制造高品质的固态硅基量子器件要求高分辨率的图形书写技术，同时要避免对基底材料的损害。来自IBM实验室的Rawlings等人用SwissLitho公司生产的3D纳米结构高速直写机NanoFrazor，结合其高分辨热探针扫描技术和率的激光直写功能，制备出种室温下基于点接触隧道结的单电子晶体管（SET）。
用扫描探针可以确定焦距下的Z向位置，同时确定扫描探针和激光直写的位置补偿，研究人员在兼顾高分辨和率书写条件下得到小于100nm的度。用CMOS工艺兼容几何图形氧化流程，研究人员在N型简并掺杂（＞1020/cm3）的缘硅基底上制备出该SET器件。所研究的三种器件的性主要由Si纳米晶和嵌入SiO2中的P原子所控制，进而形成量子点（QDs）。量子点上电子尺寸微小且局域性强，保证了SET在室温情况下的稳定运行。温度测量结果显示在100 – 300 K的范围内，电流主要由热激发产生，但在＜100K时，主要以隧道电流为主。
在硅基量子点器件的制备过程中，内部精细的功能器件区域般要求高分辨率书写，但是在外部电相对粗糙的连接处仅需要的相对低分辨率刻蚀，这就是所谓的“混合搭配光刻”(mix-and-match lithography)。但是两种不同原理的书写技术结合应用会增加工作量，同时带来图形转移过程的位置偏差和对样品表面的污染。在本工作中，3D纳米结构高速直写机NanoFrazor系统将激光直写技术与高分辨热探针书写技术（XY: 10nm，Z: 1nm）相结合（如图1所示），这样可以用热探针技术实现高分辨率区域的图形书写，而用激光直写技术实现低分辨率区域的快速书写（如图2a所示， 蓝色区域为激光直写区域，深绿色区域为热探针书写区域），后实现次性书写整体图形的性，同时避免了不必要流程所导致的表面污染和位置偏差。
图1：a) 热探针和激光透镜的结构示意图。b) 热探针连接在Z向压电传感器和位移台上，平行激光经透镜聚焦在样品表面。通过摄像头收集反射光实现样品成像，用探针和激光的位置补偿进行表面书写。
图2：单电子器件（SET）的制作工艺流程示意。a) 器件图形示意，粉色区域为制备SET前的预图形书写区域。图形中央30μm×30μm区域中包含用激光直写区域（蓝色）和用热探针技术书写区域（深绿色）；b) 位置校准示意；c) 对书写区域进行定位。d) 用热探针技术进行高分辨率书写（图2a中深绿色区域）；e) 用激光直写技术进行低分辨率快速书写（图2a中蓝色区域）；f) 用RIE实现图形向硅层转移；g) 通过热氧化得到器件通道中的点接触通道。
IBM门研发设计的NanoFrazor 3D纳米结构高速直写机所采用的针尖是具有两个电阻加热区域，针尖上方的加热区域可以加热到1000℃，第二处加热区域作为热导率传感器位于侧臂处，其能感知针尖与样品距离的变化，精度高达0.1nm。因此，在每行直写进程结束后的回扫过程中，并不是通过针尖起伏反馈形貌信息，而是通过热导率传感器感应形貌变化，从而实现了比AFM快1000余倍的扫描速度，同避免了针尖的快速磨损消耗。
NanoFrazor 3D纳米结构高速直写机与传统的微纳加工设备，如纳米醮印、激光直写、聚焦离子束刻蚀FIB、电子束诱导沉积、电子束光刻EBL等技术相比，具有高直写精度 (XY: 高可达10nm, Z: 1nm)以及高直写速度（20mm/s 与EBL媲美），具备实时形貌探测的闭环刻写技术以及无需标记拼接与套刻等*技术势。加上其性价比高，使用和维护成本低，易操作等点，成为广受关注的纳米加工设备。
拓展阅读：
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
