CN108919398A - 一种二维原子光刻栅格结构制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二维原子光刻栅格结构制备方法，包括以下步骤：基于原子光刻技术在基板上进行第一次原子光刻，得到一维原子光刻沉积光栅样板；利用光阑的限位作用，保持会聚光指向与光栅样板的平面法向量指向不变，将光栅样板旋转角度θ；调整会聚光形成的驻波场空间高度使其与金属原子束待沉积区域存在重叠部分，在沉积光栅样板上进行第二次原子光刻，形成二维原子光栅菱形栅格结构，且菱形的其中一个内角与旋转角度相等。与现有单次沉积方法相比，本发明克服了二维激光冷却和二维光学势阱效果难以保证的问题，化繁为简，具备操作方便，栅格角度可控等优点。

Description

一种二维原子光刻栅格结构制备方法

技术领域

本发明涉及原子光刻技术领域，尤其是涉及一种二维原子光刻栅格结构制备方法。

背景技术

纳米科技的各个领域都涉及对纳米尺度物质的形态、成分、结构及其物理或化学性能的测量。例如，集成电路的核心参数计量是纳米测量最重要的应用之一，其中需要精确测量的参数包括：台阶高度、线宽(顶部、中间、底部)、侧壁宽度、侧壁轮廓及粗糙度、线边缘粗糙度和线宽变化度等。纳米制造中各类纳米结构关键参数的精确测量需要依据纳米计量标准物质作为溯源性保障，因此为保证纳米尺度几何量值测试的统一和准确性，纳米制造对纳米计量的需求与日俱增，主要表现为对纳米级横向尺寸、高度信息和粒径大小等标准物质的广泛需求。纳米尺度长度计量标准主要包括：线宽、阶高、线纹尺、节距(一维光栅)，网格(二维栅格)等。其中，二维栅格标准物质能够同时满足纳米长度测量中X方向、Y方向上的同时校准和两者之间的正交性校准，可以有效提升测量图像(如AFM、SEM等)的准确度。

二维栅格标准物质的制备工艺一般是基于激光干涉光刻、电子束刻蚀、多层膜技术以及传统光刻技术。例如，Nanosensor公司研制的2D200nm、ASM公司研制的2D144nm和NANO5国际比对中使用的2D292nm等型号二维栅格标准物质。2014年中科院物理所和中国计量科学研究院等使用电子束刻蚀技术研制出标称值为400nm的一维光栅标准物质，目前国内二维栅格标准物质仍为空白。基于以上制备工艺研制的二维光栅标准物质由于自身没有溯源性，一般周期误差大小在1～3nm数量级。与此同时，另外一种比较独特的标准光栅/栅格制备技术是原子光刻技术，该技术研制的光栅周期误差大小经衍射法测量证明可以控制在0.1nm数量级，非常适合于研制标准物质。

原子光刻技术原理为原子在激光场中受到偶极力的作用。具体为，由两束相向传播的蓝失谐激光叠加而成的驻波场构成激光场，原子在这个激光驻波场中运动时，会从一束光中吸收一个光子，并通过受激辐射使另一束激光得到一个光子。原子吸收光子的过程为，一个静止的原子处在光强最小值的左侧，它首先从激光束中吸收一个从左至右传播的光子，然后被由右至左传播的激光激发回到基态并向左侧放出一个光子。在此过程中，它获得了两倍的反冲动量，其方向是指向右侧的。与此同时，处于波谷右侧原子的受力情况正好相反，在受激辐射的情况下向左侧运动。综合来讲，原子在驻波场光场最低处做类似简谐振子的运动。当原子经过驻波场时，原子将被汇聚在波谷中心位置附近。类似地，若在红移激光驻波场的作用下，原子将在波腹中心位置附近汇聚。

基于原子光刻技术制备的光栅/栅格结构，由于原子沉积位置与激光驻波场波谷或波腹位置严格对应，可以制备周期高度准确可靠的一维光栅和二维格点结构，该结构的周期严格溯源于原子的跃迁能级间的自然跃迁频率，误差大小一般在0.1nm数量级，具有非常好的样品内一致性与样品间一致性，因此非常适宜于研制高精度的一维光栅和二维栅格标准物质。

