铬原子与激光场的相互作用与其沉积特性分析

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1、第1章引言第1章引言1.1研究的目的与意义纳米技术是当前发展最迅速、研究最广泛、投入最多的科学技术领域之一，被誉为二十一世纪的科学，其目的是“研究、发展和加工结构尺寸小于100纳米的材料、装置和系[1]统，以获得所需要的功能和性能”。这一定义涵盖了纳米加工过程，纳米结构的设计、特性和形成，以及纳米尺度上的测量和表征方法。纳米技术研究的对象是1.0−100nm范围内的物质，其研究目标是操纵原子和分子，并直接利用原子和分子制造具有特定功能的产品。它是由物理学、化学、生物学以及电子学等相关学科交叉形成的新兴学科。它的发展将影响

2、很多的技术领域，诸如材料、通信、医疗卫生、航空航天等，这将使得纳米尺度的研究成为多学科的研究项目。可以预言未来几乎所有现代技术领域的创新和技术进步都离不开纳米科技和纳米技术的支持。目前，世界各国都在加强对纳米科技的研究，力求在世[2][3]界科技、经济格局中处于领先地位。纳米计量涉及在1.0−100nm范围内测量对象的间隔或位移并表征物体及其表面形貌的特征、纳米微电子、微机械、精密测量技术和仪器的开发等。纳米计量中，由于受到仪器工作原理、测量对象和测量环境等因素的影响，使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

3、量同一目标，所得结果可能会截然不同。故此，纳米计量中纳米传递标准具有特别重要的意义，而目前纳米范围内最重要的传递标准是粒子标样和维度测量标准。纳米计量的传递标准通常是用光刻或其他微－纳加工技术制造并由国家计量院的高准[4][5]确度计量型原子力显微镜进行测量、修正。研制准确适用的纳米计量传递标准是当前急需解决的问题和研究重点。其技术路线主要沿着三个方向发展：一是继续采用传统的微－纳加工技术刻蚀出各种所需纳米结构。二是利用原子晶格研制自然标准。其基本原理是用某些表面已知的晶体结构（如硅的晶格常数a可以通过X射线干涉仪非常准

4、确的测定）来进行研制，但是显微镜通常不能分辨这些0原子结构，这样的纳米标准结构可以采用特殊的STM（扫描隧道显微镜）在单晶样品上制造。另外一种新的技术路线就是利用激光汇聚原子沉积技术，该技术是利用共振激光场的辐射压力使原子束产生特定的空间分布，继而沉积在基板上，形成纳米量级的条纹、点阵或人们所需要的特定图案。NIST的McClelland等人利用激光汇聚原子沉积技术获得了铬原子的一维栅结构，聚焦原子沉积工艺制造栅标样平均节距的不确定度为±.00049nm。1第1章引言1993年NIST制造的沉积在蓝宝石基底上的铬样品的平

5、均节距为212.7787±.00049nm。2002年用光学衍射方法测量确认的平均节距为212.7777±.00069nm。该种方法的平均节距−5相对不确定度为10，可以直接溯源于绝对原子跃迁频率。另外通过驻波场中施加偏振梯度的方法可以实现λ8/的节距（532.nm）。在纳米尺度，长度标准显得特别重要，这是因为诸如热膨胀等效应，会使得材料的颗粒性、材料的蠕变和松弛变得非常明显。此外，用已知的宏观长度标准传递到纳米量级尺度也会遇到很多困难，在传递过程中对于大尺度上不太重要的不确定度在纳米尺度上就会变得非常重要。显然，利用激

6、光汇聚原子束沉积纳米结构技术对于开发新型标准尺寸纳米、微米结构和促进纳米、微米结构元件开发等会起[6]到极大的推动作用。1.2原子光刻技术简介纳米结构制作是纳米器件研制和纳米计量传递的前提条件，也是研究微观量子领域的重要基础之一。光刻技术有两种，一种是光学光刻，另外一种是原子光刻。光学领域中的光刻技术在微细图形制作方面一直发挥着重要的作用，可以通过增大光刻物镜的数值孔径N.A.和缩短曝光波长来提高光刻系统的分辨力。但是，波长的缩短和物镜数值孔径N.A.的增加将会使得系统的焦深和视场范围缩小，从而影响了工艺因子，使所提供的

7、高分辨率的优点不能被充分利用，同时还必须去克服焦深缩短所带来的系列问题。基于上述的原因，当光刻图形的尺寸小于100nm时，光学光刻面临着很大的挑战。原子光刻是一种利用原子束实现刻印的新方法。作为原子光刻中的原子拥有X射线、电子束及离子束等刻印媒体所不具备的特点：①原子物质质波波长短，因此衍射极限很小，大约在1.0nm的量级；②原子束不携带高能量，对掩膜和基板无破坏作用；③可以并行刻印，缩短刻印时间。原子光刻的基本原理就是利用共振光的辐射压力，使原子束产生空间强度分布，而后使原子束沉积在基板（或使基板上的特殊薄膜层“曝光”

8、），形成极细的纳米级的条纹、点阵或者所需要的特定图案。对于原子光刻而言，实现的基本方案主要有两种：一是采用金属原子束，利用共振光压使原子束高度准直化，形成特定空间强度分布后，直接沉积在基板上，从而形成所需要的纳米级条纹；二是利用亚稳态惰性气体原子束，采用光抽运的方式使其形成空间光强度分布，然后再使原子束破坏基板上的特