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1、原子力显微镜及其应用,原子力显微镜的基本原理 原子力显微镜微悬臂偏转的检测方法 原子力显微镜获得的原子图像 原子力显微镜的纳米加工技术,原子力显微镜的基本原理,STM只能在导电材料的样品表面上分辨出单个的原子并得到原子结构的三维图像。对于非导电材料，STM将无能为力。为了弥补STM的不足，达到分辨不导电物体表面上的单个原子，1986年，Binnig等发明了原子力显微镜（Atomic Force Microscopy, AFM)。AFM是一种类似于STM的显微技术，它的许多元件与STM是共同的，如用于三维扫描的压电陶瓷系统以及反馈控制器等。,AFM与STM的差别,AFM与STM主要不同点是用一个
2、对微弱力极其敏感的易弯曲的微悬臂针尖代替了STM的隧道针尖，并以探测悬臂的微小偏转代替了STM中的探测微小隧道电流。正是因为AFM工作时不需要探测隧道电流，所以它可以用于分辨包括绝缘体在内的各种材料表面上的单个原子，其应用范围无疑比STM更加广阔。但从分辨率来看，AFM要比STM略微低些。,AFM的工作原理,AFM 的核心部件是对微弱力极其敏感的微悬臂，它的一端被固定，另一端则有一微小的针尖。AFM在图像扫描时，针尖与样品表面轻轻接触，而针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力（10-810-6牛顿），这个力会使悬臂产生微小偏转。这种偏转被检测出来，并用作反馈来保持力的恒定，就可以获得微
3、悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的图像。,原子力显微镜的纳米加工技术,在现代超大规模集成电路芯片的光刻生产加工中，目前广泛应用于实际生产，精度最高的是深紫外光光刻技术。它加工的最小线宽为130 nm，其理论极限是 100 nm。由于最小线宽决定了集成电路中晶体管尺寸的大小,因此发展 100nm以下的刻蚀技术是未来更大规模集成电路加工的基础。 AFM与STM一样，在纳米结构加工的方面具有很强的应用背景。由于它不受材料种类的限制，在各种材料的纳米加工中得到了更加广泛的应用。同时，AFM所具有的原子分辨的能力，使它在尺寸小于100nm 的结构加工中具有十分明显的优越性。,（a）
4、在Si材料的表面上沉积有一层厚度为65 nm的抗刻蚀聚合物材料； （b）受到电子束的激励后，抗刻蚀聚合物材料发生聚合反应而形成一层特殊的抗刻蚀层； （c）将没有受到电子束激励的其余聚合物材料移去并暴露出Si材料的表面； （d）直接在Si材料上刻蚀出特定的结构。这个结构将和用电子束在聚合物材料上预先制作的结构完全相同。,硅材料表面上纳米细线的刻蚀步骤,硅材料表面上纳米细线的刻蚀,光刻的工艺流程,1、清洁处理：清洁的表面才能与光刻胶有良好的粘附； 2、涂胶：在待光刻的硅片表面均匀地涂上一层光刻胶。要求粘附良好，均匀； 3、前烘：使光刻胶干燥，以增强胶膜与硅片表面的粘附性和胶膜耐磨性，同时使曝光时能
5、进行充分的光化学反应；,4、曝光及显影：在曝过光的硅片表面的胶膜上显影出与掩膜版相同（正性光刻胶）或相反（负性光刻胶）的图形，显影后的硅片必须严格检查，以保证光刻的质量； 5、坚膜：使胶膜与硅片之间紧密粘附，防止胶层脱落，同时增强胶膜本身的抗蚀能力； 6、腐蚀：以坚膜后的光刻胶作为掩蔽层，对衬底进行干法或湿法腐蚀，使之得到与光刻胶膜图形相应的图形； 7、去胶：以干法或湿法去除光刻胶膜。,第五讲 纳米电子学,引言 微电子技术及超大规模集成电路的发展限制 单电子晶体管 单电子存储器,纳米电子学,美国一家研究所在“杀人蜂”背上粘上微芯片和红外发射器以追踪监视,MOS场效应晶体管结构,引言,纳米技术中
