撰文 | 周    炜

责编 | 叶水送

进入零下130度附近的真空中，水蒸气有可能凝华成一层超级光滑的薄冰。科学家利用这种特殊的“冰”代替传统电子束曝光中的光刻胶，做出了微纳尺度的三维金属结构：金字塔、蘑菇、桥等。这一新颖、简便的“冰刻”术有望在三维微纳加工领域大显身手。

 

2018年6月25日，浙江大学现代光学仪器国家重点实验室仇旻教授团队在Nano Letters杂志发表论文，介绍了用冰刻（iEBL）进行原位三维微纳加工的技术。共同第一作者为浙江大学博士生洪宇、博士后赵鼎，通讯作者为赵鼎和仇旻教授。据了解，仇旻教授现为西湖大学光学工程讲席教授。

 

“纳米冰膜”掩模板

 

如果要在一面白墙上写一行印刷体的字，通常的做法是先做一块镂空出字形的模板，在向墙面喷涂颜料时用掩模板遮挡，墙面上就留下了标准的字迹。来自宏观世界的灵感应用到微纳结构加工中，就是当前最常用的微纳加工方案之一——电子束曝光技术（EBL）。

 

在电子束曝光中，充当“掩模板”的是一种称为光刻胶的聚合物。经过电子束扫描，部分光刻胶的性质会发生改变，再经过化学试剂清洗，光刻胶便“显影”出特定的图案，为下一步进行金属（或其他材料）沉积“画”出模板。“理论上电子束曝光的精度可以达到几个纳米，但是实际情况很难做到，仪器轻微的振动、外界磁场的干扰、操作人员的经验等等都会影响最终结果。”洪宇说。

 

随着微纳器件的小型化、精细化需求日益突出，科学家越来越感觉到传统电子束曝光的局限。赵鼎认为，局限之一在于，传统的工艺需要“反复进出真空环境，过程中一点落灰就可能让样品报废”。局限还在于掩模板材料。光刻胶很难清洗，残留几乎不可避免，这会影响产品性能；如果利用超声波辅助清洗，可以更有效地去除光刻胶，但是又存在破坏微纳结构本身的风险。

 

2011年初，仇旻教授受国家“千人计划”支持回国任教，深感改进微纳加工技术的紧迫性。“当时，我们国家在微纳加工领域已经有了一点积累，但很少有很强的加工平台，要加工一个微纳器件，需要在全国不同的实验室之间跑。”仇旻说，这些年我国很多地方都建成了先进的微纳加工平台，但基础的制造方法仍有很大的探索空间。

 

“如果我们用冰来做光刻胶，结果就会很不一样。”几年前，一支哈佛大学的研究团队提出了“冰刻”的设想，仇旻团队则希望将这一技术推进到三维微纳器件加工领域。“当电子束打在冰层上，被打到的冰就‘自行消失’了，留下一个三维结构模板。”这样可以大大缩短加工步骤。

 

 

改造仪器、探索实验条件

 

要支撑起这个巧妙的设想，必须要有相应的“生产线”。买不到现成的商用设备？团队成员便搭建了一套全新的“冰刻”装置——改造后的扫描电子显微镜集制冷、注水、测温等模块于一身，并与自主设计的材料生长系统无缝对接。

 

 

“冰刻”术有五个核心步骤：冷却、冰层沉积、曝光、材料蒸镀和剥离。其中，“冰层沉积-曝光-材料蒸镀”可以在真空装置内往复循环，从而大大简化三维加工步骤。通过这台构思巧妙的仪器，仇旻团队成功实现20nm分辨率、定位精度100nm以下，同时制造出金字塔、蘑菇、桥等造型的三维纳米结构。

 

 

为何需要在零下130度操作？这是因为真空环境中，如果温度不够低，通常会产生结晶态的冰膜。微观上看，它的表面其实是凹凸不平的，不利于产生精细的“冰模板”。而零下130度能让水蒸气凝华成无定形态的冰，平整的冰膜表面有利于电子束雕刻出更多精巧的立体结构。

 

仇旻认为，冰刻具有免匀胶、易剥离的特性，同时冰刻的三维加工能力可以拓展到非平面衬底或易损柔性材料，为基于量子点、纳米管、纳米线、石墨烯、光纤等材料的新型光电子器件创造更多可能。“这些独特优势使其成为三维微纳加工技术中的有力竞争者。”

 

独创的纳米“冰雕”技术

 

撰文 | 陈宜方（复旦大学信息学院微纳系统中心）

 

近几年，仇旻教授领导的科研团队，在国际上独创冰胶（ice resist）三维电子束光刻技术。这个发明，在传统的基于化学光刻胶的电子束光刻纳米加工领域，开辟了一条崭新的、具有重大发展与应用前景的技术路线。

 

