打印有序納米結(jié)構(gòu)和自組裝

1、會計學(xué)1打印有序納米結(jié)構(gòu)和自組裝打印有序納米結(jié)構(gòu)和自組裝第1頁/共94頁第2頁/共94頁納米尺度的加工技術(shù)有兩類：納米尺度的加工技術(shù)有兩類：“ 自上而下自上而下” 方式方式(Top-down)用用光線光線或或電子束電子束等削除大片材料，從而等削除大片材料，從而留下所需要的留下所需要的微細圖形微細圖形結(jié)構(gòu)，主要用于結(jié)構(gòu)，主要用于制造存儲器和制造存儲器和CPU等半導(dǎo)體器件，等半導(dǎo)體器件，如如納米刻蝕技術(shù)。納米刻蝕技術(shù)?！?自下而上自下而上” 方式方式(Bottom-up)用人工手段把原子或分子一層一層淀積用人工手段把原子或分子一層一層淀積來，形成新的晶體結(jié)構(gòu)，從而造出新的來，形成新的晶體結(jié)構(gòu)，從而

2、造出新的物質(zhì)或者新的器件，物質(zhì)或者新的器件，如自組裝方法如自組裝方法。第3頁/共94頁納米刻蝕技術(shù)納米刻蝕技術(shù)1自組裝技術(shù)自組裝技術(shù)2自下而上和自上而下相結(jié)合制備自下而上和自上而下相結(jié)合制備有序納米結(jié)構(gòu)有序納米結(jié)構(gòu)有序納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)用有序納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)用4第4頁/共94頁了廣闊前景1、納米刻蝕技術(shù)、納米刻蝕技術(shù)第5頁/共94頁納米刻蝕技術(shù)納米刻蝕技術(shù)極紫外光刻（極紫外光刻（ EUVL ）X射線光刻（射線光刻（XRL）電子束刻蝕（電子束刻蝕（EBL）離子束刻蝕（離子束刻蝕（IBL）納米壓印技術(shù)（納米壓印技術(shù)（NIL）其它納米刻蝕技術(shù)其它納米刻蝕技術(shù)納米掩膜刻蝕技術(shù)納米掩膜刻蝕技術(shù)基于掃描探針顯微基于

3、掃描探針顯微鏡的納米刻蝕技術(shù)鏡的納米刻蝕技術(shù)蘸筆納米印刷術(shù)蘸筆納米印刷術(shù)第6頁/共94頁Extreme Ultravoilet Lithography, EUVL; X-Ray Lithography, XRL第7頁/共94頁第8頁/共94頁光刻技術(shù)光刻技術(shù)主要包括主要包括圖形復(fù)印圖形復(fù)印和和定域刻蝕定域刻蝕兩個方面。兩個方面。圖形復(fù)印圖形復(fù)印經(jīng)曝光系統(tǒng)將預(yù)制在掩模板上的器件或電路圖形按所要求的位經(jīng)曝光系統(tǒng)將預(yù)制在掩模板上的器件或電路圖形按所要求的位置，精確傳遞到預(yù)涂在晶片表面或介質(zhì)層上的光致抗蝕劑薄層置，精確傳遞到預(yù)涂在晶片表面或介質(zhì)層上的光致抗蝕劑薄層上。光通過光掩模板透射到光致抗蝕劑上，

4、通過改變抗蝕劑的上。光通過光掩模板透射到光致抗蝕劑上，通過改變抗蝕劑的化學(xué)性質(zhì)和溶解性，在基片上印上一定圖樣的電路?；瘜W(xué)性質(zhì)和溶解性，在基片上印上一定圖樣的電路。即用普通光學(xué)手即用普通光學(xué)手段將模板上的圖段將模板上的圖形透射到抗蝕劑形透射到抗蝕劑層層(曝光工序曝光工序) ，經(jīng)顯影在曝光區(qū)經(jīng)顯影在曝光區(qū)(對于正抗蝕劑對于正抗蝕劑)或未曝光區(qū)或未曝光區(qū)(對對于負抗蝕劑于負抗蝕劑)便便能留下干凈的半能留下干凈的半導(dǎo)體表面，流程導(dǎo)體表面，流程圖見圖圖見圖5-2。第9頁/共94頁復(fù)印好的圖形復(fù)印好的圖形腐蝕腐蝕繼續(xù)腐蝕繼續(xù)腐蝕沉積沉積剝離剝離剝離剝離傳統(tǒng)光刻工藝中的定域刻蝕過程示意圖傳統(tǒng)光刻工藝中的定域

