PDF《原子光刻》

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23 评述 原子光刻 巨! 新',

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年, 德布罗意提出了 著名的波粒二象性理论, 随后的大量实验验证了该 理论的正确性- 也使科学家越来越重视对原子性质 的研究- 在上个世纪 Z% 年代, 伴随着激光器的发明 和微电子工业的出现, 使得微纳米结构的透射衍射 光栅的制造成为可能, 原子操控的工具也伴随着科 学技术的发展逐步变成现实, 原子操控也已经不再 是科学家的梦想, 而是逐步变成现实- $% 世纪 #% 年 代中期出现的高分辨激光器, 可以用于调谐原子共 振的自然线宽, 从此, 一个崭新的科学领域― ― ―原子 光学诞生了, 使人类探索物质波粒二象性的手段更 加强大和丰富- 现在, 物理学家利用原子光学来探索自然界并 且制造有用的器件- 与光学现象类似的衍射、 束分裂 和反射同样适用于原子, 使与光干涉仪类似的原子 干涉仪这类工具得以制造和发展- 近年来, 基于基础 原子光学取得的成果, 人们开始用原子光学方法在 微纳米制造领域内进行思考和探索- 我们知道, 在理 ・

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3 期 想的微纳米制造技术中, 要求高的空间分辨率, 可形 成任意结构的可能性和短的曝光时间& 此外, 装置的 简单性和大规模平行性也是限制因素& 各种光刻技 术在微纳米制造过程中有不同的定位, 目前, 32.,4 干式光刻 (

5 67,4) 、 32.,4 浸没式光刻 (

5 87,4) 、 9:;

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5 31 ,4) 为主流技术, 其他如 37=,4 干式> 浸没式光刻、 电子束投影光刻、 离子束光刻、 ? 射线 光刻、 电子束直写光刻、 纳米压印光刻等构成所谓下 一代光刻 (@A , 对电场强度 为*(#) 的电场而言, 当其振荡频率 % 与原子的共振 频率 %% 相差甚远时, )03> 是非常小的;

但如果其振荡 频率 % 与原子的共振频率 %% 相近, 如光学频率, 则)03> 的振幅大小具有德拜量级, 随着电场振幅的增 ・ # ・ 评述 !""#: 物理・./ 卷(0112 年)

3 期加, !),4 的振幅得以共振加强& 在!小于 !1 时, !),4 作用方向与电场方向平行, 偶极子内能 " (#) $ % !),4 & (#, !) ・' (#)具有最小值, 此时激光强度具 有最大值& 在!大于 !1 时, !),4 作用方向与电场方 向反平行, 偶极子内能最小时激光强度也最小& 显然, 这种光势阱可用来创造各种原子光学元件, 包括 原子透镜、原子透镜阵列、 反射镜、 分束器和波导等 等[2] & 例如, 5(6*"78 等[31] 在!小于 !1 的大周期激光 驻波的反节点单势阱最小值的位置, 创造了一个原 子透镜& 这个薄透镜的焦距与 (0

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0 6:: ) *3 )

0 1 成比例, 其中 *1 是激光峰强度, "6:: 是驻波的有效波长& 对亚 稳态的氦原子 ;

6! 而言, 如果 #9 < 3/11 => ?, + < 0@!=, "6:: < A@!=, 焦距 , < @B +=,则依据上节公式 $C < ,"4D > + 获得的可观 测衍射限制的点尺寸约0!=, 在与激光作用的 A1 ,? 时间内, 原子加速度可 达到 313E => ?0 & 毫无疑问, 上述研究方式及内容与基础原子光学 过程的研究范围紧密相关, 人们特别期待在微纳米制 造领域取得进展, 尤其是在复杂图案的制造方面& 可 以预期, 完全可以利用基础驻波的概念制造大规模阵 列的线和点, 直接制造一个点阵列并在沉积过程中反 复扫描基板以获得更大规模的阵列& 形象地说, 如果 使用压电驱动平台在阵列单元内扫描, 则原子透镜就 好像原子 "笔" 的阵列, 通过驻波控制, 使其在基板上 直接刻划复杂周期性图案& 除此之外, 驻波场还可简 化为复杂的干涉图案& 反过来说, 使用多束以不同角 度范围入射的激光束, 可以构成非常复杂的图案& 因此, 从假想复杂图案开始, 进而发现有多少激光束从 何种角度入射, 且采取何种相移将产生这个图案是非 常具有挑战性的, 也是十分有趣的& 上述设计必然遵 从光的衍射定律, 同时, 由于需要产生原子共振, 将限 制所有激光束选择统一的波长& 至于产生何类图案尚 需在将来的研究中加以证明& .- 通过激光驻波聚焦的直沉积方法 近共振激光的强驻波场可以用来形成周期性的 原子透镜阵列& 因为高场梯度可形成焦距为 @1!= 的透镜, 并制造宽度为

