CN107814355A - 一种原子级器件大规模加工集成方法 - Google Patents

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宋凤麒
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Abstract

本发明公开了一种原子级器件大规模加工集成方法，结合自上向下和自下向上的微电子工艺，实现高效的原子级器件的加工和集成。通过自上而下的工艺，包括光刻、电子束光刻，制造纳米级及更大尺寸的外连电极。通过自下而上的工艺，包括扫描隧道显微镜、团簇设备等，在目标位置生长原子级材料，并成功与外连电极互联。在摩尔定律即将失效的背景下，该原子级器件和电路制造路线容易实现，效率高，满足大量原子器件加工和集成的需求。

Description

一种原子级器件大规模加工集成方法
技术领域
本发明涉及微电子工艺技术领域，具体涉及一种原子级器件的加工方法。
背景技术
从上个世纪70年代至今，摩尔定律主导着微电子工业界，从微米特征尺寸逐渐达到5纳米。在这一过程中，随着特征尺寸的减小，器件运行速度越来越快，造成了人类社会最显著的技术进步和幸福体验。其中起到关键性因素的是光刻微加工工艺。在这一工艺中，人们利用掩模板有选择地阻挡光路，实现在金属、硅衬底上的图案化。以此为核心的这一自上而下的整套工艺路线是当今微电子工艺的基石。
然而，2016年国际权威学术杂志《nature》宣告，摩尔定律已经失效。这是因为尺寸进一步缩小就要进入原子水平，原子尺度下，电子的行为发生了根本性的变化。比如，量子隧穿效应发生了，原来绝缘的材料就不再绝缘了，这样器件的行为就全变了。另外，原子可以自动迁徙，原子级的切割转印也变得困难，原有的自上而下加工遇到了关键的困难，必须寻找新思路。
在原子级器件领域，人们开始重视一种自下而上的加工方法，这是一种原子级生长器件和电路的思路，并且开始在扫描隧道显微镜(STM)操纵、单原子器件等领域取得了进展。然而，单原子操纵的效率太低，无法满足大量原子器件加工和集成的需求。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供一种利用自上而下的原有光刻、电子束光刻制造系统纳米级及以上尺寸的外围电极，然后在指定区域自下而上地生长原子级器件，从而实现高效的原子级器件的加工和集成方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种原子级器件大规模加工集成方法，其特征在于：按以下步骤进行，
1)、将自上而下和自下而上的加工路线相结合，进行外围电极加工和原子分子材料的生长；其中自上而下的加工路线为光刻与电子束光刻制造系统纳米级及以上尺寸的外围电极的加工方法，自下而上的加工路线为在指定区域自下而上地生长原子级器件；
2)、先放置一个生长核心，然后选择与生长核心具有选择性吸附的原子分子继续生长形成器件；
3)、利用外场操控，在给定位置放置原子级器件生长的核心。
优选地，采用电场或者光场操控方法，在电场操控方法中，生长核心为单原子或者原子簇的离子束，通过调控基板电压控制生长核心进入器件生长区；在光场操控方法中，生长核心为原子或者中性团簇束，或者是超冷的原子或者团簇束，通过光场的空间操控约束沉积行为，控制生长核心进入器件生长区。
优选地，采用自上而下和自下而上相结合的加工路线，在基板的衬底上形成大规模原子、分子器件，基本方法如下：
1)、自上而下地进行外围电极加工；
2)、自下而上地进行原子分子材料的生长；
3)、原子分子材料与外围电极的互联，形成大规模原子分子器件。
优选地，采用自上而下和自下而上相结合的加工路线，在基板的衬底上形成大规模原子、分子器件，另一种基本方法如下：
1)、自下而上地进行原子分子材料的生长；
2)、自上而下地进行外围电极加工；
3)、原子分子材料与外围电极的互联，形成大规模原子分子器件。
基于自上而下与自下而上结合的典型加工和操作方案，具体过程如下，
1)、利用光刻与电子束光刻配套的方法在基板的衬底上加工一批外围电路；
2)、利用光场操控的方法控制空间的势场分布，在指定微区沉降一个种子；
3)、依照原子分子的选择性，在种子周围生长器件核心；
4)、依照原子分子的选择性，器件核心吸附黑色原子链，实现与外围电路的连接，以形成大规模的原子级器件。
基于电引导的大规模团簇器件加工方案，具体过程如下，
1)、在基板的衬底上镀一层银(Ag)膜；
2)、利用光刻与电子束光刻配套的方法在银膜上加工10×10纳米的窗口；
3)、将Au13(金)团簇加速到100电子伏沉积到基板上，给基板银膜施加100-105V电压，保证原子簇到达窗口中；
4)、通过Au13团簇和硫醇的选择性吸附性使整个基板轻覆一层硫醇，然后洗掉，在选择性和分子级引导下，形成Au13团簇到外电极的硫醇层连接；
5)、保护核心区，外围进行蚀刻和金属化过程，最终形成外电路，完成大规模的Au13器件加工。
本发明提供了一种创新思路的加工路线(方法)，结合了自上而下和自下而上的加工工艺，利用自上而下的原有光刻、电子束光刻制造系统纳米级及以上尺寸的外围电极，然后在指定区域自下而上的生长原子级器件从而实现高效的原子级器件的加工和集成，从而高效地实现原子级器件的加工和集成。在摩尔定律即将失效的背景下，该原子级器件和电路制造方法容易实现，效率高，可以满足大量原子器件加工和集成的需求。
附图说明
图1为本发明自上而下与自下而上结合的典型加工和操作过程示意图；
图2为本发明电引导的大规模团簇器件加工过程示意图。
图中，1为基板，2为外围电路，3为种子，4为核心，5为黑色原子链，6为基板，7为银膜，8为窗口，9为Au13团簇，10为硫醇层，11为外电路。
具体实施方式
实施例1，参照图1，所述原子级器件大规模加工集成方法，基于自上而下与自下而上结合的典型加工和操作方案，具体过程如下，
1)、利用光刻与电子束光刻配套的方法在基板1的衬底上加工一批外围电路2；
2)、利用光场操控的方法控制空间的势场分布，在指定微区沉降一个种子3；
3)、依照原子分子的选择性，在种子3周围生长器件核心4；
4)、依照原子分子的选择性，器件核心4吸附黑色原子链5，实现与外围电路2的连接，以形成大规模的原子级器件。
实施例2，参照图2，所述原子级器件大规模加工集成方法，基于电引导的大规模团簇器件加工方案，具体过程如下，
1)、在基板6的衬底上镀一层银(Ag)膜7；
2)、利用光刻与电子束光刻配套的方法在银膜7上加工10×10纳米的窗口8；
3)、将Au13(金)团簇9加速到100电子伏沉积到基板6上，给基板6的银膜7施加100-105V电压，保证原子簇到达窗口8中；
4)、通过Au13团簇9和硫醇的选择性吸附性使整个基板6轻覆一层硫醇层10，然后洗掉，在选择性和分子级引导下，形成Au13团簇9到外电极的硫醇层10连接；
5)、保护核心区，外围进行蚀刻和金属化过程，最终形成外电路11，完成大规模的Au13器件加工。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本申请实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (6)

