纳米测试技术及在微电子的应用

一、 课题名称

中文名：纳米测试技术及在微电子的应用

英文名：Testing technology and nanotechnology applications in microelectronics

二、 课题研究背景及分析

纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物。纳米技术兴起于20世纪80年代，随着它的逐步发展和完善，人类将必然在认识和改造自然方面进入一个前所未有的新阶段

三、 课题研究背景：

微/纳米技术作为当前发展最迅速，研究广泛、投入最多的科学技术之一，被认为是当前科技发展的重要前沿。在该科技中，微/纳米的超精密测量技术是代表性的研究领域，也是微/纳米科技得以发展的前提和基础。在微/纳测量领域，基础问题包括纳米计量、纳米测量系统理论与设计、微观形貌测量等方面，主要研究问题和方向为：基于扫描电子显微镜的精密纳米计量、微纳坐标测量机（分子测量机）、基于干涉的非接触微观形貌测量、基于原子晶格作刻度的X 射线干涉测量及其与光学干涉仪的组合原理、纳米测量系统设计理论和微纳尺寸测量条件的研究等。涉及的重要工程测量问题有：面向MEMS 和MOEMS 的微尺度测量、面向22 nm～45 nm极大规模集成电路制造的测量等。

无论是集成电路技术，还是微系统技术或纳米技术，其共同的特征是功能结构的尺寸在微米或纳米范围，因此可以统称为微纳米技术。微纳米技术依赖于微纳米尺度的功能结构与器件。实现功能结构微纳米化的基础是先进的微纳米加工技术。在过去50年中，正是微纳米加工技术的发展促进了集成电路的发展，导致集成电路的集成度以每18个月翻一番的速度提高。现代微纳米加工技术已经能够将上亿只晶体管做在方寸大小的芯片上。

除了集成电路芯片中的晶体管越做越小，微纳米加工技术还可以将普通机械齿轮传动系统微缩到肉眼无法观察的尺寸（如下图2.1所示）。微纳米加工技术可以制作单电子晶体管，可以实现单个分子与原子操纵。微纳米加工技术可以建筑人类进入微观世界的桥梁，是人类了解和利用微观世界的工具。因此了解微纳米加工技术对于理解微纳米技术，以及由微纳米技术支撑的现代高科技产业是非常重要的。

尽管微纳米加工方法多种多样，但目的只有一个，这就是制作具有实际用途的微纳米结构与器件。同一种微纳米器件或结构可以用多种不同微纳米加工技术实现。任何一种微纳米

结构的加工都需要不止一种微纳米加工技术。脱离开实际应用谈微纳米加工技术是毫无意义的。

微纳米加工技术与微纳米器件的开发是相互依存又相互促进的。新型微纳米器件推动微纳米加工技术的进步，而微纳米加工技术的进步反过来又会启发新型微纳米器件的开发。在现代高科技发展中，微纳米技术可以说是无处不在。微型化已经从集成电路芯片发展到其他各个应用领域。微纳米加工技术是微纳米技术的基础。这种依赖关系集中体现在下述应用领域：半导体集成电路、纳米电子学、高密度磁存贮、微系统、生物芯片与纳米科技。这些领域都是当前热门的高科技发展领域。

纳米科学与技术的发展，离不开纳米测量与定位控制技术，并出现纳米分析（Nanoanalysis）、纳米量（Nanoprobe)、和纳米探针等表征技术，对纳米测量与定位控制来说有以下几个基本要求，高灵敏度、高空间分辨力、测量的环境不会影响信息、非破坏性、快速、高频响。

纳米测量与定位控制技术的发展采取了两条平行的途径，一是沿用已有的测量与控制手段，提高其性能，尽量逼近其极限本领，以满足纳米级测量分析的需要,如扫描电子显微镜、透射电子显微镜、正电子发射显微镜、软X射线显微镜、扫描光声显微镜、轮廓仪（台阶仪)和干涉相衬显微镜等；二是发展建立在新概念基础上的测量技术，这类技术是最有发展前途且能成为纳米测量与控制的关键技术。现分述如下： ? 扫描隧道显微技术

