使用SPM的纳米级加工技术新进展

　　扫描探针式显微镜(SPM)发明之初,仅用于表面微观形貌的检测,达到原子级分辨率,随着纳米科技的发展,SPM的用途已大大扩展.现在STM和AFM已用于纳米级微结构的精密加工和原子操纵.由于纳米级微结构的加工,直接影响纳米级微型机械,纳米电子学和微机电系统的发展,因此它日益受到重视.本文将介绍使用SPM进行纳米级精密加工最近发展的一些主要方法.

　　1　用SPM的探针直接进行雕刻加工

　　原子力显微镜使用高硬度的金刚石或Si3N4探针尖,可以对试件表面直接进行刻划加工.可改变针尖作用力大小来控制刻划深度,按要求形状进行扫描,即可获得要求的图形结构.用SPM探针可以刻划出极小的三维立体图形结构,图1中是哈工大纳米技术中心用AFM加工出的“HIT”图像,图2中是用AFM探针雕刻加工出的圆形凹坑结构,可看到用这种方法可以雕刻出较窄而深的沟槽和其他立体结构.

　　2　用SPM进行电子束光刻加工

　　图3给出了用AFM在Si表面光刻加工得到的连续纳米细线结构.

　　现在生产中加工超大规模集成电路时用的电子束得到的连续纳米细线结构光刻加工,最小线宽为0.13μm.受到电子束聚焦的限制,加工最小线宽要小于0.1μm就有较大难度.

　　当AFM使用导电探针时,控制探针和试件间的偏压(取消针尖和试件间距离的反馈控制),由于针尖端极尖锐可以将针尖处的电子束聚焦到极细.再采用常规的光刻工艺,使试件表面光刻胶局部感光,将未感光的光刻胶去除,再进行化学腐蚀,即可获得极精微的光刻图形.图3中是美国斯坦福大学Quate等用SPM对Si表面进行光刻加工获得的连续纳米细线微结构[1].在上述实验中, AFM电子束的发射电流为50pA,获得的纳米细线宽度为32 nm,刻蚀深度为320nm,高宽比达到10∶1.

　　美国IBM公司的McCord等用AFM在Si表面进行光刻加工,获得线条宽度为10 nm的图案.

　　3　局部阳极氧化法加工纳米结构

　　图4为使用SPM的探针尖对试件表面进行局部阳极氧化方法的原理.在反应过程中,针尖和试件表面间存在隧道电流和电化学反应产生的法拉第电流,针尖为电化学阳极反应的阴极,试件表面为阳极(即试件的偏压为正),吸附在试件表面的水分子(H2O)起到了电化学反应中的电解液作用,提供氧化反应中所需的HO-离子.

　　这种阳极氧化方法可使试件表面数个原子层出现氧化.阳极氧化区的大小受到针尖的尖锐度、针尖和试件间偏压的大小、环境湿度以及扫描速度(反应时间)等因素影响.控制上述因素,可以加工出很细并且均匀的氧化结构.

　　图5为美国斯坦福大学Quate等用阳极氧化法加工出的TiOx细线结构.试件是α-Al2O3基板表面上均匀沉积3 nm厚的金属钛膜,阳极氧化而成TiOx细线,实验中用的AFM的针尖是单壁碳纳米管,加工时的偏压为-5 V,加工得到的TiOx线宽仅为5 nm.