1.一种原子级器件大规模加工集成方法，其特征在于：按以下步骤进行，
1)、将自上而下和自下而上的加工路线相结合，进行外围电极加工和原子分子材料的生长；其中自上而下的加工路线为光刻与电子束光刻制造系统纳米级及以上尺寸的外围电极的加工方法，自下而上的加工路线为在指定区域自下而上地生长原子级器件；
2)、先放置一个生长核心，然后选择与生长核心具有选择性吸附的原子分子继续生长形成器件；
3)、利用外场操控，在给定位置放置原子级器件生长的核心。
2.根据权利要求1所述的原子级器件大规模加工集成方法，其特征在于：采用电场或者光场操控方法，在电场操控方法中，生长核心为单原子或者原子簇的离子束，通过调控基板电压控制生长核心进入器件生长区；在光场操控方法中，生长核心为原子或者中性团簇束，或者是超冷的原子或者团簇束，通过光场的空间操控约束沉积行为，控制生长核心进入器件生长区。
3.根据权利要求1所述的原子级器件大规模加工集成方法，其特征在于：采用自上而下和自下而上相结合的加工路线，在基板的衬底上形成大规模原子、分子器件，方法如下：
1)、自上而下地进行外围电极加工；
2)、自下而上地进行原子分子材料的生长；
3)、原子分子材料与外围电极的互联，形成大规模原子分子器件。
4.根据权利要求1所述的原子级器件大规模加工集成方法，其特征在于：采用自上而下和自下而上相结合的加工路线，在基板的衬底上形成大规模原子、分子器件，方法如下：
1)、自下而上地进行原子分子材料的生长；
2)、自上而下地进行外围电极加工；
3)、原子分子材料与外围电极的互联，形成大规模原子分子器件。
5.根据权利要求2所述的原子级器件大规模加工集成方法，其特征在于：具体过程如下，
1)、利用光刻与电子束光刻配套的方法在基板的衬底上加工一批外围电路；
2)、利用光场操控的方法控制空间的势场分布，在指定微区沉降一个种子；
3)、依照原子分子的选择性，在种子周围生长器件核心；
4)、依照原子分子的选择性，器件核心吸附黑色原子链，实现与外围电路的连接，以形成大规模的原子级器件。
6.根据权利要求1所述的原子级器件大规模加工集成方法，其特征在于：具体过程如下，
1)、在基板的衬底上镀一层银(Ag)膜；
2)、利用光刻与电子束光刻配套的方法在银膜上加工10×10纳米的窗口；
3)、将Au13团簇加速到100电子伏沉积到基板上，给基板银膜施加100-105V电压，保证原子簇到达窗口中；
4)、通过Au13团簇和硫醇的选择性吸附性使整个基板轻覆一层硫醇，然后洗掉，在选择性和分子级引导下，形成Au13团簇到外电极的硫醇层连接；
5)、保护核心区，外围进行蚀刻和金属化过程，最终形成外电路，完成大规模的Au13器件加工。
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