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奈米製造技術

93/02/03 瀏覽次數 8559
奈米科技是目前深受矚目的研發領域,其中奈米材料是奈米科技發展的基石,故吸引材料、物理、化學、化工及生物各領域研究人員積極投入。奈米製造技術則是具體實現應用在電子、光電、機械、生物方面各式奈米元件的基礎製程技術,是提高元件密度及增進奈米系統優越性能的前提,也是降低單一元件成本必經的途徑。

另一方面,除了呈現傳統材料結構及製造技術的微細化外,奈米材料特有的性質及其前瞻的製造方法,也讓奈米科技的發展更多元化,對於奈米科技的產業化進程產生深遠的影響。

奈米製造技術為了製作具特定功能,並符合結構要求的元件,首先必須能完美地轉移所設計的奈米圖案,然後再以薄膜沉積、材料移除、基板改質等方式,逐一進行各層材料的處理後予以完成。

目前主要的微米及奈米製造技術有兩種:一種是已廣泛使用的微製造技術,採用類似傳統雕刻方式,由大而小逐一進行材料的沉積、移除、改質;另一種方式則是依賴粒子自我組織的能力,採用由小而大的組裝方式,完成材料、元件及系統的製造。

對於前者而言,目前微電子相關的製造技術,已是相當成熟且具代表性的方法。其發展由上一世紀六十年代的十幾至數微米大小,逐漸降低至0.2微米以下的技術能力。然而進行圖案化過程須曝光,當進入奈米尺度時則須使用波長更短的光源。由於目前此一範圍的光源尚在研發中,故可能阻礙奈米科技的發展。對於未來奈米科技的發展,一般預期由大而小的加工技術將面臨技術可行性及量產能力的考驗。另一方面,由小而大製程卻能同時處理大量物件,可能是更具競爭力的製程技術,其未來發展潛力深受矚目。

對於傳統微製造技術的變化,半導體界的摩爾定律(Moore's Law)有相當簡要的描述。摩爾(Gordon Moore)根據半導體技術發展與產業變化,提出「半導體晶片上元件的數目每18個月增加一倍,但價格不變。」

以動態隨機存取記憶體(DRAM)技術發展為例,在一九七○年左右其容量僅達 1 K,但至一九九五年為止已達 256 M,且幾年後已有廠商研發出 1G 的容量,同時製程技術也由當年的 10 微米左右,降至一九九五年的 0.35 微米,甚至目前的 0.2 微米以下。顯示微製造技術對於提高半導體元件密度及降低元件成本的貢獻,但也說明微製造技術難度與日俱增,其中關鍵就是進行圖案轉移的微影步驟。

數十年來微電子產業發展的最大特徵,即在圖案形成過程中,圖形轉移步驟所需曝光光源波長不斷地降低,以避免因光學繞射現象造成曝光失敗或圖形模糊。但是由微米級進入奈米級圖案,使用傳統的光學曝光方式,即將達到光源波長的極限。因此採用其他波長更小的光束或能量束勢在必行。隨著由微米元件進入奈米元件,亟需加強新一代曝光系統的研發,並使其儘快進入可量產的階段,才能配合奈米元件的發展腳步。

目前發展中,預定使用於小於一百奈米特徵尺寸所需的光源或能量束,包括極紫外線、X光、電子束、離子束及近接探針微影光刻術等。除配合曝光系統所需發展的光源外,與其搭配的光阻材料,以及所需的薄膜沉積技術及圖案蝕刻技術皆在積極發展中,但距離成熟階段仍有相當距離。

另一方面,為因應微細加工及奈米製造需要,傳統光學微影須再降低光源的波長以符合要求,但相關光源及周邊系統相當昂貴,且製作速度慢,未來勢必面臨經濟量產的難題。因此除以光學方式進行微影曝光外,回到古老工藝技術如印刷方式,或可提供較高的競爭力。

在此技術中,基板上圖案的形成不再用光學方法,而改用特定圖案的模子,以沾黏硫醇分子將其轉印至鍍金的基板上,或直接以較硬的剛性模子將圖案壓印在高分子蝕刻阻劑層上。前者為哈佛大學化學及生物化學系懷特賽(G. M. Whitesides)教授所開發的微接觸印刷技術,又稱為軟微影蝕刻;後者則是普林斯頓大學電機系周郁教授所開發的奈米壓印蝕刻技術。

上述兩種方法皆可順利達成圖案的製作,兩者皆具有快速、低成本的特性。但早期微接觸印刷技術受限於所使用材料的化學性質,因此僅能獲得約一百奈米的特徵圖案。經過這幾年的改進,其最高製程能力已可達一百奈米以下。至於奈米壓印技術,由於使用剛性模子,最高製程能力已達 25 奈米以下,甚至可繼續降至 10 奈米以下。

