扫描聚焦氦离子束用于高分辨率纳米压印模板制造及相关工艺的研究

Sub-10 nm nanolithography and nanofabrication technology is crucial to the future development of integrated circuit industry and the whole nanotechnology field. Recently developed helium ion beam lithography has demonstrated higher patterning resolution and lower proximity effect than conventional electron beam lithography. In the proposed project, we will aim at using helium ion beam lithography to fabricate high-resolution nanoimprint templates in order to combine the high-resolution and accurate patterning capability of helium ion beam lithography and the high throughput and low cost of nanoimprint lithography. We will systematically study fundametal scientific topics emerging from this combined approach.We will explore new methods for numerical modeling and experimental characterization of the interaction between energized helium ions and HSQ resist, and also apply latest AFM-based nanomechanical property characterization on HSQ nanostructures fabricated as the nanoimprint template. This research will reveal factors limiting the pattern resolution and mechanical strength of HSQ template structures exposed by focused helium ion beam.Based on this study, we will explore methods to improve template resolution, pattern transfer accuracy and template lifetime. This proposed project is a combination of advanced nanofabrication technology, nanomechanic property characterization, and modeling of nanostructure properties. It does not only make important contribution to the development of advanced nanolithography technology, but also provides a unique platform to study a number of fundamental scientific topics including micro/nanoscale structure mechanics, nanomaterial properties, and interaction between energized ions and matters.

研究用于亚10纳米图案的高分辨率光刻制造工艺对于集成电路制造及整个纳米技术领域都具有重要的应用价值。本课题利用新型氦离子束光刻初步表现出来的在分辨率及近邻效应等方面优于传统电子束光刻的性能，系统研究将其用于制造高分辨率纳米压印模板并通过纳米压印技术复制精细纳米图案时存在的基础科学问题。通过对氦离子与光刻胶相互作用进行仿真研究与实验验证，并将基于原子力显微镜的纳米力学测量技术用于模板纳米结构力学性质测量，揭示制约氦离子束光刻所制造压印模板分辨率及机械强度的物理机制，探索进一步提高模板分辨率、压印图案精度及模板使用寿命的技术方案。本项目有机结合了先进纳米制造工艺、力学性能测量、以及理论数值建模，不仅对纳米光刻技术的发展具有重要的应用价值，也提供了一个研究微纳尺度下材料力学性质的独特平台。

本项目针对聚焦氦离子束光刻技术用于高分辨率纳米压印模版制备的关键科学与工艺问题以及高分辨率纳米压印的关键工艺及机理进行研究。聚焦氦离子束光刻技术以及高分辨率纳米压印技术是未来集成电路光刻制造以及微纳结构制备与研究的重要工具，本项目在这些相关领域的研究成果具有重要的科学与应用价值。首先，本项目对新型氦离子束光刻实验中初步表现出来的在分辨率及近邻效应等方面优于传统电子束光刻的优良性能进行深入研究，在实验上制备了高分辨率的交联HSQ纳米压印模版，并通过对氦离子与光刻胶相互作用进行仿真研究与实验验证，发展了可视化表征氦离子与光刻胶相互作用区的实验方法；其次，本项目对氦离子束光刻技术制备的HSQ纳米压印模版进行了初步的机械强度测量，获得了交联HSQ纳米结构力学性能与曝光量的关系；另外，通过分析高分辨率纳米压印模版，特别是亚10纳米尺度模版在压印过程中的机械应力与形变，探索了提高模板分辨率、压印图案精度及模板使用寿命的技术方案。除原计划的研究工作外，本项目实施过程中根据发现的新现象、新机理，开展了多项拓展工作，包括：1. 通过对氦离子与光刻胶相互作用区进行可视化及数值建模，发展了一种新型的纳米尺度三维制造方法；2. 通过将氦离子光刻应用于金刚石材料中，发展了一种新型的高分辨率氮-空位色心制备方法，并应用于与国内外多个研究组的合作中；3. 基于本项目建立的压印实验条件，也促进了课题组在金属微纳结构制备等其他项目中的工作，产生了较好的科研成果。