專利名稱：一種用原子光刻技術制作高密度納米結構的方法
技術領域：
本發明涉及一種制作高密度納米結構的方法，在原子沉積過程中通過改變激光的頻率來實現高密度納米結構制作。
背景技術：
現有納米光刻技術中，光刻系統分辨力的提高雖然可通過增大光刻物鏡的數值孔徑和縮短曝光波長來實現，然而波長的減小和數值孔徑的進一步增大將使焦深和視場范圍迅速縮小，影響工藝因子，使高分辨力的優點不能充分利用，面臨著必須克服焦深縮短所帶來的問題，而且曝光波長越短的光刻系統，設計與制作越困難，成本越高。X射線和離子束光刻的曝光系統尚需深入研究。電子束光刻雖具有很高的分辨力，但速度慢、效率低、成本高、風險大。以上技術尚存在一些缺陷，并且需要使用多種高精密儀器，成本高，因此制作高密度納米結構遇到很大的挑戰。
原子光刻技術是原子光學在微細加工技術領域的新應用，具有分辨力高(可達幾納米)、不受電荷影響、可并行制作圖形、效率高等優點，近十年來得到迅速發展。在實驗上已成功制作出特征尺寸為納米量級的點陣和線陣結構，用激光駐波場對原子束進行聚焦已得到最小周期為調制光波長1/2的納米結構，盡管可以通過移動基底的方法得到周期更小的結構，但操作起來非常困難。
發明內容
本發明需要解決的技術問題是克服上述技術的不足，提供一種不需要新的實驗設備、操作簡便的方法，通過改變激光的頻率來改變激光駐波場勢能的分布，達到改變原子束在基底上的聚焦位置的目的，從而實現高密度納米結構制作。
本發明的技術解決方案是一種用原子光刻技術制作高密度納米結構的方法，其特征在于利用近共振激光駐波場中激光頻率的改變來改變原子束的聚集位置，將光頻藍移和紅移兩種情況下的原子聚焦疊加起來實現周期為光波長1/4的納米結構制作。
所述的改變原子束的聚集位置的具體方法是原子束在穿過近共振激光駐波場時會發生會聚，光頻藍移時駐波的波節對應著光勢能的最低點，原子束聚焦于駐波場的波節處并沉積在基底上形成納米量級的結構，周期恰為光波長的1/2；沉積一段時間后，在其它參數不變的情況下使光頻紅移，駐波的波腹為勢能最低點，原子束聚焦在波腹處，周期仍為光波長的1/2，沉積與光頻藍移情況下等同的時間，將光頻紅移和藍移情況下原子聚焦沉積的情況疊加在一起，便可得到周期為光波長1/4的納米結構。
本發明的原理是利用原子在激光駐波場中所受的偶極力使原子改變運動軌跡，光頻藍移和紅移時偶極力的方向分別指向駐波的波節和波腹，通過光頻的改變可實現原子聚焦位置的改變，而相鄰波節和波腹之間的距離為1/4波長，將光頻藍移和紅移兩種情況下的原子聚焦疊加起來就能實現周期為光波長1/4的納米結構制作。
本發明相比于現有技術有以下優點(1)本發明利用現有原子光刻的實驗裝置，通過激光駐波場對原子束進行操縱，原子流的密度在橫向形成周期分布(相對于原子流的傳播方向)，利用激光頻率的改變來改變原子流的聚焦位置，實現周期為1/4光波長的納米結構制作。
(2)本發明不需要新的實驗裝置便可制作高密度納米結構，僅通過改變激光的頻率來實現，因此不僅降低了制作成本，而且操作簡便易行。
(3)本發明中激光頻率的改變在真空室外通過聲光調制手段可方便實現，降低了操作難度；其次，用于操縱原子的激光駐波場具有嚴格的周期性，激光頻率改變時駐波的波腹、波節的位置不變，因而得到的高密度納米結構具有很好的周期性；第三，只要有某種原子所需功率和特定波長的激光器，便可對該種原子進行操縱，可用于制作不同材料的納米結構。故本發明可用于高密度納米線陣、點陣，納米材料和納米級器件等的研究和開發。
