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3D納米結構高速直寫機

— —納米光刻與微米光刻兼顧的聯合圖形化工藝方案

NanoFrazor光刻技術，衍生于IBM Research研發的熱掃描探針光刻技術——快速、精準地控制納米針尖的移動及溫度，利用熱針尖實現對熱敏抗刻蝕劑的快速精準刻寫，從而為納米制造提供了許多新穎的、獨特的可能性。

NanoFrazor Explore以極高的速度、精度和可靠性運行，在目前所有掃描探針光刻技術中屬于速度快、應用廣泛的一種。

NanoFrazor Explore配備了先進的硬件和軟件，以合適的方式控制可加熱的NanoFrazor懸臂梁，以便進行書寫和成像，實現基于閉環光刻技術的各種高精度圖案化工藝。2019年，Explore增配了激光直寫模塊，有效加快了特征線寬在微米或亞微米水平的圖形的加工速度，成為納米光刻與微米光刻兼顧的聯合圖形化工藝方案。由此，在針對同一抗刻蝕層的圖案化工藝中，實現了納米刻寫與微米刻寫的無縫銜接。從而可以根據不同的圖案特征線寬，采用不同精度的刻寫技術，兼顧精度與速度。

主要特點：

★ 利用加熱針尖直接刻寫圖案，分辨率優于15 nm；

★ 利用激光熱揮發實現圖案化，分辨率優于1 μm；

★ 高速原位AFM輪廓成像；

★ 樣品尺寸100×100 mm²；

★ 閉環光刻；

★ 灰度曝光，分辨率及精度達到2 nm；

★ 利用原位AFM實現精準的對準，從而實現無掩膜套刻及寫場拼接；

★ **的隔音及隔振性能；

★ 無需潔凈間，亦無特殊的實驗室環境要求

閉環光刻

NanoFrazor光刻系統是基于熱掃描探針光刻技術，其核心部件是一種可加熱的、非常尖銳的針尖，利用此針尖可以直接進行復雜納米結構的刻寫并且同時探測刻寫所得結構的形貌。加熱的針尖通過熱作用，直接揮發局部的抗刻蝕劑，從而實現對各類高分辨納米結構的制備。此外，NanoFrazor的光刻技術能夠與各類標準的圖形轉移方案（如lift-off、刻蝕）兼容，從而實現各類材料的圖形化制備。

**“閉環光刻”技術確保圖形化工藝的高精確度

納米光刻與微米光刻兼顧的圖形化工藝方案

自2019年開始，NanoFrazor Explore增配了激光直寫模塊，由此在保障納米級分辨率圖案刻寫精度的同時，大大提升了NanoFrazor Explore對微米級分辨率圖形的刻寫速度。

激光刻寫

基于激光的熱作用，以亞微米精度，快速、直接地揮發抗刻蝕劑，從而實現大面積的圖案化工藝（例如微納結構的引線或焊點圖形制備）。

熱探針直寫

對于納米結構或納米器件關鍵部分的高精度、高分辨率刻寫。

刻寫所得結構的測量、觀測、對準

由于抗刻蝕劑直接揮發，無須濕法顯影操作即可實現抗刻蝕劑的圖案化。在圖案化過程中，同一根探針能夠原位、高速的對圖案化抗刻蝕劑進行AFM成像和測試。

微米尺度及納米尺度的哈佛大學校徽，對PPA刻蝕劑的刻蝕深度為30 nm，圖像由NanoFrazor Explore的探針進行AFM成像獲得。(Courtesy of Harvard CNS)