5、刻蝕過程示意圖介質(zhì)層介質(zhì)層抗蝕劑抗蝕劑襯底襯底沉積物沉積物第10頁/共94頁第11頁/共94頁NAkR122)(NAkDv 減小減小波長、增加波長、增加數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑、減小、減小k1和和k2是等都可以是等都可以提高提高光刻光刻的分辨率，其中的分辨率，其中減小波長減小波長是是提高提高光刻分辨率的主要手段光刻分辨率的主要手段v 曝光系統(tǒng)的極限分辨率為曝光系統(tǒng)的極限分辨率為/2，即半波長。因此，波長為，即半波長。因此，波長為193nm的光源（的光源（ArF激光器）分辨率可達激光器）分辨率可達100nm；157nm的的光源（光源（F2激光器）可達激光器）可達80nmv 為制備更小尺寸的微結(jié)構(gòu)，人們對

6、光源不斷改進，即出現(xiàn)為制備更小尺寸的微結(jié)構(gòu)，人們對光源不斷改進，即出現(xiàn)了極紫外光刻技術(shù)了極紫外光刻技術(shù)(EUVL)和和X射線光刻技術(shù)（射線光刻技術(shù)（XRL）第12頁/共94頁第13頁/共94頁EUVL光刻實例光刻實例第14頁/共94頁XRL光刻實例光刻實例第15頁/共94頁第16頁/共94頁束或粒子束刻蝕上第17頁/共94頁cmh0第18頁/共94頁圖圖5-9 EBL技術(shù)實例技術(shù)實例第19頁/共94頁第20頁/共94頁第21頁/共94頁沙子沙子：硅是地殼內(nèi)第二豐富的元素，而沙子：硅是地殼內(nèi)第二豐富的元素，而沙子( (尤其是石英尤其是石英) )最多包含最多包含2525的硅元素，以二氧化硅的硅元素

7、，以二氧化硅(SiO2)(SiO2)的形式存在的形式存在，這也是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。，這也是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。第22頁/共94頁硅熔煉：硅熔煉：通過多步凈化得到可用于半導(dǎo)體制造的硅，學(xué)通過多步凈化得到可用于半導(dǎo)體制造的硅，學(xué)名電子級硅名電子級硅(EGS)，平均每一百萬個硅原子中最多只有，平均每一百萬個硅原子中最多只有一個雜質(zhì)原子。此圖展示了是如何通過硅凈化熔煉得到一個雜質(zhì)原子。此圖展示了是如何通過硅凈化熔煉得到大晶體的，最后得到的就是硅錠大晶體的，最后得到的就是硅錠(Ingot)。第23頁/共94頁 單晶硅錠單晶硅錠：整體基本呈圓柱形，硅純度：整體基本呈圓柱形，硅純度99.9999。第24頁/共

8、94頁 硅錠切割硅錠切割：橫向切割成圓形的單個硅片，也就是我們：橫向切割成圓形的單個硅片，也就是我們常說的晶圓常說的晶圓(Wafer)。第25頁/共94頁 晶圓晶圓：切割出的晶圓經(jīng)過拋光后變得幾乎完美無瑕，表：切割出的晶圓經(jīng)過拋光后變得幾乎完美無瑕，表面甚至可以當鏡子。面甚至可以當鏡子。Intel自己并不生產(chǎn)這種晶圓，而是自己并不生產(chǎn)這種晶圓，而是直接購買成品，然后利用自己的生產(chǎn)線進一步加工。直接購買成品，然后利用自己的生產(chǎn)線進一步加工。第26頁/共94頁 光刻膠光刻膠(Photo Resist)：圖中藍色部分就是在晶圓旋轉(zhuǎn)：圖中藍色部分就是在晶圓旋轉(zhuǎn)過程中澆上去的光刻膠液體，晶圓旋轉(zhuǎn)可以讓光

9、刻膠鋪過程中澆上去的光刻膠液體，晶圓旋轉(zhuǎn)可以讓光刻膠鋪的非常薄、非常平。的非常薄、非常平。第27頁/共94頁 光刻一：光刻一：光刻膠層隨后透過掩模被曝光在紫外線之下，光刻膠層隨后透過掩模被曝光在紫外線之下，期間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)類似按下機械相機快門那一刻膠片期間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)類似按下機械相機快門那一刻膠片的變化。掩模上預(yù)先設(shè)計好的電路圖案就會復(fù)印在光刻的變化。掩模上預(yù)先設(shè)計好的電路圖案就會復(fù)印在光刻膠層上，在光刻膠層上形成微處理器的每一層電路圖案膠層上，在光刻膠層上形成微處理器的每一層電路圖案。第28頁/共94頁 光刻二光刻二：一塊晶圓上可以切割出數(shù)百個處理器，不過從：一塊晶圓上可以切割出數(shù)百個處

