1965 年，Intel公司創(chuàng)始人之一Gordon Moore 在整理數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的趨勢：芯片集成的晶體管的數(shù)量每年增加一倍。他把這一現(xiàn)象發(fā)表在題為“Gramming More Compnents Onto Integrated Circuits”的報(bào)告中，這就是著名的摩爾定律。后來根據(jù)集成電路的實(shí)際發(fā)展情況，在1975年IEEE電子組件大會上，Moore把“每年增加一倍”修改為“每兩年增加一倍”。在此基礎(chǔ)上，Intel 首席執(zhí)行官David House又將時(shí)間周期改為18個(gè)月?，F(xiàn)在一般把摩爾定律表述為“集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，大約每隔18 個(gè)月便增加一倍”。

雖然摩爾定律最初是對集成電路發(fā)展趨勢的歸納總結(jié)，但自其提出后，隨著其預(yù)言不斷的獲得驗(yàn)證，它反過來開始牽引整個(gè)集成電路行業(yè)的發(fā)展，引導(dǎo)著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)長期規(guī)劃和目標(biāo)設(shè)定。

在信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，如果期望在固定空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多的功能，就需要各種功能的微型化和集成化器件。

隨著微納制造技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)開發(fā)了很多種微光學(xué)器件的制備方法，主要有紫外曝光技術(shù)、電子束曝光技術(shù)、納米壓印技術(shù)和聚焦離子束刻蝕技術(shù)等等。

這些微納制造技術(shù)在加工效率，加工精度，加工流程的復(fù)雜程度等方面存在比較大的差異。本部分將簡單介紹目前主流的微納加工技術(shù)的加工能力以及各自的特點(diǎn)。

（1）紫外曝光技術(shù)

紫外曝光技術(shù)通常被稱為光刻技術(shù)，是目前制造大規(guī)模集成電路和半導(dǎo)體器件的核心技術(shù)。其基本組成包括了光源系統(tǒng)，掩模板系統(tǒng)，樣品工作臺和控制系統(tǒng)等。

其中光源系統(tǒng)是紫外曝光設(shè)備中最重要的組成部分，決定了紫外曝光的精度。通過特定的紫外波段曝光、顯影和刻蝕等工藝流程，將掩模板上制定的集成電路圖案刻寫在硅基片上。

集成電路的結(jié)構(gòu)通常是多層的，后續(xù)曝光的圖形需要和前面已經(jīng)刻蝕的圖形對齊，這要求非常高的套刻精度。紫外曝光技術(shù)具有大面積加工、易操作、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，半導(dǎo)體工藝和科學(xué)研究中有著廣泛的應(yīng)用。

然而紫外曝光技術(shù)難以制備任意復(fù)雜的三維微結(jié)構(gòu)，需要多次曝光和刻蝕，并且掩模板制作過程繁瑣，導(dǎo)致加工周期變長，加工成本急劇上升。

（2）電子束曝光技術(shù)

電子束曝光技術(shù)是用電子束加工精細(xì)化結(jié)構(gòu)的技術(shù)。電子束質(zhì)量大，波長很小，因此電子束曝光技術(shù)具有非常高的加工精度，加工分辨率通常為1nm到10 nm。

電子束曝光技術(shù)有著超高的精度并且無需掩模板，微光學(xué)器件加工中具有不可替代的作用。

但因其高昂的價(jià)格和較慢的加工速度，無法大規(guī)模制造微光學(xué)器件。此外，在曝光過程中存在電子散射，鄰近效應(yīng)等復(fù)雜現(xiàn)象，這對設(shè)備前期調(diào)試和人員的操作培訓(xùn)有相對高的要求。

（3）納米壓印技術(shù)

前面介紹的紫外曝光技術(shù)和電子束曝光技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的加工，在小批量的生產(chǎn)中和科學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用。然而由于其設(shè)備昂貴復(fù)雜，加工效率低，使其無法應(yīng)用在大批量生產(chǎn)中。