3D灰度納米光刻

★ 可在針尖掃描的每個位置對圖案化工藝的深度進行設定（即每個像素點的灰度值）

★ 閉環光刻技術能夠實現很高的灰度刻寫精度（經論證，對大于16個灰階的結構進行圖案化工藝，灰度刻寫的誤差小于1納米）

無掩膜套刻與拼接

★ 通過原位AFM功能實現高精度的無掩膜套刻及拼接（經論證，精度優于10 nm）；

★ 埋在抗刻蝕劑PPA下的圖案結構（如納米片、納米線等）可用作“天然的”對準標記寫場的自動關聯拼接；

由金的lift-off工藝獲得的）反射全息圖包含1×108個像素點，每個寫場為邊長50 μm的正方形，寫場間的拼接由AFM相關技術實現

利用無掩膜光刻在單根納米線上制備金屬電極：（a）由Explore的AFM成像功能探測到的納米線輪廓及位置信息（綠線標出）與擬制備的電極結構布局圖（粉色區域）；（b）lift-off工藝后獲得的帶有金屬電極的單根納米線的SEM圖像

高分辨率

★ 尖銳的針尖，為了高分辨率的實現（經論證，在PPA抗刻蝕劑中能夠實現的半節距優于10納米）

★ 無須針對臨近效應的修正

其他獨特性能

★ 低損傷：制備過程中沒有引入帶電粒子束流，基于敏感材料的微納器件能夠獲得更好器件特性

★ 納米尺度的材料轉換：多種材料的直接熱誘導修飾（相變、化學反應……）

應用案例

三維光子分子（3D PHOTONIC MOLECULES）

(Courtesy of IBM Research Zurich， publication in 2018)

單電子器件

Courtesy of IBM Research Zurich， publication in 2018

基于二維原子晶體的器件

(Courtesy of Prof. Elisa Riedo， NYU)

基于準一維納米材料的納米器件

(Courtesy of S. Karg & A. Knoll， IBM Research – Zurich)

基于布朗馬達的納米器件，可用于納米顆粒分類

(Courtesy of IBM Research， Publications in Science and PRL 2018)

國內外客戶

已發表的文獻

● Wolf (JVST B 2015) Sub20nm Liftoff and Si Etch and InAs nanowire contacts

● Garcia (Nat Nano 2014) Advanced scanning probe lithography

● Rawlings (IEEE Nano 2014) Nanometer accurate markerless pattern overlay using thermal Scanning Probe Lithography

● Holzner (SPIE EMLC 2013) Thermal Probe Nanolithography

● Cheong (Nanoletters 2013) Thermal Probe Maskless Lithography for 27.5 nm Half-Pitch Si Technology

● Fei Ding (PhysRevB 2013) Vertical microcavities with high Q and strong lateral mode confinement

● Carrol (Langmuir 2013) Fabricating Nanoscale Chemical Gradients with ThermoChemical NanoLithography

● Paul (Nanotechnology 2012) Field stitching in thermal probe lithography by means of surface roughness correlation

● Kim (Advance Mat 2011) Direct Fabrication of Arbitrary-Shaped Ferroelectric Nanostructures on Plastic， Glass， and Silicon Substrates

● Holzner (APL 2011) High density multi-level recording for archival data preservation

● Holzner (Nanoletters 2011) Directed placement of gold nanorods using a removable template

● Paul (Nanotechnology 2011) Rapid turnaround scanning probe nanolithography

● Wang (Adv Funct Mat 2010) Thermochemical Nanolithography of Multifunctional Nanotemplates for Assembling Nano-Objects

● Wei and King (Science 2010)Nanoscale Tunable Reduction of Graphene Oxide for Graphene Electronics

● Pires (Science 2010) Nanoscale 3DPatterning of Molecular Resists by Scanning Probes

● Knoll (Adv Materials 2010) Probe-Based 3-D Nanolithography Using SAD Polymers

● Fenwick (Nat Nano 2009) Thermochemical nanopatterning of organic semiconductors

● Lee (Nanoletters 2009) Maskless Nanoscale Writing of Nanoparticle-Polymer Composites and Nanoparticle Assemblies using Thermal Nanoprobes

● Nelson (APL 2006) Direct deposition of continuous metal nanostructures by thermal dip-pe