3D纳米结构高速直写机-NanoFrazor Explore

3D纳米结构高速直写机-NanoFrazor Explore

首款纳米光刻与微米光刻兼顾的联合图形化工艺方案

 

NanoFrazor光刻技术,衍生于IBM Research研发的热扫描探针光刻技术——快速、精准地控制纳米针尖的移动及温度,利用热针尖实现对热敏抗刻蚀剂的快速精准刻写,从而为纳米制造提供了许多新颖的、独特的可能性。

瑞士Swisslitho公司的NanoFrazor Explore以超高的速度、精度和可靠性运行,是目前所有扫描探针光刻技术中速度最快、应用最广泛的一种。

NanoFrazor Explore配备了最先进的硬件和软件,以最佳方式控制可加热的NanoFrazor悬臂梁,以便进行书写和成像,实现基于闭环光刻技术的各种高精度图案化工艺。2019年,Explore增配了激光直写模块,有效加快了特征线宽在微米或亚微米水平的图形的加工速度,亦成为首款纳米光刻与微米光刻兼顾的联合图形化工艺方案。由此,在针对同一抗刻蚀层的图案化工艺中,实现了纳米刻写与微米刻写的无缝衔接。从而可以根据不同的图案特征线宽,采用不同精度的刻写技术,兼顾精度与速度。 


主要特点:


★  利用加热针尖直接刻写图案,分辨率优于15 nm;

★  利用激光热挥发实现图案化,分辨率优于1 μm;

★  高速原位AFM轮廓成像;

★  样品尺寸100×100 mm2

★  闭环光刻;

★  灰度曝光,分辨率及精度达到2 nm;

★  利用原位AFM实现精准的对准,从而实现无掩膜套刻及写场拼接;

★  卓越的隔音及隔振性能;

★  无需洁净间,亦无特殊的实验室环境要求


闭环光刻


NanoFrazor光刻系统是基于热扫描探针光刻技术,其核心部件是一种可加热的、非常尖锐的针尖,利用此针尖可以直接进行复杂纳米结构的刻写并且同时探测刻写所得结构的形貌。加热的针尖通过热作用,直接挥发局部的抗刻蚀剂,从而实现对各类高分辨纳米结构的制备。此外,NanoFrazor的光刻技术能够与各类标准的图形转移方案(如lift-off、刻蚀)兼容,从而实现各类材料的图形化制备。

专利“闭环光刻”技术确保图形化工艺的高精确度


首款纳米光刻与微米光刻兼顾的图形化工艺方案


自2019年开始,NanoFrazor Explore增配了激光直写模块,由此在保障纳米级分辨率图案刻写精度的同时,大大提升了NanoFrazor Explore对微米级分辨率图形的刻写速度。


激光刻写

基于激光的热作用,以亚微米精度,快速、直接地挥发抗刻蚀剂,从而实现大面积的图案化工艺(例如微纳结构的引线或焊点图形制备)。


热探针直写

对于纳米结构或纳米器件关键部分的高精度、高分辨率刻写。


刻写所得结构的测量、观测、对准

由于抗刻蚀剂直接挥发,无须湿法显影操作即可实现抗刻蚀剂的图案化。在图案化过程中,同一根探针能够原位、高速的对图案化抗刻蚀剂进行AFM成像和测试。

微米尺度及纳米尺度的哈佛大学校徽,对PPA刻蚀剂的刻蚀深度为30 nm,图像由NanoFrazor Explore的探针进行AFM成像获得。(Courtesy of Harvard CNS)





3D灰度纳米光刻


★  可在针尖扫描的每个位置对图案化工艺的深度进行设定(即每个像素点的灰度值)

★  闭环光刻技术能够实现前所未有的灰度刻写精度(经论证,对大于16个灰阶的结构进行图案化工艺,灰度刻写的误差小于1纳米)


用于TEM的电子光学系统的三维相盘,由PPA中的微结构转移至SiN薄膜获得

(Courtesy of EPFL and KIT)

刻写在PPA中的多级全息图的局部(图片由Explore的探针在刻写同时进行AFM成像获得);小图展示的是转移至Si中的全息图局部的SEM图像

(Courtesy of Sun Yat-Sen University)


无掩膜套刻与拼接


★  通过原位AFM功能实现高精度的无掩膜套刻及拼接(经论证,精度优于10 nm);

★  埋在抗刻蚀剂PPA下的图案结构(如纳米片、纳米线等)可用作“天然的”对准标记写场的自动关联拼接;

由金的lift-off工艺获得的)反射全息图包含1×108个像素点,每个写场为边长50 μm的正方形,写场间的拼接由AFM相关技术实现

利用无掩膜光刻在单根纳米线上制备金属电极:(a)由Explore的AFM成像功能探测到的纳米线轮廓及位置信息(绿线标出)与拟制备的电极结构布局图(粉色区域);(b)lift-off工艺后获得的带有金属电极的单根纳米线的SEM图像


超高分辨率

★  极尖锐的针尖,确保超高分辨率的实现(经论证,在PPA抗刻蚀剂中能够实现的半节距优于10纳米)

★  无须针对临近效应的修正


由PPA抗刻蚀剂转移至硅基衬底的鳍型结构和沟槽结构(Courtesy of IBM Research and imec)

  

其他独特性能


★  低损伤:制备过程中没有引入带电粒子束流,基于敏感材料的微纳器件能够获得更好器件特性

★  纳米尺度的材料转换:多种材料的直接热诱导修饰(相变、化学反应……)



新品发布:NanoFrazor Scholar — 小面积直写(NEW!!


