亚10纳米加工：方法和应用

亚10纳米加工：方法和应用

亚10纳米加工技术是推动纳米科技发展最为关键的动力，不仅使得电子芯片与器件性能持续提升，而且激励了光子、生物、量子等新型器件的快速开发。本文综述了亚10纳米加工的方法和应用，包括光刻方法、力学驱动方法和后精修策略，以及在集成电路、等离激元增强光谱、高灵敏传感、场发射、基因测序和量子器件等领域的应用。

1. 研究背景

自费因曼的“There is still plenty of room at the bottom”预言伊始，在过去的60余年中纳米科技蓬勃、快速地发展，而纳米加工技术是推动纳米科技发展最为关键的动力，不仅使得电子芯片与器件性能持续提升，而且激励了光子、生物、量子等新型器件的快速开发。在纳米加工技术应用中，最令人瞩目的是集成电路产业。经过几十年摩尔定律的发展，集成电路制造已进入亚10纳米技术节点。除集成电路制造外，亚10纳米加工还可以拓展至一些商用非CMOS器件制造中，并且提高其性能，例如X射线波带片、DNA纳米孔测序装置、超导纳米线单光子探测器、超高频声表面波器件等。在基础研究领域中，具有亚10纳米尺度的材料和结构（例如：纳米晶体、量子点、纳米间隙等）也为新兴纳米器件带来了许多新颖有趣的特性。因此，亚10纳米制造可被视为一个既能够扩展摩尔定律又能够探索基础研究中有趣现象和效应并开发新概念器件的技术平台。

图1：亚10纳米制造方法及其应用概述图

考虑到面向IC行业的CMOS技术已经非常成熟，本综述的主要内容是总结非CMOS工艺及方法，因为它们不仅丰富了亚10纳米加工方法，而且与CMOS方法相比，在分辨率、效率或成本方面具有互补优势，故在图1中还主要归纳了三类亚10纳米加工方法：光刻方法、力学方法，以及后精修策略。

2. 最新技术和方法

主要的亚10纳米加工技术分为三种：包括基于光刻的方法，力学方法和后精修的方法。虽然基于光刻的方法仍然是主流，但它们通常具有分辨率有限或成本高的局限性。力学驱动的方法和后精修的方法提供了智能解决方案，以补充基于光刻的方法，后者有时具有更高分辨率或更低成本的优势，特别是在基础研究和非CMOS器件应用中。

基于光刻的方法（Lithography-based approaches）

在各种制造技术中，光刻技术是最常用的图形化技术，其具有高分辨的加工能力，结合后续的增材或减材图形转移工艺（如薄膜沉积和刻蚀），将光刻胶上的高分辨图形转移至各种功能材料上。运用光刻技术加工亚10纳米结构通常可分为两条技术路线：一是直接提升光刻分辨率至亚10纳米尺度，二是通过巧妙的图形转移方法实现亚10纳米特征结构的制备。如图2所示，作者主要将其归纳如下：

（1）无掩模直写技术（聚焦电子束和聚焦离子束）（图2a）
（2）嵌段共聚物导向自组装技术 （图2b）
（3）纳米压印技术 （图2c）
（4）扫描探针光刻（Tip-based nanofabrication） （图2d）
（5）线描轮廓曝光工艺（“Sketch and Peel” strategy） （图2e）
（6）巧妙的图形转移技术（Smart pattern-transfer approaches） （图2f）

图2：基于光刻的方法。（a）无掩膜直写技术，包括聚焦电子束和聚焦离子束等一系列直写工艺；（b）化学模板诱导的嵌段共聚物导向自组装；（c）纳米压印技术；（d）扫描针尖光刻技术；下图为运用扫描隧道显微镜原子级针尖在铜的（111）晶面上操控Fe原子构筑的“量子围栏”结构；（e）线描轮廓加工技术；（f）在巧妙的图形转移工艺中，具有代表性的边缘光刻工艺。

力学驱动的方法（Mechanics-enabled approaches）

利用传统的微光刻加工亚10纳米结构是极具挑战性的。面对如此具有高难度的加工挑战，通过微观力学行为进行结构的加工及组装是一种有效解决方案。这一类力学加工的方法主要是通过各种微观力学行为，包括宏观尺度的拉伸、弯曲和微观尺度的能量最小化，制备亚10纳米结构特征。如图3所示，作者主要概括了以下3类：