10、理器，不過從這里開始把視野縮小到單個上，了解如何制作晶體管等這里開始把視野縮小到單個上，了解如何制作晶體管等部件，一個針頭上就能放下大約部件，一個針頭上就能放下大約3000萬個晶體管。萬個晶體管。第29頁/共94頁 溶解光刻膠溶解光刻膠：光刻過程中曝光在紫外線下的光刻膠被：光刻過程中曝光在紫外線下的光刻膠被溶解掉，清除后留下的圖案和掩模上的一致溶解掉，清除后留下的圖案和掩模上的一致第30頁/共94頁 蝕刻蝕刻：用化學(xué)物質(zhì)將抗蝕劑薄層未掩蔽的晶片表面溶解：用化學(xué)物質(zhì)將抗蝕劑薄層未掩蔽的晶片表面溶解掉，從而在晶片表面上獲得與光刻膠薄層圖形完全一致掉，從而在晶片表面上獲得與光刻膠薄層圖形完全一致的圖

11、形。的圖形。第31頁/共94頁 清除光刻膠清除光刻膠：蝕刻完成后，光刻膠的使命宣告完成，全：蝕刻完成后，光刻膠的使命宣告完成，全部清除后就可以看到設(shè)計好的電路圖案。部清除后就可以看到設(shè)計好的電路圖案。第32頁/共94頁 光刻膠光刻膠：再次澆上光刻膠：再次澆上光刻膠(藍色部分藍色部分)，然后光刻，并洗，然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻膠還是用來保護不會離子注掉曝光的部分，剩下的光刻膠還是用來保護不會離子注入的那部分材料。入的那部分材料。第33頁/共94頁 離子注入離子注入(Ion Implantation)：在真空系統(tǒng)中，用經(jīng)過：在真空系統(tǒng)中，用經(jīng)過加速的離子照射加速的離子照射(注入注入)

12、固體材料，從而在被注入的區(qū)域固體材料，從而在被注入的區(qū)域形成特殊的注入層，并改變這些區(qū)域的硅的導(dǎo)電性。形成特殊的注入層，并改變這些區(qū)域的硅的導(dǎo)電性。第34頁/共94頁 清除光刻膠清除光刻膠：離子注入完成后，光刻膠也被清除，而注：離子注入完成后，光刻膠也被清除，而注入?yún)^(qū)域入?yún)^(qū)域(綠色部分綠色部分) 已摻雜，注入了不同的原子。已摻雜，注入了不同的原子。第35頁/共94頁 晶體管就緒晶體管就緒：至此，晶體管已經(jīng)基本完成。在蝕刻出三：至此，晶體管已經(jīng)基本完成。在蝕刻出三個孔洞，并填充銅，以便和其它晶體管互連。個孔洞，并填充銅，以便和其它晶體管互連。銅層銅層：電：電鍍完成后，形成一個薄薄的銅層。鍍完成后

13、，形成一個薄薄的銅層。第36頁/共94頁 晶圓切片晶圓切片(Slicing)：將晶圓切割成塊，每一塊就是一：將晶圓切割成塊，每一塊就是一個處理器的內(nèi)核。個處理器的內(nèi)核。第37頁/共94頁 單個內(nèi)核單個內(nèi)核：內(nèi)核級別。從晶圓上切割下來的單個內(nèi)核：內(nèi)核級別。從晶圓上切割下來的單個內(nèi)核， 封裝：襯底封裝：襯底(基片基片)、內(nèi)核、散熱片堆疊在一起，就形成、內(nèi)核、散熱片堆疊在一起，就形成了我們看到的處理器的樣子。襯底了我們看到的處理器的樣子。襯底(綠色綠色)相當于一個底相當于一個底座，并為處理器內(nèi)核提供電氣與機械界面，便于與座，并為處理器內(nèi)核提供電氣與機械界面，便于與PC系系統(tǒng)的其它部分交互。散熱片統(tǒng)的

