纳米与微米

微

纳

米

技

术

自上而下的微纳米光刻技术

摘要材料与结构在微纳米尺度展现了许多不同于宏观尺度的新特征,纳米技术已

经成为当前科学研究与工业开发的热门领域之一.微小型化依赖于微纳米尺度的功能结构

与器件,实现功能结构微纳米化的基础是先进的微纳米加工技术.文章对自上而下的微纳米

加工技术做了一个综合的介绍,并对当前微纳米加工技术面临的挑战和今后发展的趋势作

了预测.。

关键词微纳米技术，自上而下，微纳米加工,，微系统技术，微小型化。

引言

当1947年12月美国贝尔实验室的科学家发明了世界上第一只晶体管,他们不会想到50多年

后的今天,这场由晶体管引发的微电子技术革命已经深刻地影响了现代社会的面貌.由半导

体微电子技术以及由此引发的各种微型化技术除了成为现代高科技产业的主要支柱之外,

也深入到现代生活的所有领域,尤其是所谓3C领域,即消费类电子产品(consumer),计算机

(computer)与通信(communication).今天,功能强大的笔记本计算机,品种繁多小巧玲珑

的多功能移动通信工具和花样翻新的家用电器已随处可见.除了集成电路之外,微型化技术

导致了微系统的发展，开发出直径只有1mm的微马达,指甲大小的微摄像头,豌豆大小的

气相色谱分析装置,芯片上的光学平台和化学分析实验室等.如果说集成电路芯片提供了一

个系统的思考与决策的大脑,微系统技术则以各种微传感器与微执行器提供了系统的感官、

手与脚.系统微型化成为今后现代工业发展的必然趋势.如果按微型化的尺度衡量,集成电

路技术与微系统技术还属于微米技术.自21世纪以来,由半导体微电子技术引发的微型化革

命进入了一个新的时代,这就是纳米技术时代.从微米到纳米的过渡不仅仅是量的过渡而且

代表了质的跃迁.材料与结构在100nm以下显现出不同于宏观世界的性质.纳米科技为人类

展现了微观世界的新天地.从晶体管到集成电路,从微电子到微机械与微流体,从微米技术

到纳米技术,微纳米技术已经成为当今高科技的代名词.无论是集成电路技术,还是微系统

技术或纳米技术,其共同的特征是功能结构的尺寸在微米或纳米范围,因此可以统称为微纳

米技术.微纳米技术依赖于微纳米尺度的功能结构与器件.实现功能结构微纳米化的基础是

先进的微纳米加工技术.在过去的50年中,正是微纳米加工技术的发展促进了集成电路的发

展,导致集成电路的集成度以每18个月翻一番的速度提高.现代微纳米加工技术已经能够将

上亿只晶体管做在方寸大小的芯片上.最小电路尺寸为90nm的集成电路芯片已经开始大规

模生产.65nm的集成电路芯片已开始小批量工业化生产,而45nm加工水平的集成电路已

经在研发阶段.除了集成电路芯片中的晶体管越做越小,微纳米加工技术还可以将普通机械

齿轮传动系统微缩到肉眼无法观察的尺寸.微纳米加工技术可以制作单电子晶体管,可以实

现单个分子与原子操纵.微纳米加工技术可以建筑人类进入微观世界的桥梁,是人类了解和

利用微观世界的工具.因此了解微纳米加工技术对于理解微纳米技术,以及由微纳米技术支

撑的现代高科技产业是非常重要的.。

一．“自上而下”（Top-Down）法。

通常来说，“自上而下”（Top-Down）的方法就一种是将较大尺寸（从微纳米级到厘米

级）的物质通过各种刻蚀技术来制备我们所需要的纳米结构，一般统称为纳米刻印技术。纳

米刻印技术的基础性原理是在纳米结构的制备中，将单个纳米构筑单元“放置”到有特定图

形的位置上，形成有序的二维或者三维结构，因此能够在基地表面直接进行“图形”设计。

随着扫描探针显微镜的技术的不断进步与发展，已扫描随道显微镜（STM）和原子力显微

