專利名稱：一種批量制作納米結(jié)構(gòu)的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種批量制作納米結(jié)構(gòu)的方法和裝置，用激光冷卻和束掩模調(diào)制對(duì)原子束進(jìn)行橫向操縱，使原子沉積在基底上(或破壞基底上的特殊膜層)形成納米結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
近年來，半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)系統(tǒng)(如量子阱、量子點(diǎn)、量子線等)是半導(dǎo)體物理理論研究和半導(dǎo)體器件開發(fā)與應(yīng)用最為活躍的領(lǐng)域，納米結(jié)構(gòu)制作在新型半導(dǎo)體材料的制備過程中扮演著非常重要的角色?，F(xiàn)有的納米結(jié)構(gòu)制作技術(shù)中，光學(xué)光刻技術(shù)已陷入十分艱難和費(fèi)用很高的狀態(tài)，電子束光刻和納米壓印技術(shù)雖可用于制作納米結(jié)構(gòu)，然而目前仍存在一些問題需要進(jìn)一步解決，如電子束光刻的曝光系統(tǒng)非常昂貴而且效率很低。
近十年來隨著原子激光的出現(xiàn)和玻色-愛因斯坦凝聚的實(shí)現(xiàn)，原子光學(xué)在理論和實(shí)驗(yàn)上逐步走向成熟。用激光冷卻的手段對(duì)原子束進(jìn)行橫向高度準(zhǔn)直為納米結(jié)構(gòu)制作提供了一個(gè)很好的工具。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是克服上述技術(shù)的不足，將原子冷卻技術(shù)和掩模調(diào)制兩種手段結(jié)合起來用于納米結(jié)構(gòu)制作，提供一種效率高、制作費(fèi)用低的批量制作納米結(jié)構(gòu)的方法及其制作裝置。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是批量制作納米結(jié)構(gòu)的方法，其特點(diǎn)在于采用激光冷卻的方法對(duì)原子束進(jìn)行橫向高度準(zhǔn)直，原子束在穿過束掩模時(shí)受到橫向調(diào)制，具體包括下列步驟(1)對(duì)從原子源噴出的原子束首先通過準(zhǔn)直孔進(jìn)行初步準(zhǔn)直，再由傳播方向相反、振動(dòng)方向互相垂直的線偏振光形成線偏振激光梯度場，對(duì)原子束進(jìn)行橫向冷卻達(dá)到高度準(zhǔn)直的目的；(2)經(jīng)過準(zhǔn)直的原子束在穿過束掩模時(shí)受到橫向調(diào)制，原子沉積在基底上或破壞基底上的特殊膜層形成納米圖形，通過更換基底可實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)的批量制作。
利用上述方法進(jìn)行批量制作納米結(jié)構(gòu)的裝置，其特征在于包括真空室、原子源、準(zhǔn)直孔、振動(dòng)方向互相垂直的線偏振光、束掩模和基底，用高溫蒸發(fā)(或高壓直流放電)的方法產(chǎn)生固體材料原子束(亞穩(wěn)態(tài)惰性氣體原子束)，原子束從原子源噴出后，首先通過準(zhǔn)直孔進(jìn)行初步準(zhǔn)直，接著進(jìn)入線偏振激光梯度場進(jìn)行橫向冷卻變成高度準(zhǔn)直的原子束。原子束在穿過納米量級(jí)的掩模時(shí)受到橫向調(diào)制，只有束掩模上鏤空的地方才可透過原子，原子沉積在基底上(或通過破壞基底上的特殊膜層)形成納米結(jié)構(gòu)。通過更換基底實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)的批量制作。
本發(fā)明的原理是利用光和原子相互作用產(chǎn)生的自發(fā)力對(duì)原子束進(jìn)行橫向冷卻實(shí)現(xiàn)高度準(zhǔn)直，原子束在穿過束掩模時(shí)受到橫向調(diào)制，原子沉積在基底上形成納米結(jié)構(gòu)(或通過破壞基底上的特殊膜層來制作納米結(jié)構(gòu))。
本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明采用激光冷卻技術(shù)對(duì)原子束進(jìn)行橫向高度準(zhǔn)直，由于原子的德布羅意波長很短(遠(yuǎn)小于1nm)，原子在穿過束掩模時(shí)衍射效應(yīng)很小，具有潛在的高分辨力。
