原子光刻技术物理与电子信息学院

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1、原子光刻技术物理与电子信息学院，光学专业在纳米计量中，由于受仪器工作原理、测量对象和环境等不同因素的影响，用不同仪器检测同一目标或利用同一仪器在不同环境下测量同一目标，所得结果可能会截然不同。因此，纳米计量中纳米传递标准具有重要的意义。研制准确适用的纳米长度传递标准是当前急需解决的问题和研宄重点。纳米长度传递标准包括：线宽、阶高、线纹尺、节距（1D栅）、网格（2D栅）等。扫描隧道、原子力、电子、可见光以及紫外光显微镜都要使用这些标准来校准，并通过这些传递标准溯源于国家标准和SI基本单位。研制纳米长度标准的

2、技术路线主要沿三个方向发展。一个是利用原子品格研制自然标准；一个方向是继续利用微一纳加工技术刻蚀出各种纳米结构：另一个新的技术路线是利用原子光刻技术。这是近十年来应用基础领域内的一个热点。1987年.Balykin和Letokhov通过分析钠原子束通过激光束时的效应，得出原子朿可以用激光朿进行会聚的结论。Gallatin等在此基础上.预言即使考虑激光朿会聚原子时的像差，也完全可以得到纳米微结构。1992年，Timp等让钠原子通过位于基片表面上方的驻波场，得到了由钠原子组成的类光栅结构。1993年,NTST

3、的McClelland等人利用原子光刻技术获得了铬原子的一维栅结构。1995年，McGowan等用铝原子也作出丫同样的光栅结构。1998年2月.NIST制造的沉积在蓝宝石基底上的铬样品的平均节距为212.7787nm±0.0049nm,2002年用光学衍射方法确认的平均节距为212.7777nm4±0.0069™，这和22°C时的预期的节距212.7705nm±0.0049nm有很好的符合。2003年，在上海市纳米专项的资助下，同济大学、中国计量科学研究院开始合作研究制作沉积铬原子光栅距标准的关键技术和相

4、关实验。2004年，在搭建的实验平台上开始相关实验。2005年.李同保院士等在硅基片上得到了由铬原子组成的一维光栅结构。原子光刻技术的基本原理原子光刻技术，是一种利用原子束实现刻印的新方法。相对于光学光刻，原子光刻技术的突出优点是：1原子质波波长短，因此衍射极限很小，大约在0.lnm量级；2原子束不携带高能量，对掩膜和基片无破坏作用：3可以并行刻印，缩短刻印时间。4利用原子光刻技术制作光栅标准，对提高量值溯源的准确度指标是十分有利的。因为光栅样品的平均线间距取决于形成光驻波场的稳定激光的半波长，而稳定激光

5、频率（波长）的参考标准是原子的共振频率.这种简单的溯源关系使得所制成的标准样品的平均线问距不仅是已知的并且量值的不确定度非常小，从而线间距是很准确的。图1所示就是NIST的McClelland等人制造的沉积在蓝宝石棊片上的铬的一维光栅结构，样品的平均节距力212.7787nm±0.0049nm,不确定指标0.0049nm。31铬的一锥纳米结构图其基本原理就是利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分布，将原子束沉积在基片（或使基片上的特殊薄膜层“曝光”形成极细的纳米级条纹、点阵或特定图案，

6、以达到纳米计量传递标准的需要。可用偶极子模型来阐明激光汇聚原子沉积纳米结构原理，即在一个非均匀的激光场中.中性原子被光的交变电场感应形成偶极子，用一个保守势来描述原子偶极子与光场的相互作用。如果激光强度足够低，并II激光频率相对于原子共振频率的失谐足够人，那么基本不产生原子的激发态.则一个2能级原子偶极子在光场屮具有的势能为：式中，r为原子跃迁的自然线宽（单位：rad/s）,J为激光频率对原子共振频率的失谐量（单位：rad/s）,/戸，＞，,0为随空间位置&，＞，，。：）变化的激光强度，A为与原子跃迁相关

7、的饱和强度，A=A/2;r为普朗克常数。如果激光频率低于原子共振频率心0,称为“红失谐”），则原子偶极子的势能那么在偶极力▽以;v，y，4作用下，原子向激光强度高的方向加速；如果激光频率高于原子共振频率5＞0,称为“蓝失谐”），贝U原子偶极子的势能那么在偶极力的作用下，原子向激光强度低的方向加速。在一维驻波光场中，光强以A/2为周期交替变化。对垂直于此驻波传播的原子束来说，驻波类似于一个柱面透镜阵列：当激光频率出现红失谐时，原子所受的偶极力始终指向驻波波腹•，当激光频率发生蓝失谐时，原子所受的偶极力始终指

8、向驻波波节。当驻波激光频率出现红失谐时原子束的汇聚情形如图2所示。冷却激光束标准波光学势阱基板上的原子沉积基板图2原子光刻技术基本原理图2中基片表面位于驻波激光束的光轴上，从原子炉喷射出的原子经过激光冷却形成高度准直的原子束，在驻波光场的作用K,原子束被汇聚于驻波光场的波腹处，沉积在棊片表面形成纳米级微轮廓结构。原子光刻采用屮性原子束取代光束进行刻录，不受电荷的影响，并且原子的徳布罗意波波长很短(