目前，二维原子光刻光栅的研制主要方法为基于二维会聚激光驻波场单次沉积制备，该方法需要同时满足两个方面的严格条件：一是需要在真空中实现良好的二维冷却效果，具体表现为应用水平方向和垂直方向互相正交的冷却激光束同时进行冷却；二是需要在真空中维持稳定的二维会聚驻波场，具体表现为形成水平方向和垂直方向互相正交的两束会聚驻波场并且尽可能地降低偏振梯度与相对相位的影响。该方法虽能实现二维原子光刻栅格结构的制备，但是存在二维冷却装置空间结构复杂、二维会聚驻波场难以长时间稳定维持的问题，导致制备良品率较低。与此同时，固定沉积镜架后单次沉积的二维结构角度不可调节，因此二维原子光刻结构的可拓展性和多样性也有待提升。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种二维原子光刻栅格结构制备方法，不仅具备与现有方法相比同等的二维原子光刻栅格结构的制备能力，而且克服了现有单次沉积方法中二维激光冷却和二维光学势阱效果难以保证的问题，化繁为简，具备操作方便、栅格角度可调可控等优点。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种二维原子光刻栅格结构制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)基于原子光刻技术在基板上进行第一次原子光刻，得到一维原子光刻沉积光栅样板；

(2)利用光阑的限位作用，保持会聚光指向与所述光栅样板的平面法向量指向不变，将光栅样板旋转角度θ，并保证金属原子束待沉积区域与已沉积区域存在重合部分，且光栅样板与沉积用反射镜镜面面面垂直，调节所述反射镜的方位使其法向量方向与入射会聚光的指向平行；

(3)调整会聚光形成的驻波场空间高度使其与金属原子束待沉积区域存在重叠部分，在所述沉积光栅样板上进行第二次原子光刻，形成二维原子光栅菱形栅格结构，且所述菱形的其中一个内角与所述旋转角度θ相等。

进一步地，所述原子光刻中，在真空环境下将金属材料加热至升华状态并以泄流方式引出金属原子束。

进一步地，所述金属原子束元素为铬、铁、钠、铝、镱中任一种。

进一步地，所述基板为硅或磷化铟。

进一步地，所述旋转角度θ的范围为：0度<θ≤90度。

进一步地，两次所述原子光刻的过程中，金属原子束炉温、会聚光总功率、会聚光频率失谐量、会聚光与基板的切光比例、原子束横向冷却效果和沉积时间均保持一致。

进一步地，所述会聚光与基板的切光比例为10％～50％。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、将单次原子光刻沉积过程分解为分步沉积过程，降低了对二维冷却的复杂系统要求与二维激光会聚驻波场的严格要求，化繁为简，易于实现；

2、调整样品旋转角度可以得到所需的菱形栅格结构，提升了纳米光栅结构的多样性；

3、保证了与现有实验装置的兼容性，无需对真空室进行改造，将一维原子光刻光栅结构拓展到二维原子光刻栅格，在节约成本的基础上同时拓展了原子光刻结构制备的维度；

4、为二维原子光刻型长度标准物质提供了一种新的制备方法，且二维光栅结构角度可调可控。

附图说明

图1为本发明实施例中一维铬原子光刻过程示意图；

图2为本发明实施例中二维铬原子光刻过程示意图；

图3为本发明实施例中二维铬原子光刻制备的菱形栅格结构AFM图像(旋转角度θ为60度)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明提供一种在原子光刻技术领域制备二维栅格结构的新方法，本实施例中，金属原子束为铬(Cr)，二维原子光刻栅格结构制备方法包括以下步骤：

图1为一维铬原子光刻光栅制备过程的示意图，图中1代表Cr原子束，2和3为波长为λ的会聚激光，4为一维沉积光栅。一般地，在真空环境下将放有铬粉的坩埚加热至1550℃～1650℃之间使其达到升华状态，并将其从1mm泻流孔引出形成金属原子束。然后结合经纬仪与测高工具将一维冷却激光调节至与其正交，根据激光监测效果将金属原子束发散角降低至1mrad以内。进而将准直后的Cr原子束通过与其正交的激光会聚驻波场，在偶极力的作用下沉积到样板上形成一维沉积光栅结构。会聚激光波长为425.6nm，对应Cr原子的共振跃迁能级为⁷S₃→⁷P₄ ⁰，会聚激光频率调节至该共振能级对应中心频率的正失谐(+20MHz)或负失谐(-250MHz)位置。因此，形成的一维铬(Cr)原子光刻光栅结构周期为所用激光波长的一半，为212.8nm。另外，制备过程中，会聚激光被样板切割比例限制在50％以内。基板一般为硅或磷化铟材料。