(2)只要加工出用于對(duì)原子束進(jìn)行橫向調(diào)制的納米量級(jí)的束掩模，便可實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)的批量制作，降低了制作成本。
(3)大截面積的原子流容易獲得，可以一次制作數(shù)目可觀的量子阱、量子線或量子點(diǎn)等，提高了納米器件的制作效率。
(4)通過更換基底便可實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)的批量制作，因而操作簡便。
故本發(fā)明可用于量子線、量子點(diǎn)、新型納米器件制作和半導(dǎo)體物理理論研究等。納米量級(jí)的束掩模可用電子束光刻技術(shù)來制作，如用氮化硅材料進(jìn)行制作。


圖1為本發(fā)明批量納米結(jié)構(gòu)制作裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明批量制作納米結(jié)構(gòu)的裝置，包括真空室1、原子源2、準(zhǔn)直孔4、振動(dòng)方向互相垂直的線偏振光5、束掩模7和基底8。
納米結(jié)構(gòu)制作過程為原子束3從原子源2發(fā)出，由于束發(fā)散角很大，首先通過準(zhǔn)直孔4進(jìn)行初步準(zhǔn)直，接著進(jìn)入由傳播方向相反、振動(dòng)方向互相垂直的線偏振光5形成的線偏振激光梯度場，利用該激光梯度場對(duì)原子束進(jìn)行橫向冷卻達(dá)到高度準(zhǔn)直的目的，原子束變成平行原子束6，平行原子束6在穿過束掩模7時(shí)受到橫向調(diào)制。若是固體材料原子便直接沉積在基底8上形成納米結(jié)構(gòu)9，若是亞穩(wěn)態(tài)惰性氣體原子則可破壞基底8上的特殊膜層，結(jié)合刻蝕技術(shù)可在基底8上得到納米結(jié)構(gòu)9。通過更換基底8便可實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)的批量制作。
本發(fā)明中的用于納米結(jié)構(gòu)制作的原子是固體材料原子，如Au、Al、Si、Cr、Fe等，或是處于亞穩(wěn)態(tài)的惰性氣體原子，如He、Ne、Ar、Xe。用于對(duì)原子束進(jìn)行調(diào)制的掩模必須鏤空。
下面以Cr原子為例給出批量制作納米結(jié)構(gòu)的具體步驟用耐高溫的陶瓷材料(如氧化鋯)坩堝對(duì)Cr進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度在1500℃以上時(shí)便有Cr原子從坩堝的小孔噴出，首先用孔徑為毫米量級(jí)的準(zhǔn)直孔(如1mm左右)對(duì)原子束進(jìn)行初步準(zhǔn)直，然后進(jìn)入線偏振激光梯度場(光波長為425.6nm)進(jìn)行高度準(zhǔn)直變成平行原子束。選用化學(xué)穩(wěn)定性好的材料(如SiN)作為掩模材料，用電子束曝光的方法制作納米量級(jí)的掩模，掩模必須刻透而且要盡量薄(小于1mm)。平行原子束在垂直穿過掩模時(shí)受到橫向調(diào)制，只有束掩模上鏤空的地方才可透過原子，原子沉積在基底(如硅片)上形成納米結(jié)構(gòu)。通過更換基底實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)的批量制作。若是亞穩(wěn)態(tài)惰性氣體原子(如He原子)，則需用直流高壓(如1000V)放電的方法產(chǎn)生原子束，基底上必須有特殊膜層(如自組裝單分子膜)，亞穩(wěn)態(tài)原子破壞基底上的特殊膜層，再結(jié)合刻蝕工藝制作納米結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種批量制作納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于采用激光冷卻的方法對(duì)原子束進(jìn)行橫向高度準(zhǔn)直，原子束在穿過束掩模時(shí)受到橫向調(diào)制，具體包括下列步驟(1)原子束首先通過準(zhǔn)直孔進(jìn)行初步準(zhǔn)直，由傳播方向相反、振動(dòng)方向互相垂直的線偏振光形成線偏振激光梯度場，對(duì)原子束進(jìn)行橫向冷卻達(dá)到高度準(zhǔn)直的目的；(2)經(jīng)過準(zhǔn)直的原子束在穿過束掩模時(shí)受到橫向調(diào)制，原子沉積在基底上或破壞基底上的特殊膜層形成納米圖形，通過更換基底可實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)的批量制作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種批量制作納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所述的用于對(duì)原子束進(jìn)行調(diào)制的掩模必須鏤空。