EBL技术实现对纳米结构特征的精细控制

作者:admin  来源:C Lighting 原作者 王凯  发布时间:2024-05-09  访问量:1323

电子束光刻技术使得对构成多种纳米技术基础的纳米结构特征实现精细控制成为可能。纳米结构制造与测量的研究人员致力于提升纳米尺度下的光刻精度,并开发了涵盖从光学到流体等多个物理领域、用以制造创新器件和标准的工艺流程。

描述
电子束光刻技术
电子束光刻技术可实现对纳米结构特征的精细控制,这些特征构成了各种器件技术的基础,其性能能够达到横向分辨率10nm((Lateral resolution)),定位精度1nmplacement accuracy),以及图形化区域(patterning fields)达1mm的水平。然而,要实现这些性能指标,需依赖众多相互关联的因素,这些因素特定于样品本身,包括图案定义与断裂、基底与掩模材料、曝光前后的处理过程、对准特征的定义,以及至关重要的光刻系统操作细节。
核心能力与应用领域

作为核心能力,研究人员开发接近或达到传统电子束光刻极限的工艺流程,以推动多个领域的纳米级器件与测量科学的发展,例如:用于精密时钟的芯片级频梳(chip-scale frequency combs for precision time-keeping)、波长与量子频率转换的非线性集成光学(nonlinear integrated optics for wavelength and quantum frequency conversion)、片上腔光机械及微/纳机电系统(用于传感、转换与非线性动力学研究)(on-chip cavity optomechanical and micro/nano-electromechanical systems for sensing, transduction and non-linear dynamics studies)、集成量子光子电路(含非线性与量子发射光源)以支持量子信息(quantum photonic integrated circuits with non-linear and quantum emitter light sources for quantum information)、覆盖紫外到红外的超表面(用于原子离子操控、偏振测量、成像及超快激光脉冲的空间时间整形)(meta-surfaces from UV to infrared for trapping and probing atoms and ions, polarimetry, imaging, and spatiotemporal ultrafast laser pulse shaping)、以及用于像差校正的光学显微镜标准(optical microscopy standards for aberration correction)。

技术进步与工具开发

为了推进电子束光刻的基本能力,我们正在开发方法以更好地控制、测量和理解制造过程。为了降低电子束光刻技术的入门门槛并提升图案精度控制,我们创建了“纳米光刻工具箱”。这一免费提供的软件通过简单且文档齐全的脚本语言,允许快速设计复杂的多层图案。为实现更优的横向分辨率,我们正在开发物理模型来模拟电子束抗蚀剂的曝光过程,优化图形化工艺,并推进扫描电子显微镜与扫描探针显微镜技术以测量边缘粗糙度。为了改进图案定位精度,我们正利用电子束光刻技术来制作原子力显微镜和超分辨光学显微镜的相关标准图案,通过高通量的精准定位特性,实现工艺参数的表征与优化。此类测量形成了一个积极的反馈循环,即制作与测量纳米结构,不断迭代优化。

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通过电子束光刻技术来创建的器件示例包括:a. 微环谐振器,用于产生频梳;b. 紫外波长的金属透镜;c. 单光子源的微腔;d. 用于测量与转换的纳米梁光机械晶体。
亮点聚焦1:纳米光刻工具箱

在纳米制造领域,特别是电子束光刻技术中,光刻设计的精确性是决定性的因素。目前,布局设计普遍采用的是半导体行业标准软件。然而,这类软件在面对纳米光子学、纳米等离子体学、纳米流体学以及纳米力学器件设计时,显得不那么适宜,因为这些领域的设计常常涉及到具有极端缩小尺寸的复杂曲线几何结构。为了解决这一难题,我们研发并持续优化了“纳米光刻工具箱”:一款免费、不受平台限制的计算机辅助设计软件套装,它能够便捷地创建复杂形状并直接输出至标准GDSII布局格式。该工具箱利用参数化形状作为基本构建单元,用户可通过脚本编写和编程手段,高效设计出任意复杂度的纳米级器件布局。工具箱内含一个庞大且持续增长的参数化形状库,专门针对纳米光子学和纳米力学器件,所有内容都被详尽地记录在一份全面的手册中。迄今为止,纳米光刻工具箱的下载量已经超过3,500次,已被包括3MGoogle XOculus/Facebook(现属Meta)、Thorlabs和罗氏(Roche)在内的多家知名工业巨头采用,彰显了其在先进纳米技术研发中的重要价值与广泛影响力。

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WK:经测试,可以下载。但需要先安装JAVA环境,可参考“win10双击运行.jarJAVA环境安装)超详细过程网络上自行搜索。

