SEM中电子束诱导的金属纳米线直写方法研究

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发展纳米技术、抢占发展先机,不仅是我国提升国家高端制造业核心竞争力的重要手段,也是促进我国工业转型升级,迈向制造强国的必要途径。而纳米制造技术在纳米技术中占有重要地位,近年来引起了广泛的关注并得到了快速的发展。但是,目前在纳米制造领域内并没有成熟的纳米互连加工技术。纳米互连技术对发展纳米集成电路和纳米电子器件具有重要的意义。以扫描电子显微镜( Scanning Electron Microscope ,SEM)为基础的电子束加工技术,是一种简单、高效、精密的纳米制造方法。作为电子束在纳观尺度下的新应用技术,电子束诱导金属纳米线直写技术具有精度高、直接书写、可控性好等特点,能够实现多种金属纳米线直写,进而实现图案化直写,为制造出高精度和高性能的纳米电子器件以及纳米集成电路提供了一种新的解决方法,并在纳米集成电路、纳米互连领域等方面有着非常广阔的应用前景。本文提出了一种采用电子束诱导直写的技术将金属纳米线直写出来。在此基础上,通过第三方软件实现了电子束诱导金属纳米线的自动化直写的纳米技术。本文主要研究内容如下:  (1)研究电子束与金属纳米颗粒的能量作用机理,建立电子束热场分布模型,分析电子束直写过程中微观力相互作用,为本文奠定了坚实的理论基础。首先,基于扫描电子显微镜的工作原理分析了电子束能量与金属纳米颗粒能量传递的过程。其次,基于波函数统计解释以及中心极限定理对电子束的热场分布进行了数学解释,建立了电子束的热场分布数学模型。当实验条件为:加速电压U=20kV,电子束电流I=49.5μA,工作距离 WD=4.3mm ,金属纳米颗粒表面电子束能量密度的理论值为qs=3.7×105W/μm2,达到了电子束诱导金属纳米线直写的有效能量密度。最后分析了在电子束诱导金属纳米线的直写过程中,电子束对金属纳米颗粒的静电力、金属纳米线与基底之间的粘着力以及金属纳米线的表面张力的相互作用并建立了力学模型。  (2)基于超声分散的原理,对分散金属纳米颗粒的工艺参数进行研究并通过实验论证,优化了超声分散的实验参数,减少了金属纳米颗粒的团聚,获得较好的金属纳米颗粒分散结果,为电子束诱导金属纳米线直写提供原材料。  (3)对Ag、Cu、Au、Al、Pt、Pd六种金属在不同电子束诱导时间进行金属纳米线直写,并对每种金属进行10组重复直写实验,实验的统计结果表明:在1~5min的时间内,Ag纳米线的长度为121~1136nm、Cu纳米线的长度为67~1025nm、Au纳米线的长度为 93~902nm、Al 纳米线的长度为 153~1328nm、Pt 纳米线的长度为57~1140nm、Pd 纳米线的长度为 137~859nm。通过分析电子束诱导时间与金属纳米线长度的关系,得到了电子束诱导时间与同种金属纳米线长度呈正相关。在实现金属纳米线直写的基础上,进一步进行了简单图案化的Au纳米线直写实验,直写出了总长度为1459nm的“L”型Au纳米线和总长度为1880nm的“口”型Au纳米线。最后通过原子力显微镜对直写出的短线型、长线型、“L”型、“(∟)”型Ag纳米线进行三维形貌检测。实验结果表明,相同的实验条件下,电子束直写的Ag纳米线具备良好的均一性。  (4)以Micro Visual Studio为开发环境,通过编写软件实现了电子束诱导直线型和圆弧型的Ag纳米线自动化直写。并通过逐点比较插补的算法,削弱了纳米操作平台振动和扫描电子显微镜成像漂移对电子束运动路径的影响,减小了纳米线与预定轨迹的误差,优化了自动化直写实验结果,实现了平面内0~360°任意方向的Ag纳米线直写和半径为207nm的Ag纳米圆弧直写。
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