3D纳米结构高速直写机

— —纳米光刻与微米光刻兼顾的联合图形化工艺方案

NanoFrazor光刻技术，衍生于IBM Research研发的热扫描探针光刻技术——快速、精准地控制纳米针尖的移动及温度，利用热针尖实现对热敏抗刻蚀剂的快速精准刻写，从而为纳米制造提供了许多新颖的、独特的可能性。

NanoFrazor Explore以极高的速度、精度和可靠性运行，在目前所有扫描探针光刻技术中属于速度快、应用广泛的一种。

NanoFrazor Explore配备了先进的硬件和软件，以合适的方式控制可加热的NanoFrazor悬臂梁，以便进行书写和成像，实现基于闭环光刻技术的各种高精度图案化工艺。2019年，Explore增配了激光直写模块，有效加快了特征线宽在微米或亚微米水平的图形的加工速度，成为纳米光刻与微米光刻兼顾的联合图形化工艺方案。由此，在针对同一抗刻蚀层的图案化工艺中，实现了纳米刻写与微米刻写的无缝衔接。从而可以根据不同的图案特征线宽，采用不同精度的刻写技术，兼顾精度与速度。

主要特点：

★ 利用加热针尖直接刻写图案，分辨率优于15 nm；

★ 利用激光热挥发实现图案化，分辨率优于1 μm；

★ 高速原位AFM轮廓成像；

★ 样品尺寸100×100 mm²；

★ 闭环光刻；

★ 灰度曝光，分辨率及精度达到2 nm；

★ 利用原位AFM实现精准的对准，从而实现无掩膜套刻及写场拼接；

★ **的隔音及隔振性能；

★ 无需洁净间，亦无特殊的实验室环境要求

闭环光刻

NanoFrazor光刻系统是基于热扫描探针光刻技术，其核心部件是一种可加热的、非常尖锐的针尖，利用此针尖可以直接进行复杂纳米结构的刻写并且同时探测刻写所得结构的形貌。加热的针尖通过热作用，直接挥发局部的抗刻蚀剂，从而实现对各类高分辨纳米结构的制备。此外，NanoFrazor的光刻技术能够与各类标准的图形转移方案（如lift-off、刻蚀）兼容，从而实现各类材料的图形化制备。

**“闭环光刻”技术确保图形化工艺的高精确度

纳米光刻与微米光刻兼顾的图形化工艺方案

自2019年开始，NanoFrazor Explore增配了激光直写模块，由此在保障纳米级分辨率图案刻写精度的同时，大大提升了NanoFrazor Explore对微米级分辨率图形的刻写速度。

激光刻写

基于激光的热作用，以亚微米精度，快速、直接地挥发抗刻蚀剂，从而实现大面积的图案化工艺（例如微纳结构的引线或焊点图形制备）。

热探针直写

对于纳米结构或纳米器件关键部分的高精度、高分辨率刻写。

刻写所得结构的测量、观测、对准

由于抗刻蚀剂直接挥发，无须湿法显影操作即可实现抗刻蚀剂的图案化。在图案化过程中，同一根探针能够原位、高速的对图案化抗刻蚀剂进行AFM成像和测试。

微米尺度及纳米尺度的哈佛大学校徽，对PPA刻蚀剂的刻蚀深度为30 nm，图像由NanoFrazor Explore的探针进行AFM成像获得。(Courtesy of Harvard CNS)

3D灰度纳米光刻

★ 可在针尖扫描的每个位置对图案化工艺的深度进行设定（即每个像素点的灰度值）

★ 闭环光刻技术能够实现很高的灰度刻写精度（经论证，对大于16个灰阶的结构进行图案化工艺，灰度刻写的误差小于1纳米）

无掩膜套刻与拼接

★ 通过原位AFM功能实现高精度的无掩膜套刻及拼接（经论证，精度优于10 nm）；

★ 埋在抗刻蚀剂PPA下的图案结构（如纳米片、纳米线等）可用作“天然的”对准标记写场的自动关联拼接；

由金的lift-off工艺获得的）反射全息图包含1×108个像素点，每个写场为边长50 μm的正方形，写场间的拼接由AFM相关技术实现

利用无掩膜光刻在单根纳米线上制备金属电极：（a）由Explore的AFM成像功能探测到的纳米线轮廓及位置信息（绿线标出）与拟制备的电极结构布局图（粉色区域）；（b）lift-off工艺后获得的带有金属电极的单根纳米线的SEM图像

高分辨率

★ 尖锐的针尖，为了高分辨率的实现（经论证，在PPA抗刻蚀剂中能够实现的半节距优于10纳米）

★ 无须针对临近效应的修正

其他独特性能

★ 低损伤：制备过程中没有引入带电粒子束流，基于敏感材料的微纳器件能够获得更好器件特性

★ 纳米尺度的材料转换：多种材料的直接热诱导修饰（相变、化学反应……）

应用案例

三维光子分子（3D PHOTONIC MOLECULES）

(Courtesy of IBM Research Zurich， publication in 2018)

单电子器件

Courtesy of IBM Research Zurich， publication in 2018

基于二维原子晶体的器件

(Courtesy of Prof. Elisa Riedo， NYU)

基于准一维纳米材料的纳米器件

(Courtesy of S. Karg & A. Knoll， IBM Research – Zurich)

基于布朗马达的纳米器件，可用于纳米颗粒分类

(Courtesy of IBM Research， Publications in Science and PRL 2018)

国内外客户

已发表的文献

● Wolf (JVST B 2015) Sub20nm Liftoff and Si Etch and InAs nanowire contacts

● Garcia (Nat Nano 2014) Advanced scanning probe lithography

● Rawlings (IEEE Nano 2014) Nanometer accurate markerless pattern overlay using thermal Scanning Probe Lithography

● Holzner (SPIE EMLC 2013) Thermal Probe Nanolithography

● Cheong (Nanoletters 2013) Thermal Probe Maskless Lithography for 27.5 nm Half-Pitch Si Technology

● Fei Ding (PhysRevB 2013) Vertical microcavities with high Q and strong lateral mode confinement

● Carrol (Langmuir 2013) Fabricating Nanoscale Chemical Gradients with ThermoChemical NanoLithography

● Paul (Nanotechnology 2012) Field stitching in thermal probe lithography by means of surface roughness correlation

● Kim (Advance Mat 2011) Direct Fabrication of Arbitrary-Shaped Ferroelectric Nanostructures on Plastic， Glass， and Silicon Substrates

● Holzner (APL 2011) High density multi-level recording for archival data preservation

● Holzner (Nanoletters 2011) Directed placement of gold nanorods using a removable template

● Paul (Nanotechnology 2011) Rapid turnaround scanning probe nanolithography

● Wang (Adv Funct Mat 2010) Thermochemical Nanolithography of Multifunctional Nanotemplates for Assembling Nano-Objects

● Wei and King (Science 2010)Nanoscale Tunable Reduction of Graphene Oxide for Graphene Electronics

● Pires (Science 2010) Nanoscale 3DPatterning of Molecular Resists by Scanning Probes

● Knoll (Adv Materials 2010) Probe-Based 3-D Nanolithography Using SAD Polymers

● Fenwick (Nat Nano 2009) Thermochemical nanopatterning of organic semiconductors

● Lee (Nanoletters 2009) Maskless Nanoscale Writing of Nanoparticle-Polymer Composites and Nanoparticle Assemblies using Thermal Nanoprobes

● Nelson (APL 2006) Direct deposition of continuous metal nanostructures by thermal dip-pe