6、最重要的一个分支领域是纳米电子学技术。 在信息社会中，电子学的应用显得越来越重要。信息的获取、放大、存储、处理、传输、转换和显示，哪一样都离不开电子学。电子学技术早已经成为人类经济的命脉。 电子学未来的发展，将以“更小，更快，更冷”为目标。“更小”是进一步提高芯片的集成度，“更快”是实现更高的信息运算和处理速度，而“更冷”则是进一步降低芯片的功耗。,电子管计算机时期（19461959），,1946年，第一台电子计算机“埃尼阿克”问世。第一台电子计算机叫“埃尼阿克 ”，它长30.48米，宽1米，占地面积为70平方米，有30个操作台，约相当于10件普通房间的大小，重达30 吨，耗电量为150千瓦，
7、造价是48万美元。“埃尼阿克”使用18000个电子管、70000个电阻、10000个电容、1500个继电器和6000多个开关，每秒执行5000次加法或400次乘法运算，是继电器计算机的1000倍、手工计算的20万倍。,晶体管计算机时期（19591964），俗称为第二代计算机,1959年12月18日，世界上第一台晶体管计算机IBM 7090由美国国际商业机器公司制造成功。IBM 7090，第一台晶体管计算机，使用穿孔卡片，由IBM制造。有32K内存，系统用5K，用户用27K，用户数据在内存和一台磁鼓之间切换。运算速度可以达到几十万次/秒,第三代 中小规模集成电路计算机,1965年到1970年的第
8、三代计算机采用了集成电路，这段时期计算机被称为“中小规模集成电路计算机”。集成电路是将由几千个晶体管元件构成的完整电子电路做在比手指甲还小的一个晶片上 。所以，第三代计算机的体积更加小型化，而且大大降低了功耗；运算速度提高到每秒几十万次到几百万次,第四代计算机,大规模集成电路 (LSI) 可以在一个芯片上容纳几百个元件。到了 80 年代，超大规模集成电路 (VLSI) 在芯片上容纳了几十万个元件，后来的 (ULSI) 将数字扩充到百万级。可以在硬币大小的芯片上容纳如此数量的元件使得计算机的体积和价格不断下降，而功能和可靠性不断增强,2 微米电子学技术及超大规模集成电路的发展限制,微电子学技术及
9、超大规模集成电路的飞速发展使得人类在计算机，电子通讯，航空航天等重大经济领域取得了突飞猛进的进展，它已经成为当代各行各业智能工作的基石。,半个世纪以来，微电子技术领域已经发生了两次重大技术革命，一是晶体管取代真空电子管，二是集成电路取代传统的导线连接电路。这两次技术革命对人类以计算机和信息技术为基础的新技术的发展起到了巨大的推动作用。特别是超大规模集成电路的出现，导致了现代计算机和通信技术翻天覆地的变化。 集成电路的集成度越高，电路中的晶体管的尺寸就越小。集成电路的制程精度一般用最小线宽来表示。,莫尔定律,英特尔的创始人和 总裁(19751979年)莫尔在1965年曾对计算机芯片未来的发展趋势
10、作了一个重要预测，认为“每隔18个月新芯片的晶体管容量要比先前的增加一倍，同时性能也会提升一倍”。这就是著名的莫尔定律。事实已经证明，在过去的40年里，莫尔定律准确地代表着芯片技术的发展趋势。但是，随着集成电路的集成度越来越高，晶体管的尺寸和集成电路的最小线宽越来越小，莫尔定律受到了极大的挑战。因为按照莫尔定律的发展趋势，不久就会达到现代微电子学光刻加工技术的极限（物理限制），使现行的半导体工艺很难再有所作为。,微处理器工艺发展,1971年，Intel 推出的4004微处理器，特征尺寸为10微米，集成2300个晶体管 1974年，Intel 推出的8080微处理器，特征尺寸为6微米，集成600
11、0个晶体管 1978年，Intel 推出的8086微处理器，特征尺寸为3微米，集成2.9万个晶体管 1982年，Intel 推出的80286微处理器，特征尺寸为1.5微米，集成13.4万个晶体管 1989年，Intel 推出的80486微处理器，特征尺寸为1微米，集成120万个晶体管 1993年，Intel 推出的Pentium微处理器，特征尺寸为0.8微米，集成310万个晶体管 2019年Intel 推出的Pentium II微处理器，特征尺寸为0.35微米，集成750万个晶体管 2019年Intel 推出的Pentium III微处理器，特征尺寸为0.18微米，集成2,800万个晶体管 2
