制造高品質的固態硅基量子器件要求高分辨率的圖形書寫技術，同時要避免對基底材料的損害。來自IBM實驗室的Rawlings等人利用SwissLitho公司生產的3D納米結構高速直寫機NanoFrazor，結合其高分辨熱探針掃描技術和高效率的激光直寫功能，制備出一種室溫下基于點接觸隧道結的單電子晶體管（SET）。

    利用掃描探針可以確定焦距下的Z向位置，同時確定掃描探針和激光直寫的位置補償，研究人員在兼顧高分辨和高效率書寫條件下得到小于100nm的精確度。利用CMOS工藝兼容幾何圖形氧化流程，研究人員在N型簡并摻雜（＞10²⁰/cm³）的絕緣硅基底上制備出該SET器件。所研究的三種器件的特性主要由Si納米晶和嵌入SiO₂中的P原子所控制，進而形成量子點（QDs）。量子點上電子尺寸微小且局域性強，保證了SET在室溫情況下的穩定運行。溫度測量結果顯示在100 – 300 K的范圍內，電流主要由熱激發產生，但在＜100K時，主要以隧道電流為主。

    在硅基量子點器件的制備過程中，內部精細的功能器件區域一般要求高分辨率書寫，但是在外部電極相對粗糙的連接處僅需要高效的相對低分辨率刻蝕，這就是所謂的“混合搭配光刻”(mix-and-match lithography)。但是兩種不同原理的書寫技術結合應用會增加工作量，同時帶來圖形轉移過程的位置偏差和對樣品表面的污染。在本工作中，3D納米結構高速直寫機NanoFrazor系統將激光直寫技術與高分辨熱探針書寫技術（XY: 10nm，Z: 1nm）相結合（如圖1所示），這樣可以利用熱探針技術實現高分辨率區域的圖形書寫，而利用激光直寫技術實現低分辨率區域的快速書寫（如圖2a所示， 藍色區域為激光直寫區域，深綠色區域為熱探針書寫區域），最后實現一次性書寫整體圖形的高效性，同時避免了不必要流程所導致的表面污染和位置偏差。

圖1：a) 熱探針和激光透鏡的結構示意圖。b) 熱探針連接在Z向壓電傳感器和位移臺上，平行激光經透鏡聚焦在樣品表面。通過攝像頭收集反射光實現樣品成像，利用探針和激光的位置補償進行表面書寫。

圖2：單電子器件（SET）的制作工藝流程示意。a) 器件圖形示意，粉色區域為制備SET前的預圖形書寫區域。圖形中央30μm×30μm區域中包含利用激光直寫區域（藍色）和利用熱探針技術書寫區域（深綠色）；b) 位置校準示意；c) 對書寫區域進行定位。d) 利用熱探針技術進行高分辨率書寫（圖2a中深綠色區域）；e) 利用激光直寫技術進行低分辨率快速書寫（圖2a中藍色區域）；f) 利用RIE實現圖形向硅層轉移；g) 通過熱氧化得到器件通道中的點接觸通道。

    IBM專門研發設計的NanoFrazor 3D納米結構高速直寫機所采用的針尖是具有兩個電阻加熱區域，針尖上方的加熱區域可以加熱到1000℃，第二處加熱區域作為熱導率傳感器位于側臂處，其能感知針尖與樣品距離的變化，精度高達0.1nm。因此，在每行直寫進程結束后的回掃過程中，并不是通過針尖起伏反饋形貌信息，而是通過熱導率傳感器感應形貌變化，從而實現了比AFM快1000余倍的掃描速度，同避免了針尖的快速磨損消耗。

    NanoFrazor 3D納米結構高速直寫機與傳統的微納加工設備，如納米醮印、激光直寫、聚焦離子束刻蝕FIB、電子束誘導沉積、電子束光刻EBL等技術相比，具有高直寫精度 (XY: 最高可達10nm, Z: 1nm)以及高直寫速度（20mm/s 與EBL媲美），具備實時形貌探測的閉環刻寫技術以及無需標記拼接與套刻等獨特技術優勢。加上其性價比高，使用和維護成本低，易操作等特點，成為廣受關注的納米加工設備。

拓展閱讀：
Fast turnaround fabrication of silicon point-contact quantum-dot transistors using combined thermal scanning probe lithography and laser writing
C. Rawlings, Y. K. Ryu, M. Rüegg, N. Lassaline, etc.
DOI: 10.1088/1361-6528/aae3df