14、其它部分交互。散熱片(銀色銀色)就是負責內(nèi)核散熱。就是負責內(nèi)核散熱。第38頁/共94頁第39頁/共94頁技術(shù)第40頁/共94頁第41頁/共94頁熱壓印技術(shù)的工藝流程熱壓印技術(shù)的工藝流程v熱壓印過程須在熱壓印過程須在1Pa的真空下進行，以避免由于的真空下進行，以避免由于空氣氣泡的存在造成壓印圖案畸變空氣氣泡的存在造成壓印圖案畸變v熱壓印印章選用熱壓印印章選用SiC材料制造，是因為材料制造，是因為SiC材料硬材料硬度大、化學(xué)穩(wěn)定性好度大、化學(xué)穩(wěn)定性好第42頁/共94頁熱壓印技術(shù)實例熱壓印技術(shù)實例第43頁/共94頁紫外壓印實例紫外壓印實例v 上圖展示的紫外壓印得到的直徑為上圖展示的紫外壓印得到的直徑

15、為50nm的平行柱狀陣列、納的平行柱狀陣列、納米片陣列和米片陣列和60角兩次交叉壓印的金剛石狀陣列角兩次交叉壓印的金剛石狀陣列第44頁/共94頁第45頁/共94頁圖圖5-14 多層壓印技術(shù)及其實例多層壓印技術(shù)及其實例第46頁/共94頁第47頁/共94頁圖圖5-17 浮游生物體內(nèi)有序的石灰質(zhì)結(jié)構(gòu)浮游生物體內(nèi)有序的石灰質(zhì)結(jié)構(gòu)第48頁/共94頁第49頁/共94頁第50頁/共94頁第51頁/共94頁第52頁/共94頁表面活性劑分子的結(jié)構(gòu)示意圖表面活性劑分子的結(jié)構(gòu)示意圖第53頁/共94頁v溶液成分不同，可能形成溶液成分不同，可能形成球形、類棒狀、有序六角球形、類棒狀、有序六角、立方、片狀、層狀、反、立方

16、、片狀、層狀、反向等膠束向等膠束v含有有序膠束結(jié)構(gòu)的溶液含有有序膠束結(jié)構(gòu)的溶液脫水后變?yōu)槟z、在經(jīng)過脫水后變?yōu)槟z、在經(jīng)過干燥、焙燒、如果骨架不干燥、焙燒、如果骨架不塌陷，就成為有序介孔材塌陷，就成為有序介孔材料料幾種膠束的結(jié)構(gòu)示意圖幾種膠束的結(jié)構(gòu)示意圖第54頁/共94頁第55頁/共94頁圖圖5-20 微乳液法自組裝微乳液法自組裝Co和和FePt的有序納米結(jié)構(gòu)的有序納米結(jié)構(gòu)第56頁/共94頁第57頁/共94頁材料學(xué)院58圖圖5-21 二元納米粒子自組裝為超晶格結(jié)構(gòu)的二元納米粒子自組裝為超晶格結(jié)構(gòu)的SEM照片照片（其組裝單元間右下角的插圖）（其組裝單元間右下角的插圖）第58頁/共94頁第59頁/

17、共94頁ZnO納米帶的靜電力自組裝納米帶的靜電力自組裝第60頁/共94頁靜電力自組裝靜電力自組裝ZnO納米棒為花狀結(jié)構(gòu)納米棒為花狀結(jié)構(gòu)第61頁/共94頁 圖圖 (a)和和(b)分別為聚苯乙烯和分別為聚苯乙烯和SiO2模板球的照片。用液態(tài)的前模板球的照片。用液態(tài)的前驅(qū)物將模板球之間的空隙填滿，引發(fā)反應(yīng)后再除去模板球，即驅(qū)物將模板球之間的空隙填滿，引發(fā)反應(yīng)后再除去模板球，即可合成出具有大孔徑的有序結(jié)構(gòu)。填充間隙的液態(tài)前驅(qū)體可以可合成出具有大孔徑的有序結(jié)構(gòu)。填充間隙的液態(tài)前驅(qū)體可以是由紫外光、熱引發(fā)的預(yù)聚物，加了引發(fā)劑的有機單體，也可是由紫外光、熱引發(fā)的預(yù)聚物，加了引發(fā)劑的有機單體，也可以是無機陶瓷

