第五讲 纳米电子学.ppt

原子力显微镜及其应用 原子力显微镜的基本原理 原子力显微镜微悬臂偏转的检测方法 原子力显微镜获得的原子图像 原子力显微镜的纳米加工技术 原子力显微镜的基本原理 STM只能在导电材料的样品表面上分辨出单个的原子并得到原子结构的三维图像。对于非导电材料，STM将无能为力。为了弥补STM的不足，达到分辨不导电物体表面上的单个原子，1986年，Binnig等发明了原子力显微镜（Atomic Force Microscopy, AFM)。AFM是一种类似于STM的显微技术，它的许多元件与STM是共同的，如用于三维扫描的压电陶瓷系统以及反馈控制器等。 AFM与STM的差别 AFM与STM主要不同点是用一个对微弱力极其敏感的易弯曲的微悬臂针尖代替了STM的隧道针尖，并以探测悬臂的微小偏转代替了STM中的探测微小隧道电流。正是因为AFM工作时不需要探测隧道电流，所以它可以用于分辨包括绝缘体在内的各种材料表面上的单个原子，其应用范围无疑比STM更加广阔。但从分辨率来看，AFM要比STM略微低些。 AFM的工作原理 AFM 的核心部件是对微弱力极其敏感的微悬臂，它的一端被固定，另一端则有一微小的针尖。AFM在图像扫描时，针尖与样品表面轻轻接触，而针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力（10-8～10-6牛顿），这个力会使悬臂产生微小偏转。这种偏转被检测出来，并用作反馈来保持力的恒定，就可以获得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的图像。 原子力显微镜的纳米加工技术 在现代超大规模集成电路芯片的光刻生产加工中，目前广泛应用于实际生产，精度最高的是深紫外光光刻技术。它加工的最小线宽为130 nm，其理论极限是 100 nm。由于最小线宽决定了集成电路中晶体管尺寸的大小,因此发展 100nm以下的刻蚀技术是未来更大规模集成电路加工的基础。 AFM与STM一样，在纳米结构加工的方面具有很强的应用背景。由于它不受材料种类的限制，在各种材料的纳米加工中得到了更加广泛的应用。同时，AFM所具有的原子分辨的能力，使它在尺寸小于100nm 的结构加工中具有十分明显的优越性。 硅材料表面上纳米细线的刻蚀步骤 （a）在Si材料的表面上沉积有一层厚度为65 nm的抗刻蚀聚合物材料； （b）受到电子束的激励后，抗刻蚀聚合物材料发生聚合反应而形成一层特殊的抗刻蚀层； （c）将没有受到电子束激励的其余聚合物材料移去并暴露出Si材料的表面； （d）直接在Si材料上刻蚀出特定的结构。这个结构将和用电子束在聚合物材料上预先制作的结构完全相同。 硅材料表面上纳米细线的刻蚀 光刻的工艺流程 1、清洁处理：清洁的表面才能与光刻胶有良好的粘附； 2、涂胶：在待光刻的硅片表面均匀地涂上一层光刻胶。要求粘附良好，均匀； 3、前烘：使光刻胶干燥，以增强胶膜与硅片表面的粘附性和胶膜耐磨性，同时使曝光时能进行充分的光化学反应； 4、曝光及显影：在曝过光的硅片表面的胶膜上显影出与掩膜版相同（正性光刻胶）或相反（负性光刻胶）的图形，显影后的硅片必须严格检查，以保证光刻的质量； 5、坚膜：使胶膜与硅片之间紧密粘附，防止胶层脱落，同时增强胶膜本身的抗蚀能力； 6、腐蚀：以坚膜后的光刻胶作为掩蔽层，对衬底进行干法或湿法腐蚀，使之得到与光刻胶膜图形相应的图形； 7、去胶：以干法或湿法去除光刻胶膜。 第五讲 纳米电子学 引言 微电子技术及超大规模集成电路的发展限制 单电子晶体管 单电子存储器 纳米电子学 美国一家研究所在“杀人蜂”背上粘上微芯片和红外发射器以追踪监视 引言 纳米技术中最重要的一个分支领域是纳米电子学技术。 在信息社会中，电子学的应用显得越来越重要。信息的获取、放大、存储、处理、传输、转换和显示，哪一样都离不开电子学。电子学技术早已经成为人类经济的命脉。 电子学未来的发展，将以“更小，更快，更冷”为目标。“更小”是进一步提高芯片的集成度，“更快”是实现更高的信息运算和处理速度，而“更冷”则是进一步降低芯片的功耗。 电子管计算机时期（1946～1959）， 晶体管计算机时期（1959～1964），俗称为第二代计算机 第三代 中小规模集成电路计算机 第四代计算机 2 微米电子学技术及超大规模集成电路的发展限制 微电子学技术及超大规模集成电路的飞速发展使得人类在计算机，电子通讯，航空航天等重大经济领域取得了突飞猛进的进展，它已经成为当代各行各业智能工作的基石。 半个世纪以来，微电子技术领域已经发生了两次重大技术革命，一是晶体管取代真空电子管，二是集成电路取代传统的导线连接电路。这两次技术革命对人类以计算机和信息技术为基础的新技