镜(AFM)为基础的纳米刻印技术因其及实用性和简便性于一身而成为一个非常活跃的研究

领域。目前已经报道的刻印技术主要有：以STM为基础的刻印技术，入单分子处理，针尖

辅助电化学刻蚀和场诱发解吸附等。相对于高精确度和高分辨率是这些纳米刻印技术的最大

优势而言，但缺乏过程的连续性和低产量等又是这些技术的致命缺陷，目前一些的改进技术

如自动操作或者应用平行探针等被研究人员才用来克服上面的缺陷以期望制备大量的高质

量的有序纳米结构。

刻蚀过程一直以来都是很重要的技术，从我国古代的印刷术到现在的化学刻印技术，

都离不开刻蚀。刻蚀的过程可分为各向异性刻蚀和各向同性刻蚀，各向异性刻蚀意味着材料

的不同方向有个不同的刻蚀速率，因此可以构建不同形貌的产物。其中最具代表性的例子就

是用KOH做刻蚀剂来雕刻硅片。当蚀硅片的面时，侧面出现，最终获得各向异性梯形的孔

而不是各向同性的圆形孔刻。

近来，刻蚀技术在纳米材料形貌上的可控制方面也显示出其独特的效果。由于对目标

产物晶体结构的充分理解，对目标产物晶面的选择性刻蚀也就为我们合成想要的纳米结构提

供了机会。

1光刻技术

紫外线光刻紫外线光刻以相移掩膜(mask)进行光刻，可达1/2波长的分辨率。光源

由汞灯已经推展到DUV(深紫外)的准分子激光。光刻工艺0.13微米的线宽线距已经商业化，

0.1微米也即将加速商业化，紫外线光刻正迫近激光光源极限157nm，再下去就没有更短波

长的DUV(深紫外)光源，更短波长为13nm的EUV(远紫外)光源，将由同步辐射加速器提

供。但是，原来商业化DUV的光刻步进机和光刻工艺将大幅更动，会使得生产成本大幅提

升。预计DUV的加工极限将在2010年前线宽线距达到并停留在70nm，但局部可达30nm

或更小。

电子束光刻电子束具有极高的分辨率，可以到10nm的数量级，但是光刻以书写为

主，十分缓慢，仅适合于掩膜生产。虽然投影式电子束光刻正在发展，但是需要较大的掩膜

工艺更动，如果要使用于商业化的批量生产，同样的会使生产成本大幅上升。

X射线光刻X射线光刻因掩膜制造的困难及光电子散射等问题，已经不被列入为电

子商业运转的方案。但是其深刻术(DeepX-raylithography)发展在军事及科研上仍十分有价

值。

离子束光刻离子束光刻商业上主要使用于掩膜修补或特殊科研工艺。

综上可见，由上而下的加工方式，将由纵向缩小线宽线距的追逐，在到达光刻极限后，

转为横向发展。光刻加工方式如相应的微电子制造加工方法，都将逐渐多样化。换句话说，

由上而下的加工方式，不论是微加工或纳加工都会如同微机电系统一样多样化。

2微机电系统的加工工艺

面型的微加工(SurfaceMicromachining)面型的微加工即微电子的薄膜加工

技术，把机械组件和电子组件集成于同一基片。

体型微加工(BulkMicromachining)体型微加工以等向及不等向的硅蚀刻，创

造第三度空间的自由度。这种方法，被称之为体型微加工(BulkMicromachining)。

纳加工(Nanomachining)随着光刻工艺继续演进，MEMS加工工艺也很快的

进入亚微米，甚至达到70nm的可能极限，这个阶段可称为纳加工。光刻加工达

到极限之后，可以采用近场光学加工方式。举例而言，不论是使用电子束、离子

束或多头式针尖刻画取得工具模芯，再利用热压印，或光合成快速批量取得模芯

图案，称之为纳压印(Nanoimprint)。

深刻蚀模铸法(LIGA)有很多的微加工产品，往往需要比较深的结构，没有

办法用薄膜来处理。生产微电子的设备以薄膜为主，制造厚膜时花费的时间太长，

也可能在结构上或材料性质上不适合。1986年德国d教授首先开发了进

