纳米器件的一种新制造工艺——纳米压印术
发布时间:2008/6/5 0:00:00 访问次数:487
梁迎新，王太宏 |
（中国科学院物理研究所，北京100080） |
１引言
自２０世纪６０年代以来，集成电路一直按照摩尔定律不断更新换代，即单个芯片中集成的晶体管数目每１８个月翻一番。随着电路中器件尺寸的不断变小，光学光刻技术将接近其物理极限。现今流行的光刻工艺中所用的紫外光波长为２５０ ｎｍ左右，要想制造比这一尺度的一半小得多的图形结构，衍射效应将使图形的各部分特征混在一起而模糊不清。在研究人员对光学光刻技术作了一系列艰难的改进后，线宽仅有７０ ｎｍ的复杂微电子结构也已制造出来。但是这种制造方法的费用非常昂贵。用来制造线宽小于１００ ｎｍ的光学光刻工具，每台造价高达数千万至数亿美元。对此，半导体厂商也许可以接受，但是对于希望运用他们自己设计的结构来探索纳米科学的物理学家、材料科学家、生物学家来说，这样高的费用肯定令他们不敢问津。
扫描隧道显微镜和原子力显微镜可以用来移动单个的纳米颗粒或纳米管线，使其排布成一定的结构。但是，这种方法实际上是在显微镜观察之下用手工费力地构筑纳米结构，它只适合于制作临时性的、实验性的单个纳米器件，很难成为批量制作的一种工艺。
在探索制造纳米芯片的替代办法方面，人们看好的一种方法是电子束刻印术。这种方法是用电子束把电路图案绘制在一层聚合物薄膜上。电子束在原子尺度上不会发生衍射，因此不会引起图案花纹的边缘模糊。研究人员已经运用这种方法把线宽仅有几纳米的线条绘制在硅基片表面的光刻胶上。但是，用电子束作扫描，就好像一次一行地抄稿子，效率非常低。电子束扫描仪器本身的造价也比较高。
另一种参与竞争的技术是极端紫外线光刻术（使用波长１０～７０ ｎｍ的紫外光）和ｘ射线光刻术（使用波长０１～１０ ｎｍ的ｘ光），不过这些方法也有它们自己的难处：常规的透镜不能透过极端紫外光，也不能使ｘ光聚焦；高能辐射也会迅速破坏掩模和透镜中的许多材料。特别是，这些方法所使用的设备非常贵昂。
既然需要更简单、更省钱的方法来制造纳米图形结构，研究人员便掀起了一股寻找非常规方法的热潮。于是软刻印术和纳米压印术应运而生。这两种技术，后者是由前者发展而来的。本文主要介绍后者，但也要先简述一下前者。
２软刻印术
软刻印术主要有两钟：微接触印刷法［１，２］、毛细管微模制法［３，４］。
２．１微接触印刷法
微接触印刷法是由ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ等人于１９９３年提出的［１］。它的主要思想是使用具有纳米图案的弹性印章将自组织单分子膜印到基片上。工艺过程如图１所示。首先，把一个硅片用电子束刻印术或其他技术制作成一个浅浮雕式的母板（其形状为一些相等高度?quot;岛"分布在稍低的基面上）；然后，把聚二甲基硅氧烷（ｐｄｍｓ）的一种化学前体--它呈自由流动的液体状态--倒在浅浮雕式母板上，化学前体将凝结成橡胶状的弹性固体，把此固体揭下来就成了印刷时用的印章。如此得到的ｐｄｍｓ印章，其上的凹"坑"图案与母板上的凸"岛"图案具有惊人的吻合程度：印章能够复现出母板上小于几纳米的特征。实施印刷时，先在ｐｄｍｓ印章上的岛面上涂一种含有硫醇的试剂，再使它与一张合适的"纸"接触，也就是与玻璃、硅或聚合物基片上的一层薄金膜接触。硫醇与金的表面起反应，形成一层高度有序的薄膜（称为自组装单层，即ｓａｍ），它复现了印章上的图案。由于硫醇试剂在与金膜表面接触后会略微扩散，使得图案花纹的分辨率下降，但仍能产生其特征小至５０ ｎｍ的图案。实施印刷后，再对所得的印刷件做后续加工：可以在金膜上通过自组装单层的硫醇分子来链接某些有机分子，实现自组装；特别是可以用湿法刻蚀把没有印上硫醇试剂的那部分金膜刻蚀掉，只留下印有硫醇试剂的那部分金膜，从而得到附有金膜图案的基片；如果需要，还可以再以金膜图案为掩模实施干法刻蚀：用腐蚀性气体把基片上失去金膜覆盖的那部分表面刻蚀得更低凹，而被金膜覆盖的部分及其上的金膜则不受腐蚀性气体的影响。如此便制成了特定的纳米结构。
要使用微接触印刷法，首先要做出一个浅浮雕式母板，它的制作是很费事和花钱的。但是，一旦做出了母板，用它做成ｐｄｍｓ印章以及进而印制成器件是相当简便和省钱的。特别是，用一个母板可以做出多个印章，用一个印章又可以完成多次印刷，该工艺的最大意义恰在于它可以简易和廉价的复制大批纳米图形结构。
２．２毛细管微模制法
用毛细管微
