使用闭环扫描系统的先进矢量纳米光刻

原子力显微镜（AFM）被广泛认为是一种用于无损成像样品表面形貌的强大工具。特别是，AFM被广泛用于表征纳米尺度下材料的各种机械、物理和化学性质。然而，AFM也可以用于操作样品。在这里，AFM探针成为一种在纳米分辨率下修改样品表面的工具。这种技术被称为纳米光刻（Nanolithography）。与传统的光刻技术（如聚焦离子束光刻和电子束光刻）相比，基于AFM的纳米光刻具有操作简便和经济高效的优势。在纳米光刻中，样品表面可以根据三种主要模式进行修改：设定点模式（力辅助光刻）、偏置模式（偏置辅助光刻）和Z扫描器模式（恒定高度光刻）。在设定点模式中，探针通过刮擦样品表面施加相对较大的力来机械变形样品表面，如图1（a）所示。因此，探针与样品之间的相互作用主要是机械性质。相反，偏置模式使用探针偏置电压在金属或半导体表面上生成图案。在环境中，探针施加的偏置和样品表面的water meniscus 可以引发氧化还原反应，导致接触区域的氧化，如图1（b）所示。最后，在Z扫描器模式下，可以通过控制Z扫描器位置来获得光刻图案。

图1.（a）设定点模式和（b）偏压模式光刻的示意图。

嵌套的光刻模式。Park Systems的纳米光刻技术提供了一个独立且方便的绘图编辑器，具有用户友好的界面，使用户能够轻松设计光刻图案（例如点、线、圆、矩形和多边形），而无需额外的图形设计软件。此外，还可以导入预先设计的图案（位图）并将其映射到样品表面上。图2（b）显示了使用设定点模式在聚碳酸酯表面上通过线条绘制生成的三种不同尺寸的圆形图案。为此，AFM探针按照矢量扫描中的光刻方向在表面上创建划痕，如图2（a）所示。划痕的深度和宽度取决于悬臂的力常数值、设定点、探针半径和绘制速度。图3展示了基于预先设计的图案（位图）的偏压模式光刻的一个例子。在图案化区域施加探针偏压，以在裸露的硅表面上创建氧化层。氧化还原反应需要在AFM探针处的水弯月面，这在环境条件下自然发生。光刻产生的氧化层的一般厚度约为1至2纳米，并且取决于探针偏压、湿度、探针半径和绘制速度。当将位图设计导入SmartLitho软件时，设计的颜色会转换为灰度，并且探针会以光栅扫描模式扫描表面，同时根据灰度级别施加不同的探针偏压，如图3所示。在图3（b）中，-10 V探针偏压被施加在光刻设计中最暗的区域，而在白色区域则不施加探针偏压。

图2.在聚碳酸酯表面上进行设定点模式光刻测量的示例。所使用的悬臂是具有80 N/m力常数的钻石涂层悬臂探针。扫描速率设置为0.5 Hz。对于力辅助光刻，高力常数的悬臂在获得足够的接触压力以永久变形样品并生成光刻图案方面很有用。

图3. 在裸露硅衬底上获得的偏压模式光刻示例。应用于最暗区域的针尖偏压为-10V。扫描速率设置为0.5Hz。

图4. 使用针尖偏压模式在PZT薄膜上进行畴切换。这些图像是在使用不同应用针尖偏压进行光刻后，通过压电力显微镜（PFM）模式获得的。设计中黑色区域的针尖偏压为+10V，白色区域为-10V，用于光刻。

纳米光刻技术也可用于研究铁电材料的畴切换。图4展示了基于偏压模式光刻在PZT薄膜上获得的图案。光刻后表面无高度差，然而，如图4所示，通过应用针尖偏压可以切换PZT的铁电畴。在传统纳米光刻中，可用的应用偏压电压范围为-10V至+10V。对于需要更高电压范围的应用，我们开发了高压纳米光刻模式，允许施加高达±175V的直流偏压。因此，Park Systems的纳米光刻技术提供了一套多功能且可定制的工具包，用于开发纳米结构和纳米系统，如纳米晶体管、纳米逻辑门、纳米机电系统（NEMS）以及药物合成和输送系统。