311 ,= 的特征尺寸结构, 透 镜组阵列的纳米尺度特征结构可以平行沉积, 重复 相干激光提供了准确的定位, 所以, 透镜阵列适合进 行纳米光刻技术的研究& 透镜组阵列可以由两束反演光束相互干涉形成 驻波强度分布构成& 如图 . (*) 所示, 当!F!1 时, 原 子趋向于反节点位置并聚焦于下面的基板材料上& 激光强度的峰值为 31@ =G> +=0 形成的 @1!= 焦距 的原子透镜阵列, 原子加速度为 . H 31B => ?0 & 驻波 透镜阵列是一组厚透镜, 在透镜中原子移动明显, 焦 距尺度为 (9 ・* I

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0 1 , 对于速度为 E@1 => ? 的钠原子 通过厚度为 " >

0 且焦距为 @1!= 的透镜时, 由公式 $C < ,"4D > + 可知, 衍射限制的点尺寸 $C 为0,= 左右& 实际上, 透镜色差以及别的因素引起的尺寸展宽 等使得特征尺寸的尺度大于

31 ,=& 图.- (*) 激光驻波的原子光刻技术的基本原理& 原子束由激光 冷却校准, 再通过激光驻波聚焦于基板上, 在波节点位置形成周 期性结构;

(J) 驻波节点附近 K8! 原子透过的位置分布的量子计 算结果;

(+) 和(4) 是用激光驻波原子直沉积法在基板上沉积铬 原子, 形成宽 02,= 和线间距 030& B.,= 的线阵列以及高度 3.,= 和点间距 030& B.,= 的点阵列原子力显微镜图象 亚稳态 K8! 原子的中间态结构可以在激光作用 下发生去激发过程进而猝灭为基态原子& 首先在红 外激光光子激发下从亚稳态跃迁到不稳定的原子 态, 接着通过辐射衰减的形式跃迁回原子基态& 在这 多级辐射衰减过程中, 亚稳态 K8! 原子所携带的

30 6L 的能量以紫外光子的形式耗散& 这说明衰减过程 可以对处于能量激发态的原子进行调制, 可用来对 抗蚀剂进行曝光, 并跃迁回对抗蚀剂不能曝光的原 子基态& 这些实验证明一种新图案成型的光刻技术 出现了, 取代了物理移动和屏蔽原子, 原子的中间态 是以位置依赖相关的方式来改变的& 驻波激光力场与猝灭迁移共振是一种简明的空 间依赖性猝灭构型, 可能用来在原子光刻中形成纳 米尺度的光学掩模& 除在节点附近的狭窄区域以外, 别的区域通过选择激光频率和光强度使亚稳态原子 ・ ! ・ 评述 ! 物理・"# 卷($%%& 年) ' 期! 0- 12-

23 迅速猝灭为原子基态, 亚稳态原子通过这些低能量 区域并保持中间态能量, 直到它们撞击到基板材料 表面上- 在远离节点的位置, 原子的激发几率很高, 总体数目的衰减与时间成指数关系, 导致在猝灭和 非猝灭区域之间产生非常高的衬度- 当激光频率失 谐且高于原子共振频率时,驻波的力场效应使原子 局限在节点附近, 可出现的原子分布与狭窄的基态 光学势阱接近- 驻波充当原子的吸收光栅, 已经从理 论上对分布和由吸收光栅产生的衍射图案进行了模 拟计算- 图"(4) 给出了两种蒙特卡罗模拟计算得出 的驻波节点附近的位置分布- 对于 '%% 56, '55 宽 的激光光束, 结合亚稳态 78! 原子束的速度截面得 到的亚稳态原子的分布宽度趋近于 !

9 $:, 也就是大 约"% 35- 图"(2) 给出了通过驻波聚焦原子束直沉 积方法对铬原子束实验沉积光栅获得的线宽 $&

35 和线间距 $'"

35 的原子力显微镜图像, 图"(;

) 给 出了高度 '"

35 和点间距 $'$- ,,

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