前沿| 亚10纳米加工：方法和应用

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可靠地加工亚10纳米特征尺寸的结构对纳米科学和纳米技术的发展具有重要意义。随着CMOS芯片的制造进入亚10纳米技术节点，亚10纳米加工不仅成为IC芯片性能不断提升的技术驱动力，而且促进了系列新器件、新应用（如纳米光学、生物传感和量子器件）的研究。但是，这些新应用受加工成本、兼容性和其他外部因素制约，当前最为先进CMOS制造工艺无法直接嫁接至这些新器件应用的亚10纳米加工中。因此，在过去的几十年里，科研人员针对亚10 nm尺度的不同器件应用开发了众多加工方法。近期，湖南大学机械与运载工程学院的段辉高教授团队在《极端制造》国际期刊(International Journal of Extreme Manufacturing)上以“Sub-10-nm Fabrication: Methods and Applications”为题发表了综述文章，对亚10纳米的制造方法及其相关应用进行了系统地总结。

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自费因曼的“There is still plenty of room at the bottom”预言伊始，在过去的60余年中纳米科技蓬勃、快速地发展，而纳米加工技术是推动纳米科技发展最为关键的动力，不仅使得电子芯片与器件性能持续提升，而且激励了光子、生物、量子等新型器件的快速开发。在纳米加工技术应用中，最令人瞩目的是集成电路产业。经过几十年摩尔定律的发展，集成电路制造已进入亚10纳米技术节点。除集成电路制造外，亚10纳米加工还可以拓展至一些商用非CMOS器件制造中，并且提高其性能，例如X射线波带片、DNA纳米孔测序装置、超导纳米线单光子探测器、超高频声表面波器件等。在基础研究领域中，具有亚10纳米尺度的材料和结构(例如：纳米晶体、量子点、纳米间隙等)也为新兴纳米器件带来了许多新颖有趣的特性。因此，亚10纳米制造可被视为一个既能够扩展摩尔定律又能够探索基础研究中有趣现象和效应并开发新概念器件的技术平台。

图1介绍了亚10纳米加工在集成电路芯片、等离激元增强光谱、高灵敏传感、场发射、基因测序和量子器件等领域的应用。考虑到面向IC行业的CMOS技术已经非常成熟，本综述的主要内容是总结非CMOS工艺及方法，因为它们不仅丰富了亚10纳米加工方法，而且与CMOS方法相比，在分辨率、效率或成本方面具有互补优势，故在图1中还主要归纳了三类亚10纳米加工方法：光刻方法、力学驱动方法，以及后精修策略。

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主要的亚10纳米加工技术分为三种：包括基于光刻的方法，力学方法和后精修的方法。虽然基于光刻的方法仍然是主流，但它们通常具有分辨率有限或成本高的局限性。力学驱动的方法和后精修的方法提供了智能解决方案，以补充基于光刻的方法，后者有时具有更高分辨率或更低成本的优势，特别是在基础研究和非CMOS器件应用中。

在各种制造技术中，光刻技术是最常用的图形化技术，其具有高分辨的加工能力，结合后续的增材或减材图形转移工艺（如薄膜沉积和刻蚀），将光刻胶上的高分辨图形转移至各种功能材料上。运用光刻技术加工亚10纳米结构通常可分为两条技术路线：一是直接提升光刻分辨率至亚10纳米尺度，二是通过巧妙的图形转移方法实现亚10纳米特征结构的制备。如图2所示，作者主要将其归纳如下：

1. 无掩模直写技术(聚焦电子束和聚焦离子束)(图2a)

2. 嵌段共聚物导向自组装技术 (图2b)

3. 纳米压印技术 (图2c)

4. 扫描探针光刻(Tip-based nanofabrication) (图2d)

5. 线描轮廓曝光工艺(“Sketch and Peel” strategy) (图2e)

6. 巧妙的图形转移技术(Smart pattern-transfer approaches) (图2f)

在同时兼顾分辨率和效率的情况下，使用单一方法或技术进行亚10纳米加工是十分困难的。在面对很多应用需求时，亚10纳米加工通常是采用两种或两种以上互补方法的结合，通过粗加工快速、高效加工纳米结构，以增材或减材后精修的方式加工目标亚10纳米关键特征。如图4所示：

1. 增材后精修（例：多层分子自组装精细控制金属纳米线宽）(图4a)

2. 减材后精修（例：聚焦氦离子束修剪金纳米棒制备纳米间隙）(图4b)

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亚10纳米加工技术除了在CMOS芯片领域取得了举世瞩目的成就，还在各种纳米光学器件、纳米电学器件、纳米光电子器件等其它高性能或新概念器件领域有广泛的应用前景。如图5所示，作者主要列举了以下五种典型的应用：

1. 等离激元纳米间隙增强光谱 (图5a)

2. 纳米间隙电极（窄沟道电子器件和超灵敏传感）(图5b)

3. 纳米针尖的场发射应用(图5c)

4. 纳米孔基因测序 (图5d)

5. 量子器件（包括基于量子限域效应的器件和量子隧穿器件）(图5e和图5f)

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