大气状态下SPM纳米加工系统的开发

　　1　纳米加工简介

　　随着微电子及纳米电子技术、微型机械电子系统的发展,对集成电路线宽、信息存储的密度、系统及结构的微小化等提出了越来越高的要求。提高目前已有的纳米加工的精度、尺度和效率,并探索新的纳米加工方法和手段是目前纳米科学技术领域中的热点[1]。纳米加工技术主要包括超精密机械加工、光刻加工[2]、能量束加工[3]、扫描探针显微镜加工。

　　2　扫描探针加工系统的设计与实现

　　扫描探针加工是实现平面纳米结构的最简单方法。然而,商业化的扫描探针显微镜(SPM)的开发主要以表面分析为目的。即使一小部分商业化SPM具有简单的刻蚀功能,但是从加工信号引入和加工过程的监测来看,都不能称之为真正意义上的加工系统。为此,我们在MultimodeSPM基础上设计并开发了具有一定功能的SPM加工系统。

　　基于SPM的表面纳米结构的加工有两种实现方式,一种是点阵式,另一种是矢量式。由于DI公司所提供的NanoScript命令能够实现探针的移动和空闲通道信号的触发,信号接口模块(SAM)则能够提供扫描线的同步信号,这就使两种加工方式都有实现的可能。

　　扫描点阵加工方式与点阵式打印机的工作方式极为类似。SPM以这种方式实现加工时,探针在表面的扫描方式与扫描成像的工作方式相同,即在表面的正方形区域内进行逐行扫描。在进行加工之前,首先必须对所需加工的图形结构进行编码,即将正方形扫描区域初始化为一位图,图形结构则由一系列点组成。在初始状态下,扫描探针显微镜设置成正常的成像模式,扫描参数的设置应该能够实现样品表面形貌的获取,并尽量减少探针对样品表面的刻蚀作用。探针在进行逐行扫描的过程中,SPM系统依据探针的扫描位置和图形点阵编码来调整探针与样品的作用参数。这样在样品表面一定位置上将产生点状结构,这些点状结构将共同构成连续的图形。

　　矢量加工方式与绘图仪的工作方式类似。SPM以这种方式实现加工时,不需要在样品表面进行探针的逐行扫描,但要求依据加工的图形结构制定出探针的移动路径和相应的加工参数。在加工过程中,探针与样品之间相互作用的反馈环必须被一直保持,以控制探针与样品的相互位置,避免探针在移动过程中与样品表面的剧烈碰撞。与点阵式加工相比,矢量式加工具有的最大优势是可灵活地实现纳米级结构的修补,所加工纳米结构的高度也容易得到控制。这主要是由于加工步骤容易进行拆分。另外,矢量式加工方式也便于实现对加工过程中信号的监测。下面主要介绍矢量加工系统。

　　Multimode SPM控制软件在获取样品表面图像的同时还提供了一种称之为Nanoscript的编程接口,在该接口中提供一些函数可实现一些简单的功能,如探针在样品表面的移动、探针与样品之间反馈的开关及信号接入模块中信号的采集和设置。