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種批量制作納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所述的用于納米結(jié)構(gòu)制作的原子是固體材料原子，或處于亞穩(wěn)態(tài)的惰性氣體原子。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種批量制作納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所述的固體材料原子為Au、Al、Si、Cr、Fe。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種批量制作納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所述的處于亞穩(wěn)態(tài)的惰性氣體原子為He、Ne、Ar、Xe。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種批量制作納米結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所述的基底上的特殊膜層為自組裝單分子膜。
7.一種批量制作納米結(jié)構(gòu)的裝置，其特征在于包括真空室(1)、原子源(2)、準(zhǔn)直孔(4)、振動(dòng)方向互相垂直的線偏振光(5)、束掩模(7)和基底(8)，原子束(3)從原子源(2)噴出，通過準(zhǔn)直孔(4)進(jìn)行初步準(zhǔn)直，接著進(jìn)入由傳播方向相反、振動(dòng)方向互相垂直的線偏振光(5)形成的線偏振激光梯度場，利用該激光梯度場對(duì)原子束進(jìn)行橫向冷卻達(dá)到高度準(zhǔn)直的目的，平行原子束(6)在穿過束掩模(7)時(shí)受到橫向調(diào)制，原子沉積在基底(8)上或破壞基底(8)上的特殊膜層形成納米結(jié)構(gòu)(9)，通過更換基底(8)便可實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)的批量制作。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的批量制作納米結(jié)構(gòu)的裝置，其特征在于所述的用于納米結(jié)構(gòu)制作的原子是固體材料原子，或處于亞穩(wěn)態(tài)的惰性氣體原子。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的批量制作納米結(jié)構(gòu)的裝置，其特征在于所述的固體材料原子為Au、Al、Si、Cr、Fe。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的批量制作納米結(jié)構(gòu)的裝置，其特征在于所述的處于亞穩(wěn)態(tài)的惰性氣體原子為He、Ne、Ar、Xe。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種批量制作納米結(jié)構(gòu)的方法及其裝置，用線偏振激光梯度場對(duì)原子束進(jìn)行橫向高度準(zhǔn)直，原子束在穿過掩模時(shí)受到橫向調(diào)制并沉積在基底上(或破壞基底上的特殊膜層)形成納米結(jié)構(gòu)；制作納米結(jié)構(gòu)的裝置由真空室、原子源、準(zhǔn)直孔、振動(dòng)方向互相垂直的線偏振光、原子束掩模等構(gòu)成。該方法具有分辨力高、可批量制作、成本低、效率高、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于量子阱、量子線、量子點(diǎn)、新型納米器件制作和半導(dǎo)體物理理論研究等方面。
文檔編號(hào)H01L21/00GK1740089SQ20041000948
公開日2006年3月1日 申請(qǐng)日期2004年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月27日
發(fā)明者陳獻(xiàn)忠, 姚漢民, 陳旭南 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所