扫描隧道显微技术是80年代出现的一种新型表面分析工具。1986年它的发明者宾尼和罗雷尔博士因此而获得诺贝尔物理学奖。扫描隧道显微镜（STM）具有空间的高分辨力（横向可达0.1nm，纵向可优于0.01nm）能直接观察到物质表面的原子结构，把人们带到了微观世界。STM的基本原理是基于量子隧道效应。它是用一个极细的针尖（针尖头部为单个原子）去接近样品表面，当针尖和表面靠得很近时（＜1nm），针尖头部原子和样品表面的原子的电子云发生重迭，若在针尖和样品之间加上一个高压，电子便会通过针尖和样品构成的势叠而形成隧道电流（纳安级）。通过控制针尖与样品表面的间距恒定并使针尖沿表面进行精确的三维运动，就可以把表面信息（表面形状和表面电子态）记录下来。由于STM具有原子级的空间分辨力和广泛的适用性，国际上掀起了研制和应用STM的热潮，并推动了纳米科学与技术的发展。

? 外差干涉显微技术

光干涉显微技术是传统的研究方法，以前用干涉测量所产生的干涉条纹图来判断制件表

面特征，众所周知，这种费时的方法有许多局限性，而且这种局限性是这种方法所固有的，很难避免。实际上易于获得的条纹图样并不能得到光程差图（OPD图）而且显示OPD等高图以代之，一旦得到条纹图，为求得OPD图必须进行复杂繁琐的处理，而外差（OHI）测量技术完全相反，它是直接测量参考波面与被检测波面间的位相差的一种方法，所以自然存在着高的位相分辨力和空间分辨力，而且可以进行动态时间的研究，其分辨力优于0.1nm。其本质是将长度计量转变为时间频率的计量。 ? X射线干涉显微技术

X射线干涉显微技术是目前纳米测量中的一项新技术。它采用三块平行放置的硅晶片（Si220），其晶格的间距约为0.2nm。入射的X射线经过第一块晶片后产生衍射，其光束分为两路，这两束光在第二块晶片上再次衍射，在第三块晶片上汇合，产生干涉，形成明暗交替的干涉条纹，并被光电接收系统所接受。若被测物体和第三块晶片相连，随物体运动，当物体移功一个晶格间距即（0.2nm）时，信号变化一个周期，其灵敏度由晶格常数所决定。而硅晶片（Si220）具有极稳定、均匀的晶格常数如再采用电路的细分处理，其分辨力优于0.01nm。目前，该技术处于实验研究阶段，商品化的仪器不久将会进入市场。

纳米测量技术面对的每一个挑战和难点都是纳米测量技术今后应重点突破的研究方向。针对国内纳米测量技术已有基础与现状，展望未来，我国纳米测量技术应在以下几个方面予以重点研究：

（1) 纳米测量和性能表征新方法、新技术的研究。有三个重要的途径：一是创造新的纳米测量技术，建立新的理论、新方法；二是对现有纳米测量技术进行改造、升级、完善，使它们能适应纳米测量的需要；三是多种不同的纳米测量技术有机结合、取长补短，使之能适应纳米科学技术研究的需要。

（2) 纳米测量的溯源问题，即能按照米定义精确度量纳米尺度，建立纳米科技标准。 （3) 大范围超高精度、超高分辨率的纳米测量技术研究。分析当前各种纳米测量方法可知，现有每种纳米测量方法均存在不能同时实现高测量精度和大测量范围这一矛盾。而实际应用中，如集成电路芯片表面形貌的测量、光存储和磁存储大范围信息位特征的纳米测量、生物芯片性能表征技术等，所有这些，无不均要求在进行大范围测量的同时保证纳米或亚纳米级的高测量精度和超高分辨率。

（4) 纳米测量涉及的微操作技术研究。无论是对单个纳米颗粒、单根碳纳米管、单个单电子晶体管，还是对单个DNA 生物大分子、单个细胞等进行纳米测量与性能表征研究时，都涉及对这些单一纳米结构的探测、俘获、夹持和移动等一系列微操作技术。因此，开发对单一纳米结构的微操作的新方法和技术是纳米测量技术应重点解决的研究课题。

四． 检索词

纳米技术，传感器，测试计量，存储技术

五、数据库选择

中国知网（CNKI）数据库

六、制定检索策略

在CNKI数据库中键入检索词微纳米、传感器、mems等即可检索出一大堆需要的结果，然后再从中筛选 六、检索结果

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