电子束光刻构筑的纳米世界
电子束光刻构筑的纳米世界
电子束光刻技术作为一门起源于20世纪60年代的图形转移技术，经过数十年的发展，已经成为推动纳米科技发展不可或缺的核心技术。它不仅在基础科学研究领域发挥着重要作用，还在高端制造、微波/太赫兹波器件、同步辐射X射线光学透镜等多个领域展现出强大的应用潜力。本文将为您详细介绍电子束光刻技术的基本原理及其在纳米制造领域的广泛应用。
电子束光刻的基本原理
电子束光刻是一种先进的纳米制造技术，它采用具有一定动能（10 keV～100 keV）和束电流（100 pA～200 nA）的聚焦电子束来取代传统光刻中的光线，对预先涂敷在衬底表面的光刻胶（最常用的如聚甲基丙烯酸甲酯PMMA）进行曝光和显影，实现纳米尺度的图形化。一般情况下，聚焦电子束斑点尺寸在7至10纳米之间。
与光线光刻相比，电子束光刻具有以下优势：
- 高分辨：可以比较容易地实现亚10纳米的光刻线条。
- 高灵活性：由于无需光刻板，光刻图形可以按照需求随时调整。
- 高稳定性：当前专业电子束曝光机性能高度稳定，使得电子束光刻的工艺窗口稳定可控。
- 高可靠性：光刻性能重复性和可靠性都非常优秀。
然而，电子束光刻的单点串写曝光模式也带来了一个重要缺陷：图形化速度慢，导致产量低，不适合半导体生产的大规模制造。
图1展示了电子束光刻的工艺流程和曝光机的单点串写概念图。
电子束光刻的应用
电子束光刻在多个领域都有着极其广阔的应用范围：
基础科学研究
- 纳米物理（纳米光子学、超构表面材料的光场调控、纳米电子学、新型纳米光热电效应、量子输运、量子计算和通讯）
- 纳米结构与器件（二维材料的光学、电学以及输运特性）
- 纳米物理化学
- 纳米仿生学
- 纳米生物
- 纳米医疗诊断与保健
先进纳米光刻技术
几乎所有的光刻技术都需要采用电子束光刻为其制造光刻板或光刻磨具，包括光线光刻（全息/干涉光刻、深紫外/极紫外光刻、灰度光刻、X射线光刻、近场光刻、泰伯光刻）的预制光刻板和纳米压印模板等。
高端制造
在高端工业生产方面也能够处处找到电子束光刻的用武之地。然而，由于电子束光刻纳米制造成本高、产量低，其生产制造仅仅适合高价值、低量产的商品。比如，定制光刻板的制造、微波和太赫兹波器件的纳米尺度T型栅直写、保密芯片制造、高级别防伪码的制造和军工生产等。
电子束光刻的神奇应用案例
将电子束光刻与传统的半导体工艺技术相结合，形成了基于电子束光刻的纳米制造工艺流程和体系。下面将通过具体案例来展示电子束光刻技术的神奇之处。
小就是美
早在1959年，美国加州理工学院物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）在他的科学报告《在底层有充足的空间》中指出：在原子组成的分子结构“底层”按照新的理论和规则组成崭新的纳米材料，可以创造出有别于自然界自然发生的任何材料，拥有崭新的特性，将给人类在能源、制造、环保、医疗、安全和通信等领域带来新的突破。
2008年，一位纳米科技首席科学家在英国卢瑟福阿普尔顿实验室工作期间，成功地将“BBC”“STFC”和“Science Matters”等字样刻写在蜜蜂细毛上，展示了先进纳米制造的威力。蜂毛的直径跟人类的头发一样，大致为80～100 微米。
史上最小的纳米印章
在大规模生产中，电子束光刻存在着速度慢、产量低的缺陷。为此，华人科学家周裕于1995年发明了纳米压印光刻技术。电子束光刻很好地解决了纳米压印模板制造这一技术瓶颈。图3展示了在硅、碳化硅和玻璃上制造的各种纳米压印模板。其中，制作在硅衬底上的复旦大学校徽压印模板，其直径约3微米，边框线条宽度120 纳米，高度300 纳米，堪称史上最小的纳米刻印图章。
科学巨人的纳米肖像画
利用电子束曝光在光刻胶中不同空间位置的电荷剂量梯度可以实现三维图形，称为电子束灰度光刻。图4展示了用电子束灰度光刻生成的科学巨人纳米肖像画。
揭示南美闪蝶蓝色翅膀的世纪之谜
自然界中的许多晶体矿石、动物身上的某些组织（变色龙皮、鱼鳞、孔雀羽毛）和植物（花卉）等有各种颜色，但这些颜色实际上并不是材料的色素造成的，而是其内部一些周期性排列的纳米结构对于光的散射、衍射、折射和反射等形成的，称为结构色。其中，最具代表性的莫过于著名的南美闪蝶翅膀发出的耀眼的蓝色。
微波/太赫兹波器件的构筑艺术
微波和太赫兹波技术在通信、雷达成像、安检、传感、环境监测和医疗诊断等领域有着重要的应用。在如此高频下工作的半导体器件如晶体管等，其内部的关键结构（栅电极）不仅在尺寸上必须处于纳米尺寸范围，而且栅电极的几何结构必须是T型。采用电子束光刻实现这样的T型栅极是国际上各个发达国家竞相研发的高端制造技术。
同步辐射X射线光学透镜的匠心之作
同步辐射X射线光源是大科学装置，我国大陆已经建设运行的有三个，分别在北京、合肥和上海。目前我国又分别在北京怀柔、安徽合肥和广东东莞建设新一代同步辐射光源。图7是2009年竣工运行的坐落在上海浦东张江高科技园区的同步辐射装置，简称“上海光源”。这些大科学装置发射的高质量和高亮度的X射线在材料分析、工业检测、纳米结构探测、生物与医疗诊断、新能源开发和考古等各个领域有着极其广泛的应用，是解决一系列重大基础科学问题的国之重器。
结语
电子束光刻起始于1960年代，属于一门较老的图形转移技术。但从1980年代起，材料生长、精密仪器和纳米制造技术的发展，赋予了电子束光刻新的生命力。当前，基于电子束光刻的纳米制造已经发展为一门功能极其强大的高端制造技术。它几乎“无所不会、无所不能”，为我们创造了丰富多彩、充满艺术气息的纳米结构。作为推动当今纳米科学和纳米技术发展必不可少的核心技术，在极其广阔的基础研究领域和高端技术发展等方面发挥着举足轻重的作用。然而，电子束光刻纳米加工属于匠心制造。尽管当前全国高校和科研院所已经装备的专业电子束曝光机不少于100台，但高水平成果的产出还远未达到预期规模。要真正全面掌握好这门高端制造技术，使其更好地为我们的纳米科技发展服务，必须发扬工匠精神，踏踏实实、兢兢业业地潜心钻研，不断丰富工艺经验。只有通过长期的技术沉淀和积累，才能够胜任各种复杂纳米结构和器件的创新与制造。希望有更多的年轻人能够喜欢、并立志终身投入到这门电子束光刻制造的发展中来，为推动我国先进纳米制造的发展作出贡献。
本文原文来自世界科学网