電子束光刻構(gòu)筑的納米世界

奇妙的納米世界是指由數(shù)個到數(shù)百個原子組成的、尺寸在1～100納米范圍內(nèi)并具有嶄新功能的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。歷史上由于缺乏納米制造技術(shù)，這個尺寸范圍內(nèi)所發(fā)生的自然現(xiàn)象一直是科學(xué)認(rèn)知的盲區(qū)。1980年代，以計算機(jī)為代表的信息技術(shù)、材料生長技術(shù)和高精密儀器設(shè)備的發(fā)展，催生了納米科技。其中，電子束光刻作為一種先進(jìn)納米制造技術(shù)，為科技人員創(chuàng)造了形形色色、多元的納米結(jié)構(gòu)和器件，構(gòu)筑起了一個包羅物理、化學(xué)、生物等眾多交叉學(xué)科的、豐富多彩的納米世界。

電子束光刻，顧名思義，是采用具有一定動能（10 keV～100 keV）和束電流（100 pA～200 nA）的聚焦電子束來取代傳統(tǒng)光刻中的光線，對預(yù)先涂敷在襯底表面的光刻膠——最常用的如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）——進(jìn)行曝光和顯影，實現(xiàn)納米尺度的圖形化。如圖1（a）所示，一般情況下，聚焦電子束斑點尺寸在7至10納米之間。與光線光刻相比，在工藝流程上，兩種光刻過程完全一致兼容。在曝光方式上，二者之間在光刻板的使用和最小線寬的光刻能力上存在差異。而電子束光刻擁有如下一系列得天獨(dú)厚的技術(shù)優(yōu)勢。（1）高分辨：可以比較容易地實現(xiàn)亞10納米的光刻線條。（2）高靈活性：由于無需光刻板，光刻圖形可以按照需求隨時調(diào)整。（3）高穩(wěn)定性：當(dāng)前專業(yè)電子束曝光機(jī)性能高度穩(wěn)定，使得電子束光刻的工藝窗口穩(wěn)定可控。（4）高可靠性：光刻性能重復(fù)性和可靠性都非常優(yōu)秀。然而，電子束光刻的單點串寫曝光模式，也為它帶來了一個重要缺陷：圖形化速度慢，導(dǎo)致產(chǎn)量低，不適合半導(dǎo)體生產(chǎn)的大規(guī)模制造。

電子束光刻的應(yīng)用

電子束光刻擁有的強(qiáng)大光刻功能及高靈活性和高穩(wěn)定性，使得該技術(shù)在納米科學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域和納米技術(shù)的發(fā)展等方面有著極其廣闊的應(yīng)用范圍。電子束光刻在基礎(chǔ)科學(xué)研究、先進(jìn)納米光刻技術(shù)和高端制造等領(lǐng)域大有用武之地。

基礎(chǔ)科學(xué)研究 納米物理（納米光子學(xué)、超構(gòu)表面材料的光場調(diào)控、納米電子學(xué)、新型納米光熱電效應(yīng)、量子輸運(yùn)、量子計算和通訊），納米結(jié)構(gòu)與器件（二維材料的光學(xué)、電學(xué)以及輸運(yùn)特性），納米物理化學(xué)，納米仿生學(xué)，納米生物，納米醫(yī)療診斷與保健等。

先進(jìn)納米光刻技術(shù) 幾乎所有的光刻技術(shù)都需要采用電子束光刻為其制造光刻板或光刻磨具，包括光線光刻（全息/干涉光刻、深紫外/極紫外光刻、灰度光刻、X射線光刻、近場光刻、泰伯光刻）的預(yù)制光刻板和納米壓印模板等。

高端制造 在高端工業(yè)生產(chǎn)方面也能夠處處找到電子束光刻的用武之地。然而，由于電子束光刻納米制造成本高、產(chǎn)量低，其生產(chǎn)制造僅僅適合高價值、低量產(chǎn)的商品。比如，定制光刻板的制造、微波和太赫茲波器件的納米尺度T型柵直寫、保密芯片制造、高級別防偽碼的制造和軍工生產(chǎn)等。舉個很好的案例：國內(nèi)外大多數(shù)半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)企業(yè)都擁有電子束光刻設(shè)備，其目的是通過電子束直寫來生產(chǎn)研發(fā)階段的新一代芯片樣機(jī)做性能測試表征，從而可以有效避免在產(chǎn)線上研發(fā)試驗芯片的高費(fèi)用流片。

電子束光刻的神奇納米制造案例

將電子束光刻與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝技術(shù)相結(jié)合，形成了基于電子束光刻的納米制造工藝流程和體系。下面將用具體的納米制造應(yīng)用案例來解釋：為什么要制造納米尺度的結(jié)構(gòu)與器件；電子束光刻納米制造的交叉應(yīng)用深度與廣度；電子束光刻納米制造的無限神奇。