（1）模版自组装技术（Templated self-assembly） （图3a）
（2）力学断裂方法（Mechanical cracking） （图3b）
（3）后组装方法（Post-assembling） （图3c）

图3：力学驱动的亚10纳米加工方法。（a）胶体金颗粒的模版自组装；（b）局部溶胀诱导断裂制备金属纳米间隙；（c）应力诱导后组装制备亚10纳米金属间隙。

后精修的方法（Post-trimming approaches）

在同时兼顾分辨率和效率的情况下，使用单一方法或技术进行亚10纳米加工是十分困难的。在面对很多应用需求时，亚10纳米加工通常是采用两种或两种以上互补方法的结合，通过粗加工快速、高效加工纳米结构，以增材或减材后精修的方式加工目标亚10纳米关键特征。如图4所示：

（1）增材后精修（例：多层分子自组装精细控制金属纳米线宽）（图4a）
（2）减材后精修（例：聚焦氦离子束修剪金纳米棒制备纳米间隙）（图4b）

图4：后精修的亚10纳米加工方法。（a）多层分子自组装制备10纳米尺度的金属结构；（b）通过聚焦氦离子束铣削加工在预先制备好的金纳米棒上加工出10 纳米间隙。

3. 典型应用

亚10纳米加工技术除了在CMOS芯片领域取得了举世瞩目的成就，还在各种纳米光学器件、纳米电学器件、纳米光电子器件等其它高性能或新概念器件领域有广泛的应用前景。如图5所示，作者主要列举了以下五种典型的应用：

（1） 等离激元纳米间隙增强光谱 （图5a）
（2） 纳米间隙电极（窄沟道电子器件和超灵敏传感）（图5b）
（3） 纳米针尖的场发射应用（图5c）
（4） 纳米孔基因测序 （图5d）
（5） 量子器件（包括基于量子限域效应的器件和量子隧穿器件）（图5e和图5f）

图5：典型的亚10纳米加工应用实例。（a）具有极小纳米间隙的硅纳米二聚体表面增强荧光；（b）以单壁碳纳米管为栅极的1 nm沟道MoS2晶体管示意图；（c）气体-场氦离子源的原理及氦离子发射源尖端的三聚体钨原子像；（d）基于固态纳米孔的DNA测序技术的原理示意图；（e）光子晶体腔内氮空位（NV）中心集成量子光源原理图；（f）基于光诱导热电子隧穿效应的光电探测器。

4. 总结和展望

在过去的几十年里，随着亚10纳米加工能力的不断提升，各种高性能、新概念器件的应用已经得到了验证，同时也应用于更多新现象的探索中，并取得了很大的进展。然而，亚10纳米加工仍然存在许多局限和挑战。从可靠性、准确性、制造效率和成本等角度考虑，大多数亚10纳米加工方法和技术目前仍处于实验室阶段，难以满足大规模制造。从分辨率的角度来看，将分辨率进一步降低到单纳米甚至原子尺度仍具有挑战性。其次，现有的纳米加工技术仅适用于平面结构的定义，无法满足三维制造的要求。为了将分辨率推进至原子尺度，这需要未来结合各方面系统性的提升和努力，包括进一步提高制造工具的性能，开发更先进的工艺组合，以及开发性能更好的材料等。另一方面，应开发基于单原子和分子的制造技术，如单离子注入、原子层沉积、原子层刻蚀和单重离子光刻等。同时，弄懂纳米尺度甚至原子尺度下的力学、热力学和动力学过程对实现制造中的原子级控制是尤为重要的，这需要在模拟方法和分子动力学技术上付出更多努力。考虑到器件制造过程中材料和工艺的兼容性，单纯依靠光刻技术来实现如此高的分辨率变得越来越困难，将自下而上的生长及组装技术与自上向下的光刻技术相结合，有望成为未来单纳米和原子级器件制造的一种可行策略。

本文原文来自《极端制造》国际期刊（International Journal of Extreme Manufacturing）