行三维微细加工最有前途的方法——LIGA技术。LIGA来源德文缩写，

LI(lithographie意即深度X射线刻蚀)，G(Galvanformug意即电铸成型)，

A(Abformug意即塑料铸模)，即深度X射线刻蚀。LIGA通过光刻深加工厚膜光

胶，利用电铸法翻造成模芯，再以塑料注入或热压的方式大量生产。LIGA的生

产方式，成本低而且材料选择种类多，成为非硅技术中，最重要的方法之一。

二．微纳米加工技术发展趋势

微纳米加工技术是一项不断发展中的技术.新技术取代老技术,先进技术取代落后技

术是客观发展规律.加工技术本身从来都只是手段,其目的是服务于科学研究或工业产品

开发与生产.因此新的科研课题或新的工业产品开发会不断对加工技术提出新的要求.新

的加工技术将会不断出现.

就集成电路开发而言,将电路尺寸做得越来越小始终是工业界不懈追求的目标.目前

证明传统晶体管工作原理在50nm以下的结构尺寸仍适用.而量子器件可以将电路尺寸缩

小到10nm以下.纳米电子器件与分子电子器件都对加工技术的能力提出了更高的要求.

光学曝光技术目前可以实现45nm左右的分辨能力.当光学曝光技术退出历史舞台,后面有

极紫外技术或纳米压印技术和电子束投影曝光技术.这些后光学时代!的加工技术仍在进

一步发展完善之中.虽然有许多加工技术可以实现50nm以下的加工能力,但在工业生产中,

经济因素往往是某一技术的生命力的决定因素.最说明问题的例子是X射线光刻技术.X射

线光刻曾有其辉煌发展时期.曾经为半导体工业界看好为最终的光刻技术.但光学曝光技

术本身的进步与高经济效益使工业界逐渐放弃了X射线光刻技术

.微系统技术,包括微电子机械,微流体,微光学系统,为微纳米加工技术的发展开辟

了广阔的天地.虽然微系统通常不要求非常小的结构尺寸,但由于微系统使用的材料的多样

性,服务于微系统制造的加工技术也多种多样.微系统加工面临的一个严峻的挑战是如何

与集成电路加工工艺兼容,以实现与集成电路的完全集成.微系统加工面临的另一个严峻

的挑战是如何实现标准化加工.微系统加工技术的多样化与微系统本身的多样化造成了标

准化生产的极大难度[4].集成电路生产技术经过近半个世纪的发展已经形成一套非常标准

化规范化的技术体系.一个集成电路设计可以送到全世界任何一个代工(foundry)工厂去

加工生产.无论在哪里生产,所得到的芯片会具有相同的性能.微系统还远远没有达到这

个程度.一些公司试图将某些加工技术标准化.但标准化后的生产技术在不同程度上限制

了微系统的性能.某一标准化的生产技术也不可能满足所有微系统应用的需要.所以,小

批量多品种是微系统器件工业生产的特点.目前只有极少的几种产品真正达到了大规模生

产的水平.因此实现标准化生产工艺是发展壮大微系统技术产业的关键.

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.纳米尺度结构的加工

技术已经存在.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.另一方面,分子自组装技术具有为未来的一种大规模生产技术.极大的潜力

成为未来的一种大规模生产技术.

三．结束语

总之,微纳米加工技术还有无限的发展潜力.新颖的加工技术不断出现.同时,巧妙地利

用现有加工技术也可以帮助开发新颖的微纳米器件与系统.可以不夸张地说未来的50年是

微纳米技术蓬勃发展的时代.最后借用美国物理学诺贝尔奖获得者费恩曼(Feynman)博士

在1959年一次演讲中提出的著名预言作为本文的结束语,这就是Thereisplenty

ofroomatthebottom!.