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

    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寫技術(shù)，同時要避免對基底材料的損害。來自IBM實驗室的Rawlings等人利用SwissLitho公司生產(chǎn)的3D納米結(jié)構(gòu)高速直寫機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功能，制備出一種室溫下基于點接觸隧道結(jié)的單電子晶體管（SET）。

    利用掃描探針可以確定焦距下的Z向位置，同時確定掃描探針和激光直寫的位置補償，研究人員在兼顧高分辨和高效率書寫條件下得到小于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，進而形成量子點（QDs）。量子點上電子尺寸微小且局域性強，保證了SET在室溫情況下的穩(wěn)定運行。溫度測量結(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，主要以隧道電流為主。

    在硅基量子點器件的制備過程中，內(nèi)部精細的功能器件區(qū)域一般要求高分辨率書寫，但是在外部電極相對粗糙的連接處僅需要高效的相對低分辨率刻蝕，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寫技術(shù)結(jié)合應用會增加工作量，同時帶來圖形轉(zhuǎn)移過程的位置偏差和對樣品表面的污染。在本工作中，3D納米結(jié)構(gòu)高速直寫機NanoFrazor系統(tǒng)將激光直寫技術(shù)與高分辨熱探針書寫技術(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)實現(xiàn)高分辨率區(qū)域的圖形書寫，而利用激光直寫技術(shù)實現(xiàn)低分辨率區(qū)域的快速書寫（如圖2a所示， 藍色區(qū)域為激光直寫區(qū)域，深綠色區(qū)域為熱探針書寫區(qū)域），最后實現(xiàn)一次性書寫整體圖形的高效性，同時避免了不必要流程所導致的表面污染和位置偏差。

圖1：a) 熱探針和激光透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。b) 熱探針連接在Z向壓電傳感器和位移臺上，平行激光經(jīng)透鏡聚焦在樣品表面。通過攝像頭收集反射光實現(xiàn)樣品成像，利用探針和激光的位置補償進行表面書寫。

圖2：單電子器件（SET）的制作工藝流程示意。a) 器件圖形示意，粉色區(qū)域為制備SET前的預圖形書寫區(qū)域。圖形中央30μm×30μm區(qū)域中包含利用激光直寫區(qū)域（藍色）和利用熱探針技術(shù)書寫區(qū)域（深綠色）；b) 位置校準示意；c) 對書寫區(qū)域進行定位。d) 利用熱探針技術(shù)進行高分辨率書寫（圖2a中深綠色區(qū)域）；e) 利用激光直寫技術(shù)進行低分辨率快速書寫（圖2a中藍色區(qū)域）；f) 利用RIE實現(xiàn)圖形向硅層轉(zhuǎn)移；g) 通過熱氧化得到器件通道中的點接觸通道。

    IBM專門研發(fā)設計的NanoFrazor 3D納米結(jié)構(gòu)高速直寫機所采用的針尖是具有兩個電阻加熱區(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0.1nm。因此，在每行直寫進程結(jié)束后的回掃過程中，并不是通過針尖起伏反饋形貌信息，而是通過熱導率傳感器感應形貌變化，從而實現(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)高速直寫機與傳統(tǒng)的微納加工設備，如納米醮印、激光直寫、聚焦離子束刻蝕FIB、電子束誘導沉積、電子束光刻EBL等技術(shù)相比，具有高直寫精度 (XY: 最高可達10nm, Z: 1nm)以及高直寫速度（20mm/s 與EBL媲美），具備實時形貌探測的閉環(huán)刻寫技術(shù)以及無需標記拼接與套刻等獨特技術(shù)優(yōu)勢。加上其性價比高，使用和維護成本低，易操作等特點，成為廣受關注的納米加工設備。

拓展閱讀：
Fast turnaround fabrication of silicon point-contact quantum-dot transistors using combined thermal scanning probe lithography and laser writing
C. Rawlings, Y. K. Ryu, M. Rüegg, N. Lassaline, etc.
DOI: 10.1088/1361-6528/aae3df