原子光刻中，金属原子束在高真空系统(真空度处于10-5Pa量级)中完成，在真空系统内部将金属材料加热至升华状态并以泄流方式引出金属原子束。在真空系统外部激光光路主要有激光穏频、激光冷却、激光会聚、和激光冷却效果监测等四个部分组成。通过CCD相机观察感生荧光光斑位置，将光路中心频率调节至所用金属元素特征共振频率附近，并利用激光频率伺服系统实现激光穏频。结合声光调制器将冷却激光频率调节至负失谐并穿过真空系统石英窗口经反射镜原路返回，同时在更远处利用与中心频率相同的激光进行冷却效果监测，根据监测效果将原子束的横向冷却速度降低至最小。在会聚光光路部分增加声光调制器同样将其频率调节至中心频率较大失谐处，并将其束腰半径位置调节至真空内沉积用主反射镜的镜面位置并原路返回，选择合适的切光比例(一般为10％～50％之间)，确定会聚光与原子束中心正交，并根据所需沉积光栅峰谷高度(PTVH)选择合适的沉积时间，完成原子光刻。

图2为二维原子光刻过程的关键步骤示意图，5代表旋转样品角度为θ，6为二维沉积格点结构。在完成图1中的一维Cr原子光刻光栅制备之后，将光栅沉积架取出，基于多个光阑的限位作用，始终维持会聚光的指向不变。在保证一维原子光刻沉积光栅样板法向量方向不变的前提下，并保持样板表面与沉积架上主反射镜镜面面面垂直的情况下旋转角度θ，0度<θ≤90度，继而将样品沉积架归于真空系统内，根据保持方位指向不变的会聚光将其复位，结合经纬仪保证第一次的光栅沉积区域与金属原子束待沉积区域、激光驻波场与金属原子束待沉积区域均有重叠。随后，调节该反射镜的方位使其法向量方向与入射会聚光的指向平行，实现会聚光原路折返并始终维持驻波场状态。然后在此基础上进行第二次原子光刻沉积过程，沉积过程中Cr原子炉温、会聚光总功率、会聚光频率失谐量、会聚光与基板的切光比例、原子束横向冷却效果、沉积时间等始终保持一致。通过分步原子光刻过程，在重叠区域内会形成二维的Cr原子光刻菱形栅格结构。

所形成的Cr菱形栅格结构基本单元内的其中一个内角与图2中的样品旋转角度θ相同。图3为旋转角度为60度情况下制备的二维Cr原子光刻菱形栅格结构AFM图像(图像区域为2微米×2微米)。在图3中，每个菱形基本单元对边间垂直距离均为212.8nm，由图1中一维原子光刻光栅的性质决定。图3中菱形内角依次为60度、120度、60度、120度，对应的长短对角线长度分别为426nm与246nm。由此可知，根据角度可以调节X方向与Y方向形成的菱形对角线的大小，而菱形内对角线始终保持垂直关系(与内角无关)，从而该二维原子光刻栅格可以满足不同尺度下纳米级长度标准物质的需求，并能实现对X方向与Y方向的长度及正交性校准。

上述方法可以应用于研制二维原子光刻栅格长度标准。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种二维原子光刻栅格结构制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)基于原子光刻技术在基板上进行第一次原子光刻，得到一维原子光刻沉积光栅样板；

(2)利用光阑的限位作用，保持会聚光指向与所述光栅样板的平面法向量指向不变，将光栅样板旋转角度θ，并保证金属原子束待沉积区域与已沉积区域存在重合部分，且光栅样板与沉积用反射镜镜面面面垂直，调节所述反射镜的方位使其法向量方向与入射会聚光的指向平行；

(3)调整会聚光形成的驻波场空间高度使其与金属原子束待沉积区域存在重叠部分，在所述沉积光栅样板上进行第二次原子光刻，形成二维原子光栅菱形栅格结构，且所述菱形的其中一个内角与所述旋转角度θ相等。

2.根据权利要求1所述的二维原子光刻栅格结构制备方法，其特征在于，所述原子光刻中，在真空环境下将金属材料加热至升华状态并以泄流方式引出金属原子束。

3.根据权利要求1或2所述的二维原子光刻栅格结构制备方法，其特征在于，所述金属原子束元素为铬、铁、钠、铝、镱中任一种。

4.根据权利要求1所述的二维原子光刻栅格结构制备方法，其特征在于，所述基板为硅或磷化铟。

5.根据权利要求1所述的二维原子光刻栅格结构制备方法，其特征在于，所述旋转角度θ的范围为：0度<θ≤90度。

6.根据权利要求1所述的二维原子光刻栅格结构制备方法，其特征在于，两次所述原子光刻的过程中，金属原子束炉温、会聚光总功率、会聚光频率失谐量、会聚光与基板的切光比例、原子束横向冷却效果和沉积时间均保持一致。

7.根据权利要求6所述的二维原子光刻栅格结构制备方法，其特征在于，所述会聚光与基板的切光比例为10％～50％。