除了由大而小的製造方式外,大自然中物質以由小而大及自我組織方式生長,則是另一深受矚目的技術。尤其奈米科技處理的對象多而雜,如果僅靠由大而小的加工方式,可能力有未逮,因此突破習慣思維,或許能為奈米科技的產業化開闢一條坦途。

上一世紀六○年代,諾貝爾物理學獎得主費曼(R. Feynman)教授提出著名的演講〈底部還有很多空間〉(There is plenty of room at the bottom.),曾預先為奈米科技勾繪出一幅藍圖,他樂觀地期待經由移動一顆顆原子的方式,人類可按造自己意志排列原子或分子,將創造出令人驚豔的世界。這個想法至一九八一年才得以初步實現。該年掃描探針顯微鏡家族的第一位成員掃描穿隧顯微鏡(STM)出現,一方面協助人類直接觀察原子,另一方面也實現操縱單分子或原子的可能性。

掃描穿隧顯微鏡經由控制探針與材料表面微小距離,產生穿隧電流,而得以分析材料表面狀態。但此現象只有在導電性材料上才得以應用,經由定電流控制即可維持探針與材料表面的距離,因此由探針掃描一定範圍後,可將其軌跡經由數據處理為材料表面的輪廓圖。或藉由電場蒸發與沉積方式進行單一原子的操縱。IBM即曾以掃描穿隧顯微鏡探針在銅金屬上移動鐵原子寫出目前最小的漢字「原子」。

為解決掃描穿隧顯微鏡僅能應用於導電材料的限制,並簡化其操作,適用性更廣的原子力顯微鏡(AFM)在一九八六年開發出來。原子力顯微鏡除可應用在奈米加工如奈米切削外,亦可用以充當奈米墨筆沾黏分子,直接進行圖案的書寫。亦可在適當探針操作模態下,藉以移動奈米粒子,進行微小物件的奈米製造,例如推動奈米顆粒至特定位置,完成奈米粒子陣列的製作等。

奈米結構的自我組織是利用較弱鍵結或方向性較低的氫鍵、凡得瓦爾鍵及弱離子鍵等非共價鍵,經由其整體協調作用,將原子、離子或分子連結在一起。基於特定化學作用的影響,自我組織可以控制溶液中奈米粒子間的交互作用與結構,也可以在氣相沉積中,藉晶格失配所引起的成長應力形成量子點。

目前藉自我組織技術由溶液中所成長的量子點陣列,其量子點尺寸變異性的控制能力已優於一般高解析度光學微影蝕刻術所能及,且其採用化學反應性取代傳統蝕刻製程進行圖案製作,能降低對元件的損傷。自我組織技術是奈米電子、光電、生物、機械元件可選擇的製程,甚至被視為是製作單電子電晶體最具競爭力的量產技術之一。

科學家曾利用約五奈米的金顆粒,在其外圍包覆檸檬酸或硫醇分子,經自我組織方式在碳膜上形成規則六方形排列的單層奈米級金顆粒二維陣列,該粒子呈刻面狀。藉由有機分子的包覆,粒子所形成的陣列相當完整,甚至能切割重新安置於其他基板上。另一方面,該陣列的粒子間因為有機分子的存在,形成穿隧障礙,可作為單電子電晶體。或經由包覆分子的改質,作為奈米電子元件的連線。

控制光子的運動一直是科學工作者多年來努力的課題,光子晶體是達成上述目標的可行途徑之一。光子在介電常數周期性變化的介質中傳播,因光子與介質間的交互作用,形成光子能帶結構,其觀念類似電子在原子晶格中周期性勢場的運動,因此光子晶體可用以製作「光的半導體」,作為控制光子傳輸的元件。

目前光子晶體可利用機械加工、半導體微奈米製造、雷射干涉微影製造及材料的自我組織等方法製作。其中簡便且經濟的方法乃由單一直徑微球,如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或二氧化矽陶瓷微球堆積而得。但為了獲得具有適當光學特性的光子晶體,必須精密控制晶格結構、晶格常數、微球與空氣折射係數比值等因素。如果進一步期望能形成具有三維方向的完全能隙的光子晶體,僅靠高分子或二氧化矽與空氣間折射係數的比例仍不足,因此須將其他更高折射率的材料如鈦酸鋇等,填入上述結構的間隙中。

奈米製造是傳統微米製造技術的延伸,使圖案製造能力可達奈米層次。但傳統由大而小的製作方式,囿於曝光光源波長的限制,因此普遍行之於大自然物質生長的由小而大組裝方式,是未來極具發展潛力的製程。尤其自我組織方式能在短時間處理大量的材料,相當符合奈米製造的需求,其製程多樣性、簡便、低成本更具競爭優勢。

但鑑於自我組織方式是以材料的自發性規則排列為元件組裝的基礎,不易獲得大面積無缺陷的結構。因此就奈米製造的可能發展方向來說,結合成熟的半導體微製造技術進行基礎結構的製造,再輔以局部區域自我組織的奈米元件製作,應該是未來發展奈米功能性元件較可行且具競爭力的途徑。
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