Nanotechnology：采用熱掃描探針光刻和激光直寫(xiě)相結(jié)合的方法快速制備點(diǎn)接觸量子點(diǎn)硅基晶體管

制造高品質(zhì)的固態(tài)硅基量子器件要求高分辨率的圖形書(shū)寫(xiě)技術(shù)，同時(shí)要避免對(duì)基底材料的損害。來(lái)自IBM實(shí)驗(yàn)室的Rawlings等人利用SwissLitho公司生產(chǎn)的3D納米結(jié)構(gòu)高速直寫(xiě)機(jī)NanoFrazor，結(jié)合其高分辨熱探針掃描技術(shù)和高效率的激光直寫(xiě)功能，制備出一種室溫下基于點(diǎn)接觸隧道結(jié)的單電子晶體管（SET）。

利用掃描探針可以確定最佳焦距下的Z向位置，同時(shí)確定掃描探針和激光直寫(xiě)的位置補(bǔ)償，研究人員在兼顧高分辨和高效率書(shū)寫(xiě)條件下得到小于100nm的精確度。利用CMOS工藝兼容幾何圖形氧化流程，研究人員在N型簡(jiǎn)并摻雜（＞10²⁰/cm³）的絕緣硅基底上制備出該SET器件。所研究的三種器件的特性主要由Si納米晶和嵌入SiO₂中的P原子所控制，進(jìn)而形成量子點(diǎn)（QDs）。量子點(diǎn)上電子尺寸微小且局域性強(qiáng)，保證了SET在室溫情況下的穩(wěn)定運(yùn)行。溫度測(cè)量結(jié)果顯示在100 – 300 K的范圍內(nèi)，電流主要由熱激發(fā)產(chǎn)生，但在＜100K時(shí)，主要以隧道電流為主。

在硅基量子點(diǎn)器件的制備過(guò)程中，內(nèi)部精細(xì)的功能器件區(qū)域一般要求高分辨率書(shū)寫(xiě)，但是在外部電極相對(duì)粗糙的連接處僅需要高效的相對(duì)低分辨率刻蝕，這就是所謂的“混合搭配光刻”(mix-and-match lithography)。但是兩種不同原理的書(shū)寫(xiě)技術(shù)結(jié)合應(yīng)用會(huì)增加工作量，同時(shí)帶來(lái)圖形轉(zhuǎn)移過(guò)程的位置偏差和對(duì)樣品表面的污染。在本工作中，3D納米結(jié)構(gòu)高速直寫(xiě)機(jī)NanoFrazor系統(tǒng)將激光直寫(xiě)技術(shù)與高分辨熱探針書(shū)寫(xiě)技術(shù)（XY: 10nm，Z: 1nm）相結(jié)合（如圖1所示），這樣可以利用熱探針技術(shù)實(shí)現(xiàn)高分辨率區(qū)域的圖形書(shū)寫(xiě)，而利用激光直寫(xiě)技術(shù)實(shí)現(xiàn)低分辨率區(qū)域的快速書(shū)寫(xiě)（如圖2a所示， 藍(lán)色區(qū)域?yàn)榧す庵睂?xiě)區(qū)域，深綠色區(qū)域?yàn)闊崽结槙?shū)寫(xiě)區(qū)域），最后實(shí)現(xiàn)一次性書(shū)寫(xiě)整體圖形的高效性，同時(shí)避免了不必要流程所導(dǎo)致的表面污染和位置偏差。

IBM專(zhuān)門(mén)研發(fā)設(shè)計(jì)的NanoFrazor 3D納米結(jié)構(gòu)高速直寫(xiě)機(jī)所采用的針尖是具有兩個(gè)電阻加熱區(qū)域，針尖上方的加熱區(qū)域可以加熱到1000℃，第二處加熱區(qū)域作為熱導(dǎo)率傳感器位于側(cè)臂處，其能感知針尖與樣品距離的變化，精度高達(dá)0.1nm。因此，在每行直寫(xiě)進(jìn)程結(jié)束后的回掃過(guò)程中，并不是通過(guò)針尖起伏反饋形貌信息，而是通過(guò)熱導(dǎo)率傳感器感應(yīng)形貌變化，從而實(shí)現(xiàn)了比AFM快1000余倍的掃描速度，同避免了針尖的快速磨損消耗。

NanoFrazor 3D納米結(jié)構(gòu)高速直寫(xiě)機(jī)與傳統(tǒng)的微納加工設(shè)備，如納米醮印、激光直寫(xiě)、聚焦離子束刻蝕FIB、電子束誘導(dǎo)沉積、電子束光刻EBL等技術(shù)相比，具有高直寫(xiě)精度 (XY: 最高可達(dá)10nm, Z: 1nm)以及高直寫(xiě)速度（20mm/s 與EBL媲美），具備實(shí)時(shí)形貌探測(cè)的閉環(huán)刻寫(xiě)技術(shù)以及無(wú)需標(biāo)記拼接與套刻等獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢(shì)。加上其性?xún)r(jià)比高，使用和維護(hù)成本低，易操作等特點(diǎn)，成為廣受關(guān)注的納米加工設(shè)備。