而納米壓印技術(shù)的出現(xiàn)正是為解決大規(guī)模制造問題，并且憑借其高效率、低成本和大面積制備的優(yōu)勢彌補(bǔ)了曝光技術(shù)的缺點(diǎn)。

納米壓印技術(shù)的原理是將制備好的模板放置在聚合物材料上，然后通過紫外光或者熱固化等方式，形成和模板一樣的結(jié)構(gòu)，加工精度可達(dá)5 nm，被廣泛應(yīng)用于微光學(xué)器件，生物芯片，傳感器和超密度存儲等領(lǐng)域。

納米壓印的不足之處在于只能在大而平整的表面制造二維結(jié)構(gòu)，無法制作復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，并且只能加工熱塑料和光刻膠等有機(jī)聚合物材料，無法對硬質(zhì)材料進(jìn)行加工。

（4）聚焦離子束刻蝕技術(shù)

聚焦離子束刻蝕技術(shù)是在裝有液態(tài)離子源的離子柱頂端加上一個(gè)強(qiáng)電場，導(dǎo)引出帶有正電荷的離子，通過離子柱中可控的偏轉(zhuǎn)裝置，將高能離子束聚焦到目標(biāo)樣品的表面，通過精確控制離子束的掃描，能實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的高精度加工。聚焦離子束具有非常高的精確度和靈敏度，并且?guī)缀鯖]有鄰近效應(yīng)，可以加工復(fù)雜的微納結(jié)構(gòu)。

但是聚焦離子束刻蝕技術(shù)制備微結(jié)構(gòu)的尺寸受到加工時(shí)間的限制，同時(shí)刻蝕深度和離子源的使用壽命，也是非常重要的影響因素。

（5）飛秒激光直寫技術(shù)

飛秒激光直寫光刻技術(shù)是一種利用曝光強(qiáng)度可控的激光束對抗蝕劑施加變劑量曝光，并在顯影后得到具有期望形貌微結(jié)構(gòu)的 3D 光刻技術(shù)。該技術(shù)可以通過計(jì)算機(jī)對激光的曝光位置與曝光強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)字化控制，實(shí)現(xiàn)對光刻膠的變劑量曝光，因此具有很高的制造靈活性。下圖為傳統(tǒng)的激光直寫光刻設(shè)備的工作原理示意圖。

激光器出射激光，經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)對光束的光強(qiáng)和通光量進(jìn)行調(diào)控。最后，物鏡將光斑匯聚到光刻膠上表面。計(jì)算機(jī)同時(shí)對激光器的出射激光功率以及二維移動平臺的運(yùn)動進(jìn)行控制，從而控制激光束的曝光能量和位置。最后，對經(jīng)過數(shù)字化曝光的光刻膠顯影，即可得到具有期望形貌的3D微結(jié)構(gòu)。

由于微納器件功能越來越多樣化，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，市場需求量大，迫切需要一種能同時(shí)滿足低成本、高效率，可以大規(guī)模生產(chǎn)的三維微納制造技術(shù)。

而由上面介紹的幾種常見的微納制造技術(shù)可知，納米壓印技術(shù)以其高效率、低成本的特點(diǎn)，可以用于大規(guī)模的生產(chǎn)中，但是只適用于二維微納結(jié)構(gòu)的制備，對于制備三維微納結(jié)構(gòu)無能為力。

紫外曝光技術(shù)、電子束曝光技術(shù)以及聚焦離子束刻蝕技術(shù)雖然可以通過多次曝光和刻蝕的方法制造三維微納結(jié)構(gòu)，但是這會導(dǎo)致工藝復(fù)雜，耗費(fèi)時(shí)間過長，導(dǎo)致成本過高。而飛秒激光直寫技術(shù)具有低成本，高精度，高效率的優(yōu)勢，并且可以輕松實(shí)現(xiàn)三維微納結(jié)構(gòu)的制備，恰好同時(shí)滿足了目前微光學(xué)器件所需要的制備條件，這極大的促進(jìn)了微光學(xué)器件的發(fā)展和應(yīng)用場景。

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