12、019年Intel 推出的Core 2 Quad微处理器，特征尺寸为45纳米，集成8.2亿个晶体管,要实现纳米电子器件及其集成电路，有两种可能的方式,一种是将现有的集成电路进一步向微型化延伸，研究开发更小的最小线宽的加工技术来加工尺寸更小的电子器件。这种方法只是尺度上的缩小，电子器件的构造并不发生根本的改变。由于现行的微电子器件（如场效应晶体管），功耗较大，它无法满足未来对器件“更冷”的要求。同时，目前的光刻技术能够加工的最小线宽为 30nm，也不能满足纳米电子器件的加工要求。而且，传统的光刻技术正面临着它的物理极限的限制，使得它必将被更先进的加工技术所取代，如 STM和AFM纳米加工技术等。
13、因此，采取这种方式来加工纳米电子器件及其集成电路，就要寻更加先进的加工技术，同时还必须对现有的器件结构进行修改以求获得更高的效率，降低功耗。,缩小晶体管的尺寸和线宽的基本方法在于改进光刻技术，也就是使用更短波长的曝光光源，经掩模曝光，把刻蚀在硅片上的晶体管做得更小，连接晶体管的导线做得更细来实现。但是，当对集成电路最小线宽的要求达到 100 nm时，现行的光刻技术将无能为力而面临失败。在光刻加工技术中，最小线宽的加工取决于所选用的光波的波长（光刻的光斑直径等于半波长）。目前，光刻中使用的光波是深紫外光，所以现行的光刻技术也被称为深紫外光光刻技术。深紫外光波长为 240 nm，它的光刻的理论极限
14、是100nm。也就是说，现行的光刻技术将无法加工小于 100 nm的最小线宽。,为了提高光刻的精度，人们在不断探索和开发具有更短波长的稳定光源。目前，美国和日本的多家芯片制造公司正在开发使用超紫外光激光光源的光刻技术。因为，超紫外光的波长更短，它的使用有望使光刻的最小线宽达到 70 nm以下。但是，由于超紫外光能够被空气吸收，只能在真空中使用，这对大规模工业应用来说，无疑是一个极不利的因素。超紫外光光刻技术目前还处在实验室研制阶段。 随着光刻精度的提高，它也需要相应提高硅片（基板）和光刻掩模板的表面平整度，以及二者之间的极高的平行度。这些十分苛刻的条件，无疑也将成为提高光刻精度的另一个“瓶颈”
15、。 电子束刻蚀技术的束斑直径可以做得很小，其刻蚀的精度可以满足10 nm最小线宽的要求，刻蚀时它也不需要掩模板，因而不存在硅片和掩模板之间的平行度问题，但是电子束刻蚀的致命缺陷是刻蚀速度太慢，无法满足大规模生产的需要。,没有束斑直径和平行度要求的STM和 AFM纳米加工技术将来极有可能成为未来超大规模集成电路加工的首选工具，扮演非常重要的角色。在第二和第三章中，我们介绍了使用STM和AFM人们可以加工出各种不同尺度的纳米结构。从加工的精度来说STM和AFM优于现行的任何光刻技术和电子束刻蚀技术，因为STM和AFM可以加工小到单个原子的结构（0.3nm）。但是，用STM和AFM来加工未来的集成电
16、路，同样必须解决加工速度的问题。,微电子学技术除了在光刻加工技术上存在着急待突破的技术限制以外，它还受到了器件内电子行为的限制和器件功耗过大的限制。,首先以芯片微处理器为例来讨论电子行为对微电子学技术限制。 芯片微处理器是通过逻辑“门”的开或关来工作的，而“门”的开或关的状态，取决于有无电流流过。目前，微处理器中的逻辑门正常工作时需要数百上千个电子的电流，而随着芯片集成度和时钟速度的进一步的提高，所需的电子数还会进一步增加。但是，芯片内线宽的减小却会导致单位时间内流过逻辑门的电子数大幅度减少，当电子数减至数十个数量级时，逻辑门在判断“开”或“关”时就会处于不确定状态，无法正常工作。,器件功耗过大也是微电子学技术进一步发展的一个主要限制。 当今的微电子器件（如场效应晶体管），由于本身的功耗太大，已经很难适应更大规模集成的需要。特别是随着芯片的集成度和时钟速度大幅度提高后，电子在电路中流动的速度越来越快，功耗也会成倍增大，并最终导致芯片不能正常工作。同时，功耗太大出现的芯片过热还会造成芯片的使用寿命缩短，可靠性降低等问题。所以，能够满足“更冷”要求的