18、材料的以是無機陶瓷材料的sol-gel前驅(qū)體、無機鹽溶液，還可以是膠前驅(qū)體、無機鹽溶液，還可以是膠態(tài)的金屬微粒。采用這種模板球已經(jīng)大量合成了大孔聚氨基甲態(tài)的金屬微粒。采用這種模板球已經(jīng)大量合成了大孔聚氨基甲酸乙酯等高分子材料、多孔的酸乙酯等高分子材料、多孔的 SiO2、(La, Sr)MnO3、Nb2O5無無機材料以及介孔機材料以及介孔 Au等金屬材料。等金屬材料。第62頁/共94頁第63頁/共94頁下圖為合成的多孔高分子材料的下圖為合成的多孔高分子材料的SEM照片，圖照片，圖5-26(a) 為材料的為材料的表面形貌，圖表面形貌，圖5-26(b)為撕開的橫截面形貌，顯示了有序的大孔為撕開的橫截

19、面形貌，顯示了有序的大孔洞。如果在填充模板球空隙的液態(tài)前驅(qū)體中加入合適的模板劑洞。如果在填充模板球空隙的液態(tài)前驅(qū)體中加入合適的模板劑，則填充液體能在一定的條件下自組裝成有序的介孔結(jié)構(gòu)，形，則填充液體能在一定的條件下自組裝成有序的介孔結(jié)構(gòu)，形成大孔和介孔復(fù)合的有序結(jié)構(gòu)。圖成大孔和介孔復(fù)合的有序結(jié)構(gòu)。圖5-26(c)為具有兩種不同孔徑為具有兩種不同孔徑復(fù)合的多孔復(fù)合的多孔SiO2，顯示兩個長度范圍內(nèi)的有序排列，閉合的中，顯示兩個長度范圍內(nèi)的有序排列，閉合的中空堆積空堆積(約約120nm)和自組裝納米孔洞和自組裝納米孔洞(45nm)。第64頁/共94頁第65頁/共94頁第66頁/共94頁v 王中林教

20、授研究組采用直王中林教授研究組采用直接高溫蒸發(fā)接高溫蒸發(fā)ZnO和和SnO2粉粉末制備出了三維復(fù)雜有序末制備出了三維復(fù)雜有序ZnO納米結(jié)構(gòu)納米結(jié)構(gòu)v 首先，作為主干的首先，作為主干的ZnO納納米線沿米線沿0001方向生長，方向生長，速度很快，速度很快，Sn液滴對徑向液滴對徑向生長影響很小，故徑向具生長影響很小，故徑向具有均一的線徑有均一的線徑v 第二階段，表面的第二階段，表面的Sn液滴液滴催化二次外延上漲催化二次外延上漲ZnO納納米帶，最終生成蝌蚪狀的米帶，最終生成蝌蚪狀的納米帶納米帶第67頁/共94頁的可控自組裝v在液體的表面或者體相中，通過毛細管力或表面在液體的表面或者體相中，通過毛細管力或

21、表面張力的作用，將一維納米材料自發(fā)地組裝成微米張力的作用，將一維納米材料自發(fā)地組裝成微米尺度的有序結(jié)構(gòu)尺度的有序結(jié)構(gòu)在液體表面自組裝在液體表面自組裝BaCrO4納米棒納米棒第68頁/共94頁第69頁/共94頁Fe2O3枝晶的取向搭接生長示意圖枝晶的取向搭接生長示意圖第70頁/共94頁Fe2O3枝晶的取向搭接自組裝枝晶的取向搭接自組裝第71頁/共94頁第72頁/共94頁高密度的納米電路高密度的納米電路第73頁/共94頁標準的標準的Si n型溝道型溝道MOSFET示意圖示意圖圖圖 (a) 在平滑在平滑Si基底上組裝的基底上組裝的Ge量子點有序陣列的量子點有序陣列的AFM圖像圖像(b)和和(c)為將五條為將五條Ge/Si量子點量子點/線在線在1000退火退火5min后得到的亮場后得到的亮場和暗場下的和暗場下的TEM截面圖截面圖第74頁/共94頁高性能電容器高性能電容器第75頁/共94頁“T”形存儲器元件結(jié)構(gòu)的示意圖形存儲器元件結(jié)構(gòu)的示意圖(a) 電極分離式電極分離式(b)相互交疊式相互交疊式第76頁/共94頁量子點光發(fā)射裝置量子點光發(fā)射裝置第77頁/共94頁一維納米材料有序陣列光發(fā)射裝置一維納米材料有序陣列光發(fā)射裝置第78頁/共94頁光過濾器光過濾器第79頁/共94頁光子晶體光子晶體第80頁/共94頁第81頁/共94頁第82頁/