纳米加工技术的研究进展

第８卷第４期　２０１１年８月　综述　

Ｓｕｍｍａｒｉｚａｔｉｏｎ　Ｖ０】．８　Ｎｏ．４　

Ａｕｇｕｓｔ　２０１１　

纳米加工技术的研究进展　张文毓，　（洛阳船舶材料研究所，　侯世忠　

河南洛阳４７１０３９）　

摘要：纳米技术的核心是纳米加工技术。文章阐述了纳米加工技术的研究现状、应用和前景　展望。希望对纳米加工技术有所了解。　关键词：纳米加工技术；ＳＰＭ；电子柬光刻；微纳米加工　

Ａｄｖａｎｃｅｓ　ｉｎ　Ｎａｎｏ－ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＺＨＡＮＧ　Ｗｅｎ－ｙｕ，ＨＯＵ　Ｓｈｉ—ｚｈｏｎｇ　（Ｌｕｏｙａｎｇ　Ｓｈｉｐ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｌｕｏｙａｎｇ　４７　１　０３９，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎａｎｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ｋｅｙ　ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅｓｔａｔｕｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｏｆ　ｎａｎｏｍｅ—　

ｔｅｒ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌｓ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｗｅ　ｇｅｔ　ｑｕｉｔｅ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ　ｔｏ　ｎａｎｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎａｎｏ—ｍａｃｈｉｎｉｎｇ；ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ＳＰＭ；ｅｌｅｃｔｒ０ｎ—ｂｅａｍ—ｐｈｏｔｏｅｔｃｈｉｎｇ　Ｍｉｃｒｏ—ｎａｎｏ—ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　

１前言　：Ｔ｝Ｉ１２　文献标识码：Ａ　文章编号：１８１２—１９１８（２０１１）０４—００６８—０４　

纳米技术是当代科学发展的一个新兴领域，　它的最终目标是在纳米尺度上制造具有特定功能　的产品，实现生产方式的飞跃，因此，纳米技术　的核心是纳米加工技术。纳米加工技术主要包括　机械加工、化学腐蚀、能量束加工和复合加工等　加工方法。然而，由于这些方法本身的特点，例　如加工精度进一步提高受限、设备昂贵等，使纳　米加工技术的发展受到限制。随着扫描探针显微　镜加工技术的出现，为纳米加工技术的发展注入　了新的活力。　基于ＳＰＭ的纳米加工方法主要包括单原子操　纵的原子级加工、阳极氧化法及机械刻蚀加工　等，是一种具有广阔发展前景的高新技术，将在　收稿日期：２０１０—０６—０７　纳米加工领域有重要的实际意义，有可能成为未　来微机械、纳米电子器件等加工的重要方法【ｌ】。　２纳米加工技术研究现状　２．１纳米加工技术　纳米加工是指达到纳米级精度、尺度和效率　的加工。纳米加工技术是为了适应微电子及纳电　子技术、微机械电子系统（ＭＭＥＳ）的发展而迅速　发展起来的一门加工技术。目前，探索新的纳米　加工方法和手段已成为纳米技术领域中的热点。　随着纳米加工技术的发展，现已出现了多种纳米　加工技术，有减小曝光光源波长的加工技术，如　电子束光刻、ｘ射线光刻、极紫外光刻和原子光　刻等；探针直接书写式纳米加工技术，如基于扫　描探针显微镜（ＳＰＭ）的纳米加工技术、蘸笔纳　第４期　２０１１年８月　纳米科技　

Ｎａｎｏｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｎｏ．４　

Ａｕｇｕｓｔ　２０１１　

米印刷术ｆＤＰＮ）；纳米复制加工技术，如微接触　印刷（Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔａｃｔ　Ｐｒｉｎｔｉｎｇ，　ｃＰ）、纳米压印光　刻技术ｆｎａｎｏ　ｉｍｐｒｉｎｔｅｄ　ｌｉｔｈｏｇｒａ－－ｐｈｙ，ＮＩＬ）［２１等。　纳米加工是纳米尺度制造业的核心：一方　面，对宏观材料从大到小进行纳米级的超精加工　；另一方面，可按人们的设计，从小到大直接对　原子、分子进行操作、沉积和迁移来制造各种功　能材料、元器件。　图ｌ是纳米加工技术的工艺流程图［３１。纳米加　１二技术是在常温、常压和稀释性化学介质中完成　的缓慢过程，因此，陈化和高分子溶液参与表面　改性往往是不可缺少的＿Ｔ序。不难看出，可以把　纳米溶液看成是一种特殊的表面处理剂。纳米溶　液是纳米加工工艺最基本、最重要的原料。纳米　溶液的制备技术是纳米加工技术的基础，例如，　硅和铝的纳米溶液应用在石油化＿Ｔ中的催化剂制　造工业上已经有半个世纪了。近年来，混合氢氧　化物纳米正电性颗粒的制备及性能研究也受到广　泛关注，特别是纳米铝镁溶液的工业化生产已经　开始获得油田开采的实际认可。　究等方面，还可用于对ＤＮＡ链和病毒进行处理　等，在生物工程中具有重要的应用前景。只有掌　握最新纳米结构制造技术，才能在未来科技发展　中拥有竞争力　。　ＴｏＰ—Ｄｏｗｎ的纳米加工技术是未来纳米器件　实用化的关键技术。近年来，水浸没式１９３ｎｍ光　学光刻（其数值孔径高达１．４４）的迅猛发展将光　学光刻的分辨率延续￣ｌＪ５０ｎｍ以下。光学光刻的主　要竞争对手是下一代光刻技术（Ｎｅｘｔ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｌｉｔｈｏｇｒａ－ｐｈｙ，ＮＧＬ）。通常认为ＮＧＬ的候选者主　要有接近式ｘ射线光刻技术（ＰｘＬ）、极端远紫外　投影光刻、电子束投影光刻技术、多通道电子束　高速直写等。除了ＮＧＬ夕　，还有许多新概念光刻　技术不断被人们提出，如纳米压印光刻、原子纳　米光刻技术、量子纠缠态光刻技术、阵列光刻、　基于波带片的ｘ射线投影光刻、１９３ｎｍ无掩模光　刻、ｘ射线无掩模光刻等，但是这些新概念光刻　技术目前都还处于概念设计阶段¨５】。　几种新兴的纳米加工技术：利用扫描隧道显　微镜和原子力显微镜的纳米加工技术、化学合成　方法、聚焦离子束技术、准分子激光直写纳米加　工技术、纳米压印技术（软刻印技术（ｓＬ１、热压印　技术（ＨＥＬ））嘲。　

图　纳米加工技术的工艺流程框图　３　纳米加工技术的应用　

２．２纲米加ｑ－技术研冤现状　近年来，利用飞秒激光直写技术进行ｊ维纳　

纳米光刻技术是纳米科技发展的基础。它涵　米结构加工已成为一个受到广泛关注的研究工　盖了从电子束到极紫外的宽光谱范围，包括纳米　作。中科院理化技术研究所段宜明团队、日本理　压印技术以及更多的创新性概念。当前，美、日　化学研究所河田聪团队通过合作，近日在利用飞　两国在纳米光刻领域的研究处于世界领先地位。　秒激光多光子纳米加工技术进行三维微纳结构制　２００３年东京精密和索尼以及其它各大厂家联合开　备的研究中获得重要进展，成功突破了光学衍射　发出低能电子束投影光刻（ＬＥＥＰＬ），能达到　极限，实现了纳米尺度的三维金属纳米结构加　３０ｎｍ线宽，价格仅为上代光刻机的ｊ分之一。为　＿丁。该研究团队利用基于非线性光学原理的飞秒　了应对纳米技术的挑战，欧洲最近几年开展国家　激光多光子直写纳米加工技术，突破衍射极限，　间的大型合作项目技术，纳米光刻技术得到了深　利用多光子聚合反应，成功地获得纳米尺度加工　入研究和广泛发展，期望能衍生出更加完备的微　分辨率，并实现了功能性纳米复合材料的三维　加工技术方法，从而适于复杂图案和器件的制　微纳结构加工　。由于目前的光刻技术能够加工　造。　的最小￣＃ｄ１３０ｎｍ，不能满足纳米电子器件的　纳米光刻技术可用于纳米材料制作、纳米器　加工要求，为此它必将被更先进的加＿Ｔ技术所取　件加丁、纳米长度测量、纳米物质的物理特性研　代，如扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）和原子力显微镜　第８卷第４期　２０１１年８月　综述　