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纳米光刻工具箱: 从使用纳米光刻工具箱进行设备设计,到制造,最后集成到手持式PCR系统。
亮点聚焦2:应用于异质纳米光子学的电子束光刻技术

III-V族半导体中,自组装量子点作为量子技术中单光子的优质来源,展现出巨大的潜力。纳米光子学的结构设计是关键,它能最大化地收集单个量子点释放的光子。我们已经设计并制造了砷化镓(GaAs)纳米光子结构,该结构能高效地将嵌入的砷化铟(InAs)量子点发射的单光子引导进入硅基光子集成电路中。虽然硅光子电路在大规模量子系统中大有可为,但我们的方法提供了仅靠Si无法实现的关键功能。挑战在于,量子点的自组装导致对其空间位置的控制有限。至关重要的是,为了达到最优性能,量子点必须在其承载结构中被精确放置。为应对这一挑战,我们与柏林工业大学合作,采用了低温阴极荧光成像技术,在粘接至氮化硅(Si3N4)晶圆的薄砷化镓膜中定位单个量子点。随后,我们实施了一种非传统的原位电子束光刻技术,以精确对准特定量子点来定义纳米光子承载结构。在蚀刻掉III-V层后,我们再利用常规电子束光刻技术,定义了一个精确对齐的界面氮化硅光子回路。我们通过确定性生成的单量子点器件,史无前例地展示了在氮化硅光子回路中触发生成且不可区分的单光子,证明了这一技术的重大突破。

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亮点聚焦3:用于可重现纳米光子学的电子束光刻技术

纳米光子结构能够控制光与物质的相互作用,从而在芯片上实现了线性、非线性、量子光学及光机械现象的观察与应用。这种控制是通过光在纳米结构中的强约束实现的。然而,小于10nm的尺寸变化会导致光传播的巨大变化。因此,制造过程需要精心控制以实现可复现的性能表现——这不仅是应用上的迫切需求,也是器件开发周期中的必要条件。本部门在电子束光刻技术上的核心能力,使得我们能够常规性地展示这种控制力,为多种应用创造纳米光子器件。具体而言,这意味着能够通过电磁仿真设计纳米光子结构,然后进行制造,并在一种良性循环中测量器件,从而持续达到高性能的可复现性。一个实例是针对光学参量振荡而开发的氮化硅(Si3N4)微环谐振器。在这一应用中,按波长工程化的导波色散特性和低的传播损耗是至关重要的。通过微调微环宽度不到10纳米,我们实现了对参量振荡的控制,并观测到了从红光到绿光的宽范围内的可见光波段参量振荡。这充分展示了我们在电子束光刻技术上的精确度和可复现性,对于推动先进纳米光子器件的发展具有重要意义。

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纳米光子学的电子束光刻技术:通过纳米级微孔宽度控制实现从绿色到红色的Si3N4微孔谐振器光参量振荡器。
亮点聚焦4:电子束光刻技术用于分子识别和测序

检测、识别和测序生物聚合物对于开发诊断和治疗疾病的新能力至关重要。考虑到癌症等疾病的遗传因素,DNA 的检测尤为重要。纳米级金属-绝缘体-金属(MIM)隧道结可以通过共振隧道的分子调解来检测单个分子。我们与工业利益相关者 F. Hoffmann-La Roche 有限公司合作,在分隔两个微流体贮液器的独立Si3N4 膜上,用电子束光刻技术制造出带有纳米孔图案的 Pt/Al2O3/Pt 结。我们将电子束和光学投影光刻技术、先进的离子束沉积技术、离子束和活性离子等离子刻蚀技术相结合,制作出了原型设备,并证明了生物分子检测的可行性。这一过程需要精确对准电子束光刻技术,以便在纳米级连接中心绘制纳米孔图案。当生物分子通过纳米孔从一个微流体储存库转移到另一个微流体储存库时,我们通过它们的隧道电流来识别它们。通过分析隧道电流噪声的功率谱密度,我们能够观察到短 DNA 寡聚体的迁移,并识别出各种有机金属复合物。

使用电子束光刻技术来制造能够检测和识别生物分子的纳米级装置,特别是DNA寡核苷酸和有机金属复合物。通过精确的电子束对齐和多种光刻技术的结合,研究人员能够创建出能够检测单个分子的隧道结。这项技术对于生物医学研究和疾病治疗具有潜在的重要应用价值。
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用于分子识别和测序的电子束光刻技术: 支持金属-绝缘体-金属交界处的Si3N4薄膜,带有通过分析隧道电流噪声进行分子识别的图案化狭缝纳米孔。