Nature子刊帶大家進入熱掃描探針構築的奇妙納米世界

上世紀五十年代末期，諾獎得主、物理學鬼才理察費曼在加州理工學院的物理年會上，作了題為《There's Plenty of Room at the Bottom》的報告，極具前瞻性地提出了他對於納米尺度操作及控制的框架性想法，並由此開啟了無數科研工作者在納米尺度上探究物質世界奧秘並通過相關的納米技術來改變世界、造福人類的道路。

同樣是在上世紀五六十年代，採用平面處理工藝批量製備電晶體的策略出現，由此開啟了集成電路產業的飛速發展。摩爾博士在六十年代中期提出了著名的摩爾定律「當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍」。而其中元器件數量的增多，是通過不斷縮小元器件的關鍵尺寸來實現的。

不論是在納米尺度上進行探索，或是與人們生活息息相關的集成電路產業發展，都需要製備各種各樣的納米結構、納米功能單元或納米器件。而在製備各類納米結構的過程中，最為重要的操作就是通過光刻來實現在不同的材料上定義圖案區域。目前，在工業上，最先進的EUV光刻機具備7 nm技術節點的製備工藝中所需的圖形加工能力，但其單值極高，比一架F-35戰鬥機的價格還會高出不少。

對於科研工作者來說，目前通常採用的基於光學曝光原理的科研級光刻設備（科研級的無掩模曝光系統、掩模對準式曝光系統等），能夠實現的圖形加工解析度一般在微米尺度或亞微米尺度。而隨著研究對象尺度的不斷減小，對納米尺度結構構築的需求，上述基於光學曝光原理的科研級光刻系統顯然是不能夠完全滿足的。基於聚焦電子束、離子束的各類圖案化加工設備，比如電子束光刻系統、聚焦離子束系統等，能夠有效滿足科研中對於納米尺寸的圖形加工需求。然而，由於電子束流和離子束流需要聚焦，這類設備通常由較為複雜的電子光學系統構成，因此價格相較於上述科研級光學光刻設備要高出很多（即使是科研級的電子束曝光系統，其單值也遠超科研級的光學曝光設備）。另一方面，聚焦電子束、離子束系統的複雜性也對操作人員和設備維護人員提出了較高的要求。

  

圖1 熱掃描探針光刻系統誘導材料局部變化的三種機制

 

在科研領域中，掃描探針光刻（thermal scanning probe lithography）是另一種頗受關注的圖案化工藝方案，能夠實現納米級（甚至原子級的）圖案製備的需求，其核心思路是通過納米針尖誘導材料表面局部的改性來實現圖案化。納米針尖誘導材料表面改性的機制有很多種，包括力學、電學、熱學、擴散等等，也由此產生了許多不同的掃描探針光刻技術。在諸多的掃描探針光刻技術中，熱掃描探針光刻技術（thermal scanning probe lithography，t-SPL）是近年來發展起來的一種可快速、可靠、高精度地實現納米級圖案化工藝，其技術核心是利用加熱針尖的熱能來誘導局部材料的改性。通常，熱是材料轉化中較為普遍的驅動因素，在很多材料中能誘導結晶、蒸發、熔化等改性現象。在納米尺度上，由於只有很小的體積被加熱，所以材料改性的特徵時間是以納秒量級來計算的。因此，加熱幾微秒就足以改變針尖下的材料。對於刻寫速度而言，懸臂梁的機械掃描運動成為圖案化工藝速度方面的主要限制。然而，憑藉掃描探針領域良好的技術積累，目前可以實現高達20 mm/s的刻寫速度，能夠滿足大多數科研上的圖案化製備工藝需求。同時在微納圖案結構的加工精度及解析度方面，熱掃描探針光刻技術可以實現特徵線寬在10 nm以下的微納結構的製備。

圖2 利用熱掃描探針光刻進行熱敏抗刻蝕劑的圖案化工藝後，結合各類工藝實現的微納結構及器件案例

 

作為一種高精度圖案化工藝設備，近些年來熱掃描探針光刻技術得到飛速發展，然而很多研究人員還比較陌生。著眼於此，洛桑聯邦理工的S. T. Howell博士以及瑞士Swisslitho的F. Holzner博士撰寫了綜述《Thermal scanning probe lithography—a review》（已於2020年4月6日刊載在NPG旗下期刊Microsystems & Nanoengineering，詳細信息可參考連結https://doi.org/10.1038/s41378-019-0124-8），Howell等人向大家詳細介紹了熱掃描探針光刻的歷史、原理、圖案轉移工藝以及在基於新型低維材料的微納電子器件、自旋電子器件、光子學微納結構、微納流控、微納機電等領域的應用案例。

圖3 利用熱掃描探針光刻進行定域材料轉換的應用案例

 

       另一方面，不同於很多新型光刻策略還停留在實驗室中，瑞士Swisslitho公司已經成功將熱掃描探針光刻技術商品化，名為NanoFrazor。在國內外的諸多用戶當中，已有不少基於NanoFrazor製備的結構而開展的研究，相關結果也都發表在了Science、Nature、PRL、等高水平期刊上。

圖4 熱掃描探針誘導的增材工藝的應用案例

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