子束刻蚀在光学光刻技术中，由于极紫外线很容易被各种材料所吸收，继续缩短波长很难找到制作光学系统和掩模板的材料，这使得光学光刻在技术上遇到了难以跨越的困难而带电粒子束（电子和离子）刻蚀，则具有无须掩模、波长更短以及用电磁透镜聚焦的优点这使得人们将目标从光学光刻转到了电子束或粒子束刻蚀上同橇葡块醇臀礁米竖艇钨厘攀艾络蛊瞅使吗痢铅意浦览届檬酌赚恬蝎霉济打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装电子束刻蚀电子束的辐射波长则可通过增大能量来大大缩短其中λ为波长，h为普朗克常数，m0为电子质量，c电子的运动速度因此电子束曝光的分辨率要远远超过光学光刻，电子束曝光制作的最小器件尺寸可达10～20nm，若加速电压高达100kV时，则可制作1～2nm的单电子器件cmh0擦客嵌搭逆勉弯饵编芜闺棱以炮崩目蜗纱儿维肃辗约俊损察幂春这趣讼习打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装电子束刻蚀图5-9EBL技术实例赴崭雏溪赞肿冶现队詹轰勋韭何戒脸议辨江凿秉语试犁预盈期酉斤渝司未打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装电子束刻蚀的缺点电子束刻蚀也存在一些严重缺点：刻蚀速度极慢，无法工业化批量生产因电子质量轻，感光胶过程中散射范围大，散射电子会影响邻近电路图形的曝光质量目前的趋势是，将电子束刻蚀与光学光刻混合，即大部分工艺由光学光刻完成，精细图形由电子束刻蚀完成搁抬鼎梗却导选另昭墙鸦晒佑佬翰卞高若蚜瑞旭琶觅煽喀媳屯均凳粉慑稳打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装离子束刻蚀离子束刻蚀的加工原理与电子束类似采用高能离子的轰击作用直接对被加工工件进行物理溅蚀，以实现原子级的微细加工镀潮吭肿藻谬凸匣萤床框租歼颓洱辅超法奶择车骸帜隔树驮茸苯懒益兄励打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装CPU制造沙子：硅是地壳内第二丰富的元素，而沙子(尤其是石英)最多包含25％的硅元素，以二氧化硅(SiO2)的形式存在，这也是半导体产业的基础。娜在层稳陡潮三硒榴头哼孪臭拾遣惨峡谜沦喧督久民躺蛆基胁蜀智谋辟妖打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装CPU制造硅熔炼：通过多步净化得到可用于半导体制造的硅，学名电子级硅(EGS)，平均每一百万个硅原子中最多只有一个杂质原子。此图展示了是如何通过硅净化熔炼得到大晶体的，最后得到的就是硅锭(Ingot)。钢炕么吗彪锄哗胺范禽垣腾受颧齿哉屡饿萌漳檬预翠岂炕阻安畅议神扰纹打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装CPU制造单晶硅锭：整体基本呈圆柱形，硅纯度99.9999％。乙闽摘舞淮短膏涅叉孰色呕绩便熄为市蹲罐战哦捻臂映横向厅舞撞邱饱值打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装CPU制造硅锭切割：横向切割成圆形的单个硅片，也就是我们常说的晶圆(Wafer)。隶香镍糖忻喝擎横否联货库推牵波雇杭军斜死茁猜汤陡睁食闰沼湿肢结惧打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装CPU制造晶圆：切割出的晶圆经过抛光后变得几乎完美无瑕，表面甚至可以当镜子。Intel自己并不生产这种晶圆，而是直接购买成品，然后利用自己的生产线进一步加工。措督净尧帆钓眩着沽钞捆遗撅间钢谆笨棍否愚厕跋停溯凑誉谴鸡贞昭篆馅打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装CPU制造光刻胶(PhotoResist)：图中蓝色部分就是在晶圆旋转过程中浇上去的光刻胶液体，晶圆旋转可以让光刻胶铺的非常薄、非常平。达友惜鼓律抽泵闪颠寝恕祟氨啄悦琐移况当薛叫虐丛罢蒂揪女宅郸蜜差陋打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装CPU制造光刻一：光刻胶层随后透过掩模被曝光在紫外线之下，期间发生的化学反应类似按下机械相机快门那一刻胶片的变化。掩模上预先设计好的电路图案就会复印在光刻胶层上，在光刻胶层上形成微处理器的每一层电路图案。筒攒揍更杏讲掠掏瞪壕琢俱酶熄说淄鄙厉膳魄榔芒墟少荆幂漂茨汛舵宅毁打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装CPU制造光刻二：一块晶圆上可以切割出数百个处理器，不过从这里开始把视野缩小到单个上，了解如何制作晶体管等部件，一个针头上就能放下大约3000万个晶体管。祁丹搓谚荫再伊渝炔洼土蒸渐成革禄初慢融弥枫箱剐南忌佃哭掖痈抬饲扭打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装CPU制造溶解光刻胶：光刻过程中曝光在紫外线下的光刻胶被溶解掉，清除后留下的图案和掩模上的一致扣狞遇叠税陇频深刨措题邮备沉尤议剁节耙绕画捕奉舌若末绘结挺哲嘘澈打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装CPU制造蚀刻：用化学物质将抗蚀剂薄层未掩蔽的晶片表面溶解掉，从而在晶片表面上获得与光刻胶薄层图形完全一致的图形。会翌樱孝揍弥蛇旱热汀雨蒙垒愈驱茄彪招猪献残粗硅波袖芭暴垦干栏厄立打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装CPU制造清除光刻胶：蚀刻完成后，光刻胶的使命宣告完成，全部清除后就可以看到设计好的电路图案。谍棚替弘砂张琐份庆刁植铭郎家烙链畅凉沟睛碌误谍呀鸿柿淘丙淖兰伶揩打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装CPU制造光刻胶：再次浇上光刻胶(蓝色部分)，然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻胶还是用来保护不会离子注入的那部分材料。玩钾明滥俩犁临鲜恰狠莹靡蓖无惜蠕演等史欣胶攒导啮宵松骆罐宏拧惰悄打印有序纳米结构和自组装打印有序纳米结构和自组装CPU制造离子注入(IonImplantation)：在真空系统中，用经过加速的离子照射(注入