圖1為本發明采用的原子光刻實驗裝置；圖2為本發明中光頻藍移情況下原子束在基底上的聚焦情況；圖3為本發明中光頻紅移情況下原子束在基底上的聚焦情況；圖4為圖2和圖3以上兩種情況的疊加。
圖中激光器1、反射鏡2和10、聲光器件3和14、擴束系統4、激光偏振梯度場5、真空室6、原子源7、原子束8、準直孔9、基底11、工件臺12、激光駐波場13、分束器15、沉積結構16。
具體實施例方式
下面結合附圖和實例對本發明作進一步說明。
如圖1、2所示實例中，制作高密度納米結構的裝置采用原子光刻的實驗裝置，包括真空室6、激光器1、反射鏡2和10、分束器15、聲光器件3和14、擴束系統4、原子源7、準直孔9、激光偏振梯度場5、激光駐波場13、基底11和工件臺12等，原子由原子源7噴出以后，原子束8具有很大的發散角，首先經過準直孔9進行初步準直，然后利用激光偏振梯度場5進行高度準直變成平行原子束，經過高度準直的原子束進入近共振激光駐波場13，原子束8在穿過近共振激光駐波場13時會發生會聚，光頻藍移時駐波的波節對應著光勢能的最低點，原子束8聚焦于駐波場的波節處并沉積在基底11上形成納米量級的結構16，周期恰為光波長的1/2。沉積一段時間后，在其它參數不變的情況下使光頻紅移，如圖3。駐波的波腹為勢能最低點，原子束8聚焦在波腹處，周期仍為光波長的1/2。沉積與光頻藍移情況下等同的時間，將光頻紅移和藍移情況下原子聚焦沉積的情況疊加在一起，便可得到周期為光波長1/4的納米結構，見圖4。聲光器件3和14通過入射光和超聲波在聲光池中發生相互作用來改變入射光的頻率，頻移量的大小可通過改變施加在壓控震蕩器上的電壓來實現。在真空室6的外部通過調制聲光器件14來實現光頻藍移或紅移。
權利要求
1.一種用原子光刻技術制作高密度納米結構的方法，其特征在于利用近共振激光駐波場中激光頻率的改變來改變原子束的聚集位置，將光頻藍移和紅移兩種情況下的原子聚焦疊加起來實現周期為光波長1/4的納米結構制作。
2.根據權利要求1所述的一種用原子光刻技術制作高密度納米結構的方法，其特征在于所述的改變原子束的聚集位置的具體方法是原子束在穿過近共振激光駐波場時會發生會聚，光頻藍移時駐波的波節對應著光勢能的最低點，原子束聚焦于駐波場的波節處并沉積在基底上形成納米量級的結構，周期恰為光波長的1/2；沉積一段時間后，在其它參數不變的情況下使光頻紅移，駐波的波腹為勢能最低點，原子束聚焦在波腹處，周期仍為光波長的1/2，沉積與光頻藍移情況下等同的時間，將光頻紅移和藍移情況下原子聚焦沉積的情況疊加在一起，便可得到周期為光波長1/4的納米結構。
全文摘要
本發明涉及一種利用現有原子光刻技術制作高密度納米結構的方法，它利用近共振激光駐波場對原子束進行調制來實現納米量級聚焦，通過改變激光的頻率實現聚焦位置的改變，將光頻藍移和紅移兩種情況下的原子聚焦疊加起來實現周期為光波長1/4的納米結構制作。該方法不需要新的實驗裝置、操作簡單、成本低，可廣泛應用于高密度納米光柵、點陣、納米材料和納米器件等的研究和開發。
文檔編號B81C1/00GK1607464SQ20031010017
公開日2005年4月20日 申請日期2003年10月15日 優先權日2003年10月15日
發明者陳獻忠, 姚漢民, 陳旭南, 石建平, 陳元培 申請人:中國科學院光電技術研究所