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美能源部功能纳米材料研究中心将电子束光刻工艺分辨率提升至1纳米,创世界纪录!
2017-05-07
 

[据物理学组织网站2017428日报道]  随着能够获得更小尺寸图形的材料图形化工艺技术的不断完善,纳米技术得到了长足的进步。作为材料图形化工艺的主要方法之一,电子束光刻(EBL, electron-beam lithography)技术在这一发展过程起到了不可替代的作用。电子束光刻是将对电子束敏感的材料暴露在聚焦电子束下来实现材料的图形化的。当材料的特征尺寸从宏观尺度缩小至纳米尺度,单个原子和分子便可以被操纵来改变材料的性质,如材料的颜色、化学活性、导电性和光交互性等。

为了找到合适的方法来满足对材料图形化特征尺寸进一步缩小持续增长的需求,美国能源部(DOE)科学办公室布鲁克海文国家实验室功能纳米材料研究中心(CFN)的科研人员一直在电子束光刻技术研发领域寻求突破,最近,刚刚创造了一项新的记录。他们在扫描透射电子显微镜(STEM)的辅助下利用电子束光刻工艺在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜上成功实施了特征尺寸约1纳米、间距11纳米的图形化工艺,得到的图形面密度可高达每平方厘米一万亿个。这一创纪录的研究成果已在《纳米快报》上发表。

研究人员表示,他们从事该研究的主要目的是想了解材料的光、电、热及其它性能是如何随特征尺寸的减小而发生改变的。直到现在,还从未有过以如此可控、高效的方式实现1纳米分辨率的图形化工艺。

商业电子束光刻设备典型的材料图形化尺寸一般在1020纳米之间。可实现更高分辨率图形的技术一般都需要特殊的条件,这些苛刻的条件不但限制了这些技术的实用性,而且效率并不高。在本研究中,研究人员突破传统电子束光刻工艺分辨率极限的秘诀在于他们在功能材料研究中心的一台相差校正扫描透射电子显微镜(STEM是一种可提供原子尺度聚焦电子束的特殊显微镜)中安装了一个图形发生器(一种根据计算机软件辅助设计精确控制电子束在材料样品上的移动从而实现材料图形工艺的电子系统)。通过这样的方式,研究人员将一个单纯的成像工具转变成了一个不仅可以实现原子级分辨率成像而且还可以制作原子级分辨率图形结构的绘图工具。

测量实验结果显示,该设备将现有图形化特征尺寸缩小了约200%(从5纳米缩小到了1.7纳米),图形面密度增加了一倍(从每平方厘米4000亿增加到每平方厘米8000亿),图形间距从16纳米缩减到11纳米。

经研究人员图形化处理的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜可作为模板将接近1纳米尺寸分辨率的图形转移到其它材料。研究人员凭借这一思路成功在金属材料(金钯)和半导体材料(氧化锌)上实现了特征尺寸小于5纳米的图形化工艺。

研究人员指出,电子束光刻工艺的分辨率会受到很多因素的影响,其中包括设备局限性、电子束间相互作用、聚合物材料特性和分子尺寸及光刻化学工艺制程控制等。

该研究成果最令人兴奋之处还在于实现了远小于聚甲基丙烯酸甲酯高聚物26纳米有效半径的图形尺寸。接下来,研究团队计划用该技术研究1纳米尺寸图形化材料的性质。一个短期目标是证明传统半导体硅材料在接近1纳米尺寸时的电学及光学性能会发生改变。

新的相差校正电子束光刻技术为材料工程开启了很多令人激动的可能性,原子尺度的材料性能调控将不再是无法实现的梦想!

(工业和信息化部电子第一研究所  李铁成)

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