梁迎新，王太宏 | （中国科学院物理研究所，北京100080） | １引言
自２０世纪６０年代以来，集成电路一直按照摩尔定律不断更新换代，即单个芯片中集成的晶体管数目每１８个月翻一番。随着电路中器件尺寸的不断变小，光学光刻技术将接近其物理极限。现今流行的光刻工艺中所用的紫外光波长为２５０ ｎｍ左右，要想制造比这一尺度的一半小得多的图形结构，衍射效应将使图形的各部分特征混在一起而模糊不清。在研究人员对光学光刻技术作了一系列艰难的改进后，线宽仅有７０ ｎｍ的复杂微电子结构也已制造出来。但是这种制造方法的费用非常昂贵。用来制造线宽小于１００ ｎｍ的光学光刻工具，每台造价高达数千万至数亿美元。对此，半导体厂商也许可以接受，但是对于希望运用他们自己设计的结构来探索纳米科学的物理学家、材料科学家、生物学家来说，这样高的费用肯定令他们不敢问津。
扫描隧道显微镜和原子力显微镜可以用来移动单个的纳米颗粒或纳米管线，使其排布成一定的结构。但是，这种方法实际上是在显微镜观察之下用手工费力地构筑纳米结构，它只适合于制作临时性的、实验性的单个纳米器件，很难成为批量制作的一种工艺。
在探索制造纳米芯片的替代办法方面，人们看好的一种方法是电子束刻印术。这种方法是用电子束把电路图案绘制在一层聚合物薄膜上。电子束在原子尺度上不会发生衍射，因此不会引起图案花纹的边缘模糊。研究人员已经运用这种方法把线宽仅有几纳米的线条绘制在硅基片表面的光刻胶上。但是，用电子束作扫描，就好像一次一行地抄稿子，效率非常低。电子束扫描仪器本身的造价也比较高。
另一种参与竞争的技术是极端紫外线光刻术（使用波长１０～７０ ｎｍ的紫外光）和ｘ射线光刻术（使用波长０１～１０ ｎｍ的ｘ光），不过这些方法也有它们自己的难处：常规的透镜不能透过极端紫外光，也不能使ｘ光聚焦；高能辐射也会迅速破坏掩模和透镜中的许多材料。特别是，这些方法所使用的设备非常贵昂。
既然需要更简单、更省钱的方法来制造纳米图形结构，研究人员便掀起了一股寻找非常规方法的热潮。于是软刻印术和纳米压印术应运而生。这两种技术，后者是由前者发展而来的。本文主要介绍后者，但也要先简述一下前者。
２软刻印术
软刻印术主要有两钟：微接触印刷法［１，２］、毛细管微模制法［３，４］。
２．１微接触印刷法
微接触印刷法是由ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ等人于１９９３年提出的［１］。它的主要思想是使用具有纳米图案的弹性印章将自组织单分子膜印到基片上。工艺过程如图１所示。首先，把一个硅片用电子束刻印术或其他技术制作成一个浅浮雕式的母板（其形状为一些相等高度?quot;岛"分布在稍低的基面上）；然后，把聚二甲基硅氧烷（ｐｄｍｓ）的一种化学前体--它呈自由流动的液体状态--倒在浅浮雕式母板上，化学前体将凝结成橡胶状的弹性固体，把此固体揭下来就成了印刷时用的印章。如此得到的ｐｄｍｓ印章，其上的凹"坑"图案与母板上的凸"岛"图案具有惊人的吻合程度：印章能够复现出母板上小于几纳米的特征。实施印刷时，先在ｐｄｍｓ印章上的岛面上涂一种含有硫醇的试剂，再使它与一张合适的"纸"接触，也就是与玻璃、硅或聚合物基片上的一层薄金膜接触。硫醇与金的表面起反应，形成一层高度有序的薄膜（称为自组装单层，即ｓａｍ），它复现了印章上的图案。由于硫醇试剂在与金膜表面接触后会略微扩散，使得图案花纹的分辨率下降，但仍能产生其特征小至５０ ｎｍ的图案。实施印刷后，再对所得的印刷件做后续加工：可以在金膜上通过自组装单层的硫醇分子来链接某些有机分子，实现自组装；特别是可以用湿法刻蚀把没有印上硫醇试剂的那部分金膜刻蚀掉，只留下印有硫醇试剂的那部分金膜，从而得到附有金膜图案的基片；如果需要，还可以再以金膜图案为掩模实施干法刻蚀：用腐蚀性气体把基片上失去金膜覆盖的那部分表面刻蚀得更低凹，而被金膜覆盖的部分及其上的金膜则不受腐蚀性气体的影响。如此便制成了特定的纳米结构。
要使用微接触印刷法，首先要做出一个浅浮雕式母板，它的制作是很费事和花钱的。但是，一旦做出了母板，用它做成ｐｄｍｓ印章以及进而印制成器件是相当简便和省钱的。特别是，用一个母板可以做出多个印章，用一个印章又可以完成多次印刷，该工艺的最大意义恰在于它可以简易和廉价的复制大批纳米图形结构。
２．２毛细管微模制法
用毛细管微
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