上世紀(jì)五十年代末期，諾獎得主、物理學(xué)鬼才理查德費曼在加州理工學(xué)院的物理年會上，作了題為《There's Plenty of Room at the Bottom》的報告，具前瞻性地提出了他對于納米尺度操作及控制的框架性想法，并由此開啟了無數(shù)科研工作者在納米尺度上探究物質(zhì)奧秘并通過相關(guān)的納米技術(shù)來改變、造福人類的道路。
同樣是在上世紀(jì)五六十年代，采用平面處理工藝批量制備晶體管的策略出現(xiàn)，由此開啟了集成電路產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。摩爾博士在六十年代中期提出了著名的摩爾定律“當(dāng)價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍”。而其中元器件數(shù)量的增多，是通過不斷縮小元器件的關(guān)鍵尺寸來實現(xiàn)的。
不論是在納米尺度上進(jìn)行探索，或是與人們生活息息相關(guān)的集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展，都需要制備各種各樣的納米結(jié)構(gòu)、納米功能單元或納米器件。而在制備各類納米結(jié)構(gòu)的過程中，為重要的操作就是通過光刻來實現(xiàn)在不同的材料上定義圖案區(qū)域。目前，在工業(yè)上，先進(jìn)的EUV光刻機(jī)具備7 nm技術(shù)節(jié)點的制備工藝中所需的圖形加工能力，但其單值高，比一架F-35戰(zhàn)斗機(jī)的價格還會高出不少。
對于科研工作者來說，目前通常采用的基于光學(xué)曝光原理的科研光刻設(shè)備（科研的無掩模曝光系統(tǒng)、掩模對準(zhǔn)式曝光系統(tǒng)等），能夠?qū)崿F(xiàn)的圖形加工分辨率一般在微米尺度或亞微米尺度。而隨著研究對象尺度的不斷減小，對納米尺度結(jié)構(gòu)構(gòu)筑的需求，上述基于光學(xué)曝光原理的科研光刻系統(tǒng)顯然是不能夠完全滿足的?；诰劢闺娮邮㈦x子束的各類圖案化加工設(shè)備，比如電子束光刻系統(tǒng)、聚焦離子束系統(tǒng)等，能夠有效滿足科研中對于納米尺寸的圖形加工需求。然而，由于電子束流和離子束流需要聚焦，這類設(shè)備通常由較為復(fù)雜的電子光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成，因此價格相較于上述科研光學(xué)光刻設(shè)備要高出很多（即使是科研的電子束曝光系統(tǒng)，其單值也遠(yuǎn)超科研的光學(xué)曝光設(shè)備）。另一方面，聚焦電子束、離子束系統(tǒng)的復(fù)雜性也對操作人員和設(shè)備維護(hù)人員提出了較高的要求。
圖1 熱掃描探針光刻系統(tǒng)誘導(dǎo)材料局部變化的三種機(jī)制
在科研領(lǐng)域中，掃描探針光刻（thermal scanning probe lithography）是另一種頗受關(guān)注的圖案化工藝方案，能夠?qū)崿F(xiàn)納米（甚至原子的）圖案制備的需求，其核心思路是通過納米針尖誘導(dǎo)材料表面局部的改性來實現(xiàn)圖案化。納米針尖誘導(dǎo)材料表面改性的機(jī)制有很多種，包括力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、擴(kuò)散等等，也由此產(chǎn)生了許多不同的掃描探針光刻技術(shù)。在諸多的掃描探針光刻技術(shù)中，熱掃描探針光刻技術(shù)（thermal scanning probe lithography，t-SPL）是近年來發(fā)展起來的一種可快速、可靠、高精度地實現(xiàn)納米圖案化工藝，其技術(shù)核心是利用加熱針尖的熱能來誘導(dǎo)局部材料的改性。通常，熱是材料轉(zhuǎn)化中較為普遍的驅(qū)動因素，在很多材料中能誘導(dǎo)結(jié)晶、蒸發(fā)、熔化等改性現(xiàn)象。在納米尺度上，由于只有很小的體積被加熱，所以材料改性的特征時間是以納秒量來計算的。因此，加熱幾微秒就足以改變針尖下的材料。對于刻寫速度而言，懸臂梁的機(jī)械掃描運動成為圖案化工藝速度方面的主要限制。然而，憑借掃描探針領(lǐng)域良好的技術(shù)積累，目前可以實現(xiàn)高達(dá)20 mm/s的刻寫速度，能夠滿足大多數(shù)科研上的圖案化制備工藝需求。同時在微納圖案結(jié)構(gòu)的加工精度及分辨率方面，熱掃描探針光刻技術(shù)可以實現(xiàn)特征線寬在10 nm以下的微納結(jié)構(gòu)的制備。
圖2 利用熱掃描探針光刻進(jìn)行熱敏抗刻蝕劑的圖案化工藝后，結(jié)合各類工藝實現(xiàn)的微納結(jié)構(gòu)及器件案例
作為一種高精度圖案化工藝設(shè)備，近些年來熱掃描探針光刻技術(shù)得到飛速發(fā)展，然而很多研究人員還比較陌生。著眼于此，洛桑聯(lián)邦理工的S. T. Howell博士以及瑞士Swisslitho的F. Holzner博士撰寫了綜述《Thermal scanning probe lithography—a review》（已于2020年4月6日刊載在NPG旗下期刊Microsystems & Nanoengineering，詳細(xì)信息可參考鏈接https://doi.org/10.1038/s41378-019-0124-8），Howell等人向大家詳細(xì)介紹了熱掃描探針光刻的歷史、原理、圖案轉(zhuǎn)移工藝以及在基于新型低維材料的微納電子器件、自旋電子器件、光子學(xué)微納結(jié)構(gòu)、微納流控、微納機(jī)電等領(lǐng)域的應(yīng)用案例。
圖3 利用熱掃描探針光刻進(jìn)行定域材料轉(zhuǎn)換的應(yīng)用案例
另一方面，不同于很多新型光刻策略還停留在實驗室中，瑞士Swisslitho公司已經(jīng)成功將熱掃描探針光刻技術(shù)商品化，名為NanoFrazor。在國內(nèi)外的諸多用戶當(dāng)中，已有不少基于NanoFrazor制備的結(jié)構(gòu)而開展的研究，相關(guān)結(jié)果也都發(fā)表在了Science、Nature、PRL、等高水平期刊上。
圖4 熱掃描探針誘導(dǎo)的增材工藝的應(yīng)用案例
