3D纳米结构高速直写机-NanoFrazor Explore

3D纳米结构高速直写机-NanoFrazor Explore

兼顾纳米光刻与微米光刻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,速度超快,应用广泛。

NanoFrazor Explore配备了先进的硬件和软件,以优异的方式控制可加热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,亦是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。 


闭环光刻(直写)过程,可原位获取光刻结果;套刻(对准)工艺精度搞高、操作便捷;与各类标准微加工制程兼容#套刻工艺(对准操作)便捷,且图形化过程中不向材料注入任何电子或离子束流,有效避免材料损伤;可与手套箱集成,便于特殊气氛环境中的光刻(直写)、套刻工艺#闭环光刻(直写)过程,可原位获取光刻结果;套刻(对准)工艺精度搞高、操作便捷;与各类标准微加工制程兼容#三维光刻(直写),xy方向优于25 nm分辨率,z方向优于2 nm分辨率,精确控制光刻结果的几何结构#三维光刻(直写),xy方向优于25 nm分辨率,z方向优于2 nm分辨率,精确控制光刻结果的几何结构#套刻工艺(对准操作)便捷,且图形化过程中不向材料注入任何电子或离子束流,有效避免材料损伤;可与手套箱集成,便于特殊气氛环境中的光刻(直写)、套刻工艺#

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;

★  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。

“闭环光刻”技术确保图形化工艺的高精确度


兼顾纳米光刻与微米光刻的图形化工艺方案


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)





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: 高可达20 nm, Z: 3 nm)

         高速直写 0.5 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 50 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


■  3D高速纳米直写机在实现三维光学傅里叶曲面结构中的突破

光栅和全息图是通过微纳结构表面的衍射来对光信号进行调制的。尽管这种作用方式历史悠久,但人们一直在相关领域不断的探索,以发展功能更为强大的应用。进一步的发展可以基于傅立叶光学来设计、构筑傅里叶面的微纳结构,以生成所需的衍射输出信号。在这种策略中,需要能够精确地调制波前,理想的样品表面轮廓应该包含正弦波的精确总和,每个正弦波具有明确的幅度,频率和相位。但是由于技术的局限,通常只能制备有几个深度级别轮廓,无法获得复杂的连续“波浪”表面,从而限制了使用简单的数学设计而实现复杂的衍射光学效果。

针对以上问题,苏黎世联邦理工的Nolan Lassaline博士等人,提出了一种简单而有效的方法来解决设计和制备间的差距,制备了任意数量的正弦波组成的光学表面。Nolan Lassaline等人使用扫描热探针t-SPL技术与模板法相结合的策略,制备了周期性和非周期性的光学表面结构。多元线性光栅允许利用傅里叶光谱工程精确调控光信号。同时,Nolan Lassaline等人克服了先前光子学实验的限制,制备了可以在同一入射角同时耦合红色,绿色和蓝色光的超薄光栅。更广泛地,Nolan Lassaline等人还分析设计并且精确复制了复杂的二维莫尔条纹,准晶体和全息图结构,展示了多种以前无法制备的衍射表面。Nolan Lassaline等人制备任意3D表面的方法,将为光学设备(生物传感器,激光器,超表面和调制器)以及光子学的新兴区域(拓扑结构,转换光学器件和半导体谷电子学)带来新的机遇。


参考文献:

Lassaline, N., Brechbühler, R., Vonk, S.J.W. et al. Optical Fourier surfaces. Nature 582, 506–510 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2390-x




■  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,具有的接触电阻以及的开关比;

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010-85120277/78/79/80 或 写信 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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● Garcia (Nat Nano 2014) Advanced scanning probe lithography

● Rawlings (IEEE Nano 2014) Nanometer accurate markerless pattern overlay using thermal Scanning Probe Lithography

● Holzner (SPIE EMLC 2013) Thermal Probe Nanolithography

● Cheong (Nanoletters 2013) Thermal Probe Maskless Lithography for 27.5 nm Half-Pitch Si Technology

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● Knoll (Adv Materials 2010) Probe-Based 3-D Nanolithography Using SAD Polymers

● Fenwick (Nat Nano 2009) Thermochemical nanopatterning of organic semiconductors

● Lee (Nanoletters 2009) Maskless Nanoscale Writing of Nanoparticle-Polymer Composites and Nanoparticle Assemblies using Thermal Nanoprobes

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

国内外用户


     
     

3D纳米结构高速直写机设备介绍及操作



IBM布朗马达


应用案例IBM布朗马达


IBM布朗马达不同粒径金颗粒分类


Getting Started & Automatic Configuration


Closed Loop Lithography


Layout Preparationb


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