有序纳米结构.ppt

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1、第五章有序纳米结构及其应用有序纳米结构是指由零维纳米微粒、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。“自上而下”（top-down）方式主要用于制造存储器和CPU等半导体器件的微细加工，是利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。“自下而上”（bottom-up）方式，则是利用薄膜形成技术，即通过人工手段把原子或分子一层一层淀积（在极端情况下可以把原子或分子一个一个的淀积）来形成新的晶体结构（人工晶格），从而造出新的物质或者新的器件。有序纳米结构的制备方法：纳米刻蚀技术、自组装

2、、模板法以及它们的组合。首先，简单介绍一下“自上而下”的纳米刻蚀技术和“自下而上”的自组装方法。5.1纳米刻蚀技术传统半导体加工中的光刻工艺：光刻是利用光致抗蚀剂的光敏性和抗蚀性，配合光掩模版对光透射的选择性，使用光学和化学的方法完成特定区域刻蚀的过程。光致抗蚀剂简称光刻胶或抗蚀剂，是一种光照后能改变抗蚀能力的高分子化合物，包括正抗蚀剂和负抗蚀剂两种。对于正抗蚀剂，紫外光照后，曝光区域在显影液中变得可溶；对于负抗蚀剂，紫外光照后，曝光区域在显影液中变得不可溶。光掩模版俗称光掩模或光刻板，是指在光照时覆盖于光刻胶膜上，除特定区

3、域外均对光有掩蔽作用的图样，也就是晶体管制作所需图样的模板。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，就是经曝光系统将预制在掩模版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。定域刻蚀就是利用化学或物理方法，将抗蚀剂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抗蚀剂薄层图形完全一致的图形。经连续化的图形化、显影、腐蚀和沉积许多不同的工序就可以制造复杂的集成电路。光刻技术有两个重要的指标：分辨率和焦深。根据瑞利定律：R=k1λ/NA，D=k2λ/(NA)

4、2R为分辨率，D为焦深，λ为曝光波长；NA为数值孔径，由成像系统决定，k1和k2是与系统有关的常数。曝光系统的极限分辨率为λ/2，即半波长。波长193nm的光源（ArF激光器）分辨率可达0.1μm；157nm的光源（F2激光器）分辨率可达0.08μm。减小波长、增加数值孔径、减小k1等方式都可以提高光刻曝光系统的分辨率，其中减小波长是主要手段。分辨率表示能分辨的最小线宽；光学光刻的分辨率决定了芯片上单个器件的最小尺度。5.1.1极紫外光刻（EUVL）和X射线光刻（XRL）极紫外光刻(EUVL)技术：用波长范围为11~14nm

5、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。对于波长小于157nm的光来说，自然界中的大多数材料均对其有强烈的吸收，难以制作透镜和掩模材料。最近的研究表明，由Si和Mo组成的多层膜结构对13nm附近的极紫外光的反射率很高，因此可以用来制作13nm波长的反射式光学系统和掩模版，其理论分辨率可以达到7nm。EUVL技术与传统的光刻技术基本一致，其工艺兼容性、技术规范和系统要求也非常相似，所以很容易被现代的半导体工业接受和采用。目前相当多的科学家认为该技术是制造未

6、来纳米集成电路的较佳候选者。X射线光刻技术通常采用的波长范围在0.4~1.4nm，可获得极高的分辨率。因为无法对X射线聚焦，所以采用的曝光系统基本都是无投射光学系统的近贴式和1∶1投影式。X射线掩模版是由氮化硅或碳化硅等轻元素材料做成1~5μm厚的薄膜底版，然后在上面根据电路图形要求，沉积0.14~0.17μm厚的重金属层（通常为金或钨），作为吸收层。X射线掩模版制作困难；受热容易变形。5.1.2电子束刻蚀（EBL）和离子束刻蚀（IBL）无需掩模版波长更短电磁透镜聚焦速度极慢电子散射造成邻近效应目前的发展趋势：电子束刻蚀与光

7、学光刻的混合匹配曝光技术即电路的大部分工艺由光学光刻完成，超精细图形由电子束光刻完成。电子束光刻一般用于制作高精度掩模线宽分别为100nm和12nm的纳米线条、规则的六角图案。离子束刻蚀：散射极小,邻近效应几乎为零（离子质量重）；感光胶对离子的灵敏度高。聚焦离子束系统所采用的静电透镜有较大的色差系数（离子的能量分散），分辨率比电子束曝光低；曝光深度有限。离子束曝光在集成电路工业中主要用于光学掩模的修补和集成电路芯片的修复。5.1.3纳米压印技术（NIL）通过将具有纳米图案的模版以机械力(高温、高压)压在涂有高分子材料的硅基板

8、上,等比例压印复制纳米图案,进行加热或紫外照射,实现图形转移。加工分辨力只与模版图案的尺寸有关,而不受光学光刻的最短曝光波长的物理限制（线宽在5nm以下）。由于省去了光学光刻掩膜版和使用光学成像设备的成本，因此纳米压印技术具有低成本、高产出，同时不需要很多的资金来维持生存的经济优势。大面积