NanoFrazor——纳米加工Z新技术攻略

科学技术不断发展的时代，功能结构的微纳米化不仅可以带来能源与原材料的节省，同时可以实现多功能的高度集成和生产成本的大大降低。微纳米加工技术主要分为直接加工技术和图形转移技术。直接加工技术有激光加工，聚焦离子束(FIB)刻蚀，Local Anodic Oxidation局部阳极氧化(基于AFM)，Dip Pen NanoLithography浸蘸笔纳米加工刻蚀等；图形转移技术主要分为三个部分：薄膜沉积，图形成像（必不可少），图形转移。作为微纳加工工艺的核心，图形生成工艺可分为三种类型：(1) 平面图形化工艺，探针图形化工艺，模型图形化工艺。平面图形化工艺的核心是平行成像特性，主要包括光刻技术(掩模，直写)，电子束曝光(EBL)；(2) 探针图形化工艺是利用高精度探针对样品或涂层进行逐点扫描成像技术，具有精度高，部分实现直写，3D加工等，代表技术有：热式扫描探针技术（NanoFrazor）；(3) 模型图形化工艺是利用微纳米尺寸的模具复制出相应的微纳米结构，典型工艺是纳米压印技术(NIL)，还包括模压和模铸技术。
虽然目前微纳加工技术众多，但能够实现纳米级(100nm以下)分辨率的结构加工仅有：聚焦离子束刻蚀(FIB)，纳米压印技术(NIL) 和电子束曝光(EBL)。聚焦离子束刻蚀(FIB) 采用聚焦后的离子束撞击材料表面并实现去除基体材料的目的，可实现3D纳米结构直写，适用材料广泛，但加工精度不高；纳米压印NIL采用具有纳米微结构的模板将其上的图形转移到其他材质上，效率高，但模板本身需要其他工艺制备，一般采用EBL，模板价格昂贵，无法修改图形，适用于大批量生产；电子束曝光利用聚焦电子束将胶体改性，经过显影Z高可实现10 nm精度的加工，是传统高精度加工的典范，但其价格昂贵，操作繁杂，临近效应使得两个结构无法贴近。

瑞士Swisslitho公司的 3D纳米结构高速直写机NanoFrazor采用IBM苏黎世研究ZX研发多年的热探针扫描刻写技术及新型的直写胶技术，创新地将基于热探针的纳米结构刻写和基于冷探针形貌读取相结合，实现高精度3D 纳米结构的直写和实时的形貌探测功能。该技术创新获得R&D杂志2015年R&D top 100大奖。NanoFrazor凭借其10 nm的加工精度和0.1 nm精度的形貌探测能力，成为纳米加工领域的Z新技术。

NanoFrazor技术特点：

背热式扫描探针：

Swisslitho采用特殊工艺，以Si材料制备背热式直写探针，其探针针尖直径小于5nm(图1)。通过改变针尖背部区域的掺杂量，实现电压控制下的局域加热，而探针其他位置不受影响。加热区温度高达1000℃，针尖温度可300-600℃。探针侧臂设计有热传感器用于形貌探测，形貌探测精度高达0.1 nm。

性能的直写胶PPA：

IBM苏黎世实验室开发的用于纳米加工的PPA直写胶(resist), 其特点在于当温度高于150℃，PPA会受热瞬间分解为有机分子单体，随着保护气排出。当加热的探针靠近PPA到一定范围，针尖附近的PPA会瞬间分解成气体分子，留下针尖形状的孔洞，而孔洞周围部分由于PPA热导率低而不受影响。有效避免了普通高分子材料的熔融堆积效应影响分辨率和针尖寿命。多个探针的孔洞组合，形成高精度图形，通过控制下针的深度，可以实现3D纳米结构的加工。

NanoFrazor书写的纳米结构欣赏：

3D高速直写的结构和世界吉尼斯纪录

制备在PPA胶和Si基底上的周期性结构

NanoFrazor无临近效应，非常容易制备临近的纳米结构，如蝴蝶结天线和周期性结构

NanoFrazor能够实现纳米线，二维材料涂胶后无标记物的定位和形貌观察，并实施特定方向的形状，器件，电极等设计

实现功能结构微纳米化的基础是先进的微纳米加工技术，微纳米加工中的更多技术细节的改善和优化是科研领域及仪器设备厂商不断追求的技术方向，NanoFrazor也在不断尝试更jing准、更便捷，成为性价比更高的、更具实力的3D直写设备。