 

 

     

   ■  3D纳米直写能力

         高直写精度 (XY: 最高可达30nm, Z: 1nm)

         高速直写 10 mm/s

   ■   无需显影,实时观察直写效果

         形貌感知灵敏度0.1nm

         样品无需标记识别,多结构套刻,对准精度 10 nm

   ■   无临近效应

         高分辨,高密度纳米结构

   ■   无电子/离子损伤

         高性能二维材料器件

   ■   区域热加工和化学反应

         多元化纳米结构改性

   ■   小样品台

         30mm X 30mm


■  热扫描探针光刻的图案化策略概览、相关微加工操作、应用案例



1、几种利用热扫描探针在样品表面诱导局部修饰的方法概览

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1)利用热机械力压印或蒸发样品来去除局部的样品材料;

2)通过局部修饰使材料局部的物理性质(结晶性或磁偶极方向)改变或化学性质改变;

3)利用热针尖进行熔体转移,将功能材料转移至目标衬底,或通过气相方法,选择合适的前驱物,将材料沉积在目标衬底上


2、局部去除热敏抗刻蚀剂之后的相关微加工操作概览

a.  利用热扫描探针光刻技术获得的二维或三维纳米结构,可以作为具有生物兼容性的支架结构或是用于引导、俘获纳米颗粒。在对目标物进行定位或组装后,可以通过加热将热敏抗刻蚀剂PPA去掉,从而实现对各类纳米颗粒或物质的定位;

b.  利用图案化的抗刻蚀剂直接对多种透明软聚合物进行成型工艺或是通过电镀实现金属材料的成型;

c.  利用图案化的热敏抗刻蚀剂PPA直接作为刻蚀工艺的掩膜,实现对多种材料的刻蚀(干法或湿法),从而实现不同二维或三维结构的构筑;

d.  在热敏抗刻蚀剂PPA下增加一层牺牲,可以实现对热敏抗刻蚀剂PPA中的刻蚀结构的纵向放大;

e.  在热敏抗刻蚀剂PPA下增加一层牺牲层,利用湿法工艺对附加的牺牲层进行刻蚀,可以获得钻刻结构,便于溶脱剥离工艺;

f.   对功能材料进行表面选区激活处理;

g.  由热敏抗刻蚀剂PPA、无机硬掩膜层、有机转移层构成的叠层结构,利用热扫描探针光刻,可以方便快捷地实现高分辨率的深刻蚀工艺;

h.  由热敏抗刻蚀剂PPA、无机硬掩膜层、有机转移层构成的叠层结构,利用热扫描探针光刻,也可以方便快捷地实现高分辨率的溶脱剥离工艺


3、利用热扫描探针光刻进行热敏抗刻蚀剂的图案化工艺后,结合各类工艺实现的微纳结构及器件案例

a.  纳流控布朗马达,可用于纳米颗粒的分选;

b.  上图:32阶全息图;下图:300 nm深的正弦型模板,用于紫外纳米压印;

c.  高斯型光学微腔以及光子分子;

d.  原子级忆阻器;

e.  基于单层二硫化钼的顶栅晶体管,具有极低的接触电阻以及极高的开关比;

f.  用于纳米颗粒组装的模板;

g.  左图:14 nm半节距的硅基凹槽;右图:硅基鳍型结构;

h.  InAs纳米线晶体管;

i.  利用热扫描探针光刻和激光直写联用技术实现的硅基室温单电子晶体管


参考文献:

Howell, S.T., Grushina, A., Holzner, F. et al. Thermal scanning probe lithography—a review. Microsyst Nanoeng 6, 21 (2020).






更多应用案例,请您致电010-85120280 或 写信至 info@qd-china.com获取。


■  三维光子分子(3D PHOTONIC MOLECULES)

参考:Courtesy of IBM Research Zurich, publication in 2018




■  单电子器件


参考:Courtesy of IBM Research Zurich, publication in 2018




■  基于二维原子晶体的器件


参考:Courtesy of Prof. Elisa Riedo, NYU




■  基于准一维纳米材料的纳米器件


参考:Courtesy of S. Karg & A. Knoll, IBM Research – Zurich




■  基于布朗马达的纳米器件,可用于纳米颗粒分类


参考:Courtesy of IBM Research, Publications in Science and PRL 2018




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

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