小就是美！ 早在65年前的1959年，美國加州理工學(xué)院物理學(xué)家理查德 · 費(fèi)曼（Richard Feynman）在他的被譽(yù)為20世紀(jì)最經(jīng)典的科學(xué)報告《在底層有充足的空間》中指出：在原子組成的分子結(jié)構(gòu)“底層”按照新的理論和規(guī)則組成嶄新的納米材料，可以創(chuàng)造出有別于自然界自然發(fā)生的任何材料，擁有嶄新的特性，將給人類在能源、制造、環(huán)保、醫(yī)療、安全和通信等領(lǐng)域帶來新的突破，解決現(xiàn)有技術(shù)無法克服的科技難題。費(fèi)曼的這個報告，明確闡明了“小就是美！”的納米科技的真正內(nèi)涵和理念。自1960年代發(fā)展起來的自上而下的電子束光刻納米制造，創(chuàng)造出了一系列形形色色的新型納米結(jié)構(gòu)、器件和系統(tǒng)，解決了自下而上的原子組裝技術(shù)存在的效率低的難題，推動了1980年代興起的納米科技蓬勃發(fā)展。

2008年當(dāng)筆者作為納米科技首席科學(xué)家還在英國盧瑟福阿普爾頓實驗室工作期間，收到英國國家廣播電臺（BBC）牛津頻道的邀請：為了慶祝該頻道開辟“科學(xué)”（Science）欄目10周年，要用電子束光刻技術(shù)，將“BBC”“STFC”和“Science Matters”等字樣刻寫在蜜蜂細(xì)毛上以展示先進(jìn)納米制造的威力。蜂毛的直徑跟人類的頭發(fā)一樣，大致為80～100 微米，如圖2（b）。圖2（c）是采用電子束在蜂毛上直寫納米尺度文字的掃描電鏡照片。這個成功的震撼之處就在于：小就是美！

史上最小的納米印章 然而，與大規(guī)模生產(chǎn)相比，電子束光刻存在著速度慢、產(chǎn)量低的缺陷。為此，在美國明尼蘇達(dá)大學(xué)工作的華人科學(xué)家周裕于1995年在國際上發(fā)明了納米壓印光刻技術(shù)，開辟了一條低成本、大規(guī)模制造納米結(jié)構(gòu)和器件的新路徑。盡管如此，納米壓印模板制造是這個技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。電子束光刻納米制造很好地解決了這個技術(shù)瓶頸。圖3展示了筆者及其學(xué)生制造的各種納米尺度壓印模板。其中，圖3（a）所展示的是制作在硅襯底上的復(fù)旦大學(xué)校徽壓印模板，其直徑約3微米，邊框線條寬度120 納米，高度300 納米，應(yīng)該算是史上最小的納米刻印圖章！

科學(xué)巨人的納米肖像畫 利用電子束曝光在光刻膠中不同空間位置的電荷劑量梯度可以實現(xiàn)三維圖形，稱為電子束灰度光刻。我們可以用電子束這支纖細(xì)神筆，按照原圖在納米尺度層面刻畫出三維圖形。圖4展示的是筆者學(xué)生運(yùn)用電子束灰度光刻成功生成的科學(xué)巨人納米肖像畫。

揭示南美閃蝶藍(lán)色翅膀的世紀(jì)之謎

自然界中的許多晶體礦石、動物身上的某些組織（變色龍皮、魚鱗、孔雀羽毛）和植物（花卉）等有各種顏色（如圖5所示），但這些顏色實際上并不是材料的色素造成的，而是其內(nèi)部一些周期性排列的納米結(jié)構(gòu)對于光的散射、衍射、折射和反射等形成的，稱為結(jié)構(gòu)色。其中，最具代表性的莫過于著名的南美閃蝶翅膀發(fā)出的耀眼的藍(lán)色，“閃蝶”之名由此而來。

納米光子學(xué)的基本原理指出：任何材料發(fā)出某種閃亮的顏色必須是具有方向性的，即只能在某一個方向才能顯示出耀眼的亮度。而南美閃蝶的翅膀卻在一個廣大的視角范圍都顯示出耀眼的藍(lán)色，有悖于最基本的光學(xué)原理。這種奇異的光學(xué)特性激發(fā)了世界各地的科學(xué)家濃厚的興趣，并促使他們做了大量的科學(xué)研究。300多年前荷蘭科學(xué)家列文虎克（Leeuwenhoek）和英國科學(xué)家艾薩克 · 牛頓（Isaac Newton）分別對于南美閃蝶的藍(lán)色之謎做過研究。牛頓曾預(yù)言：南美閃蝶翅膀里肯定具有周期性的光柵結(jié)構(gòu)。但這種光柵究竟是如何排列而使得蝴蝶翅膀在各個方向都發(fā)出閃亮的藍(lán)色，牛頓沒能給出任何解釋。直到1930年代透射電子顯微鏡的發(fā)明，科學(xué)家獲得了閃蝶翅膀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，終于揭開了這個世紀(jì)之謎。然而，閃蝶翅膀內(nèi)部豎直排列的光柵結(jié)構(gòu)給納米仿制帶來了難題。長期以來，科學(xué)家只能用這種天然翅膀作為模具，用材料澆筑的方法來仿制蝴蝶翅膀結(jié)構(gòu)，進(jìn)行光學(xué)基礎(chǔ)研究。