Ｓｕｍｍａｒｉｚａｔｉｏｎ　Ｖ０１．８　Ｎｏ．４　

Ａｕｇｕｓｔ　２０１１　

（ＡＦＭ）纳米加工技术等。　随着ＳＴＭ的理论和实验技术的日益完善，它　必将在单原子操纵和纳米技术等诸多研究领域中　得到越来越广泛的应用。到那时，也许现在的巨　型计算机将有可能做成大头针那样大小，即使是　美国最新开发成的峰值速度高达每秒１２万亿次超　级计算机，也将会小到可以随手放进口袋里。目　前，已经发展了一种基于ＡＦＭ的纳米刻蚀技术，　且制备了特征尺寸为６０ｎｍ的金属氧化物场效应晶　体管（ＭＯＳＦＥＴ）。美国普渡大学已用化学自组装　法制备出了由二维纳米金微粒阵列组成的分子尺　度的电路。　聚焦离子束技术（ＦＩＢ）在２０世纪七八十年　代得到了蓬勃发展，特别是８０年代末，聚焦离子　束技术基本成熟。９０年代中期，聚焦离子束技术　在各个方面得到应用，如微米纳米尺度上的沉　积、刻蚀、离子注入、扫描成像、无掩膜光刻和　微机械系统加工（ＭＥＭＳ）以及微米纳米微结构　直接成型等。后来科研工作者又将聚焦离子束系　统和飞行时间二次离子质谱仪联机使用ｆＦＩＢ～　ＴＯＦ—ＳＩＭＳ１，与扫描电子显微镜联机使用ｆＦＩＢ—　ＳＥＭ１，使聚焦离子束技术在微米　米加工和检　测分析中大显身手，进一步拓展了聚焦离子束技　术的应用范围。与其它传统的微加工技术相比，　它具有更高的图形分辨率，可以加工更细小的微　结构，能进行无掩膜加工，对不同材料的适应性　强等［８１。　聚焦离子束系统是微细加工和分析的主要技　术之一，是一个完美的微米钠米技术研究平台。　聚焦离子束（ＦＩＢ）技术的具体应用有掩模修补、　电路修改和器件失效分析等。此外，ＦＩＢ技术已　经用于许多光电子器件、超量子干涉器件及纳米　生物器件的制备中。总之，ＦＩＢ技术的主要优点　是以很高的精度实现复杂的微结构，不足之处是　加工速度较慢，因此，ＦＩＢ技术主要用于那些尺　寸相对较小、耗时相对较少的微结构，并且最适　合小尺度结构的后加工及原型制备。　微纳米加工技术可以简单地分为曝光技术与　刻蚀技术。电子束曝光设备为纳米加工技术提供　了有利的技术支持，在新一代量子器件的制作和　研究中发挥了重要作用，对高分辨电子器件的需　７０　求推动了电子束曝光技术的发展和应用。纳米级　电路的出现、ＵＬＳＩ电路和量子效应器件的问世必　将对２１世纪电子、计算机和信息科学技术产生更　深刻的影响，电子束曝光仍将在主流领域起重要　作用　。　近年来纳米技术的开发热潮为微纳米加工技　术提出了新的要求。最新一代的电子束曝光技术　已经能够制作小于１０ｎｍ的结构，原子力显微镜探　针可以操纵单个原子。从科学研究的角度，这些　加工技术已经能够满足纳米器件的制作与研究，　但这些技术毕竟不是也很难成为大规模生产的技　术。为了今后纳米科研成果的产业化，必须开发　高生产率、低成本的纳米加工技术。纳米压印技　术有可能通过进一步开发满足这一要求。同时分　子自组装技术具有极大的潜力成为未来的一种大　规模生产技术＿１ｏｌ。　

４纳米Ｊｊ￣－ｒ技术前景展望　纳米加工技术无疑在各行各业有着广泛应用　前景，在医药工业及医疗器械业、卫生材料业　同样如此，如“纳米金”抗肿瘤新药、胶态纳米　银～多用途消毒杀菌剂、药物载体用纳米玻璃微　珠、抗癌新剂型一纳米乳化液，以及利用ＲＮＡ　为骨架材料制作纳米医疗器械、神奇的化学魔术　师一纳米金催化剂、纳米技术应用实例之一纳米　新制剂ＰｈａｒｍＦｉｌｍ、利用纳米技术开发的卫生新　材料一纳米绷带　等。　日立制作所研究开发本部日前成功开发了旨　在实现ｌＴｂｉｔ级ＲＯＭ光盘的记录凹坑图案的纳米　加工技术。该技术通过激光和电子束照射、使用　可由晶态变为非晶态的“相变记录膜”，选择性　地只在相变区域进行蚀刻　２］。　由于电子束刻印术、ｘ射线光刻等传统光刻　技术存在加工成本高、加工设备昂贵、加工特征　线宽不能小于１００ｎｍ等缺点，已不能满足下一代　Ｉｃ￥￣Ｊ造和纳米器件制造的迫切需要。市场急需各　种低成本的替代工艺。纳米压印技术与其他纳米　加丁技术相比优势明显，是下一代实用光刻技　术，具有强大的竞争力。