亚稳态氦原子束在纳米结构制作中的应用.pdfVIP

　第 15 卷 　第 9 期 强 激 光 与 粒 子 束 Vol. 15 ,No. 9 　 　2003 年 9 月 HIGH POWER LASER AND PARTICL E BEAMS Sep. ,2003 　 文章编号 (2003) 亚稳态氦原子束在纳米结构制作中的应用 陈献忠, 　姚汉民 , 　陈旭南 ( 中国科学院 光电技术研究所 微细加工光学技术国家重点实验室, 四川 成都 610209) 　　摘 　要 : 　介绍两种用亚稳态氦原子束制作纳米结构的新方法 。亚稳态原子束从原子源喷出后首先对其 进行横向激光冷却 ,准直后的原子束穿过与之垂直的激光驻波场时发生淬火过程 ,原子的密度分布出现沟道化 效应 ,给出基于光掩模制作纳米图形的基本原理、理论分析及模拟结果。介绍基于物理掩模制作纳米图形的原 理和 SAM 抗蚀剂 ,利用沉积在基底上的亚稳态原子破坏基底上的 SAM 膜 ,结合刻蚀技术可制作出纳米量级 的图形。 　　关键词 : 　亚稳态原子束 ; 　纳米结构制作 ; 　光掩模 ; 　光驻波淬火 ; 　自组装单分子膜抗蚀剂 　　中图分类号 : TN305 　　　　文献标识码 :A 　　原子光学在过去的 20 余年中得到了广泛深入的研究 ,玻色爱因斯坦凝聚的实现和原子激光的出现表明 , 这一领域的研究在理论探讨和实验手段上已经成熟。原子光刻是原子光学领域的一个重要组成部分。经横向 激光冷却得到的准直度很好的钠、铝、铬等原子束经激光驻波场所构成的原子透镜阵列聚焦并沉积到基底上 , [1～4 ] ( ) 在实验上已得到线宽约 10nm 量级的图形 。原子光刻技术可用于纳米材料 如量子点、量子线、光子晶体 ( ) ( ) 制作、纳米器件 如微电子器件、特殊金属光栅 加工、纳米长度测量 可置于显微镜中 、纳米物质的物理特性研 究以及生物工程等领域。原子光刻的基本方案有两种 :一种是采用金属原子束 ,用共振光压使原子束高度准直 化和形成空间强度分布后 ,直接沉积在基板上。另一种是采用亚稳态惰性气体原子束 ,用光抽运作用使其形成 空间强度分布 ,再使亚稳原子破坏基板上的特殊膜层 ,最终用化学腐蚀方法在基板上刻印成形。利用亚稳态原 子在抗蚀剂上光刻[5 ,6 ] 的思想最初由Jabez McClelland ,Mara Prentiss 和 George Whitesides 提出 ,1996 年美国科 学家提出了根据原子光学原理实现纳米刻印的新方案。用亚稳态原子局部修改 SAM ( Selfassembled monolay ) ers 抗蚀剂 ,结合激光辅助调制物质波的方法直接制作纳米图形。比较常用的方法有两种 :用物理掩模或光掩 模使亚稳态原子在抗蚀剂中成形 ,可以产生小到 30nm 的图形。 1 　亚稳态氦原子束的准直 　　亚稳态原子的产生装置是在氦气体中加上一对电 极 ,在直流电压大小为 1000V 左右的电场作用下 ,来 自阴极的电子撞击原子,使处于基态的原子被激发到 亚稳态[7 ] 。由于从喷口喷出的亚稳态原子具有很大 的发散角 ,所以首先必须进行横向冷却达到准直的目 的 ,装置如图 1 所示。通过引入饱和吸收信号来锁频 , 利用可调谐二极管激光器使激光束入射到两反射镜之 间 ,入射激光束与反射镜法线的夹角为 β ,每一个反 0 α 射镜与原子束轴线的夹角为 / 2 。当在两反射镜之间 发生多次反射时 ,激光束与原子束轴线的夹角以 α大