筆者的博士生采用電子束在多層膠里做穿透曝光的創(chuàng)新工藝，成功仿制出南美閃蝶的豎直光柵結(jié)構(gòu)，獲得了同樣的閃耀藍(lán)色，并用對外來入射光的準(zhǔn)多層反射模型，定量解釋了南美閃蝶的耀眼藍(lán)色之謎，也為人工仿制蝴蝶翅膀研發(fā)了納米制造技術(shù)。

微波/太赫茲波器件的構(gòu)筑藝術(shù)

微波和太赫茲波技術(shù)在通信、雷達(dá)成像、安檢、傳感、環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療診斷等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。在如此高頻下工作的半導(dǎo)體器件如晶體管等，其內(nèi)部的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)（柵電極）不僅在尺寸上必須處于納米尺寸范圍，而且柵電極的幾何結(jié)構(gòu)必須是T型，如圖6所示。采用電子束光刻實現(xiàn)這樣的T型柵極是國際上各個發(fā)達(dá)國家競相研發(fā)的高端制造技術(shù)。筆者團(tuán)隊用雙層膠工藝，成功研發(fā)了能夠制造各種形貌的T型柵。其中，最短柵極尺寸為10納米，處于國際先進(jìn)水平。

同步輻射X射線光學(xué)透鏡的匠心之作

同步輻射X射線光源是大科學(xué)裝置，我國大陸已經(jīng)建設(shè)運(yùn)行的有三個，分別在北京、合肥和上海。目前我國又分別在北京懷柔、安徽合肥和廣東東莞建設(shè)新一代同步輻射光源。圖7是2009年竣工運(yùn)行的坐落在上海浦東張江高科技園區(qū)的同步輻射裝置，簡稱“上海光源”。這些大科學(xué)裝置發(fā)射的高質(zhì)量和高亮度的X射線在材料分析、工業(yè)檢測、納米結(jié)構(gòu)探測、生物與醫(yī)療診斷、新能源開發(fā)和考古等各個領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用，是解決一系列重大基礎(chǔ)科學(xué)問題的國之重器。

然而，X射線聚焦和顯微成像光學(xué)系統(tǒng)中的關(guān)鍵光學(xué)部件——聚焦透鏡（波帶片透鏡）——需要高端納米制造。由于我國納米制造技術(shù)相對國際發(fā)達(dá)國家起步較晚，在2013年之前，所有這些光學(xué)部件全部依賴國外發(fā)達(dá)國家，這使得我國相關(guān)重大基礎(chǔ)研究的發(fā)展受制于他人。筆者團(tuán)隊自2013年以來，專注研發(fā)電子束光刻制造工藝，最終研制了X射線波帶片透鏡及其配套部件，這一產(chǎn)品在國際上也是較前沿的。圖8展示筆者團(tuán)隊自2013年以來在研制X射線波帶片透鏡的技術(shù)發(fā)展歷程：從最早的200 納米分辨率透鏡發(fā)展到當(dāng)前具有國際先進(jìn)水平的15 納米透鏡，為國家解決了一個重大科技難題。

筆者團(tuán)隊成功研制的分辨率從200 納米到15 納米的X射線波帶片透鏡，為中國科學(xué)院上海高等研究院的上海同步輻射光源、中國科學(xué)院高能物理研究所的同步輻射中心以及全國高校、研究所和高技術(shù)公司等提供了各種各樣的X射線透鏡和相關(guān)光學(xué)部件。

結(jié) 語

電子束光刻起始于1960年代，屬于一門較老的圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)。但從1980年代起，材料生長、精密儀器和納米制造技術(shù)的發(fā)展，賦予了電子束光刻新的生命力。當(dāng)前，基于電子束光刻的納米制造已經(jīng)發(fā)展為一門功能極其強(qiáng)大的高端制造技術(shù)。它幾乎“無所不會、無所不能”，為我們創(chuàng)造了豐富多彩、充滿藝術(shù)氣息的納米結(jié)構(gòu)。作為推動當(dāng)今納米科學(xué)和納米技術(shù)發(fā)展必不可少的核心技術(shù)，在極其廣闊的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域和高端技術(shù)發(fā)展等方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。然而，電子束光刻納米加工屬于匠心制造。盡管當(dāng)前全國高校和科研院所已經(jīng)裝備的專業(yè)電子束曝光機(jī)不少于100臺，但高水平成果的產(chǎn)出還遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期規(guī)模。要真正全面掌握好這門高端制造技術(shù)，使其更好地為我們的納米科技發(fā)展服務(wù)，必須發(fā)揚(yáng)工匠精神，踏踏實實、兢兢業(yè)業(yè)地潛心鉆研，不斷豐富工藝經(jīng)驗。只有通過長期的技術(shù)沉淀和積累，才能夠勝任各種復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)和器件的創(chuàng)新與制造。希望有更多的年輕人能夠喜歡、并立志終身投入到這門電子束光刻制造的發(fā)展中來，為推動我國先進(jìn)納米制造的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。