传统的电子束光刻技术是基于有机高分子胶（抗蚀剂）。这个技术与硅基半导体器件工艺技术中的光学光刻的唯一区别是采用电子束代替光束，从而大大抑制了由于光衍射造成的对于光刻分辨率的限制。然而，由于光刻胶采用有机的电子束敏感材料，存在一系列技术缺陷，包括污染、昂贵、工艺繁琐等。尤其在纳米尺度的图形转移如去胶剥离（lift off）中，经常出现化学剥离液（remover），无法溶解经高温烘烤变性后的光刻胶，使得去胶剥离出现良率低下的结果。而且，在显影工艺中，由于光刻胶的特定化学特性，极大地限制了显影液对于材料的选择性溶解，使得多层光刻形成3D立体纳米结构变得非常困难。

 

冰胶电子束光刻的出现，给电子束光刻纳米加工开辟了一条新的技术路线，大大拓宽了纳米加工的应用范围，使许多传统EBL纳米加工无法实现的形貌如高分辨3D结构成为可能。其优势不仅表现在廉价、环保、无污染、工艺简洁等诸多方面，还包括在如下几个重要特性：

 

（1）冰光刻胶由非常小的水分子（H2O）组成，使得iEBL应该拥有非常高的光刻分辨率。理论上讲其光刻线条应该直接反映电子束斑尺寸。

 

（2）由于冰光刻胶的灵敏度相对于传统有机化学胶比较低，在一般SEM观察下不会彻底曝光冰光刻胶。因此，可以采用与光学光刻中一样的方法，通过SEM成像来实现套刻。从而实现“肉眼”观测下的高精度套刻（文章报道套刻精度优于100 nm），而不像传统EBL中的套刻，需要装备非常昂贵复杂的电子扫描对准套刻系统。

 

（3）冰胶灵敏度低带来的第二个重要优势是，工艺窗口大大展宽，工艺稳定性大大提高。电子束曝光系统的不稳定（灯丝电流、加速电压、聚焦漂移等）会明显影响曝光结果，是传统EBL中曝光工艺不稳定的主要因素。

 

（4）iEBL的曝光机理是必须解决的一个关键科学问题，有待深入探索。结合上述（1）和（2）两个特点，笔者认为，冰胶电子束光刻的曝光过程应该发生在一次电子对于冰晶的解理。而传统的电子束光刻曝光机理是二次电子打断有机分子价链，因而分辨率受制于入射电子的扩束（beam spread）和二次电子的扩散长度。因此，冰胶电子束光刻将有望克服传统EBL中永远无法解决的邻近效应（proximity effect）。该文章报道了运用iEBL技术，在10keV的加速电压下，在100 nm厚的冰胶上实现了20 nm宽的凹槽。如果进一步限制热传导效应，将能够实现更细的光刻线条，从而大大增强光刻图形的高宽比。

 

（5）由于冰胶在常温下立刻自行液体化，这为半导体器件工艺中良率不高的去胶剥离（lift off）带来了提高成功率的曙光。

 

（6）基于水分子（H2O）的冰胶与传统的有机化学不相容，为有机化学光刻胶大家族中增添了一个性能独特的新成员，为纳米加工工艺的拓宽带来广阔的发展前景。一个比较突出的发展方向是，如果将水溶物质掺入冰光刻胶，在iEBL下，将自行形成介质纳米结构，如3D纳米光子晶体等。

 

（7）由于整个光刻过程发生在固体相中，避免了在传统EBL的显影中由于液体表面张力造成的密集图形的倒塌，使得高密度纳米线条光刻成为可能，解决了EBL中另一个重大技术障碍。

 

 

因此，西湖大学仇旻教授（原浙江大学教授）领导的团队所采用的iEBL为纳米加工与光刻领域开辟了一个新的研究领域，具有广阔的应用前景。通过iEBL，有望实现一系列纳米加工上新的突破，包括三维（3D）光子晶体的制备、3D纳米结构的新技术、大高宽比纳米光栅的图形化、无机材料的图形化等等。笔者相信，通过对于iEBL机理和应用的深入研究，这个独创的纳米“冰雕”技术，必将成为纳米加工中一个不可或缺的重要分支，为当今科技的发展带来强大的技术支持新手段。

 

“冰刻”纳米加工新技术

 

撰文 | 崔波 （加拿大滑铁卢大学）

 

电子束光刻同集成电路一样，初始于上个世纪五十年代末。在今天，电子束光刻由于其超高分辨率和灵活性，仍是纳米加工的首选方法。但是在过去的半个多世纪里，电子束光刻的基本步骤并没什么实质的改变，仍沿用初期的匀胶，曝光，然后显影等步骤。变化的是仪器设备越来越先进，电子束流越来越大加上光刻胶变得更加敏感以极大减小曝光时间。

 

最近，仇旻教授课题组用一种另类的电子束光刻技术——冰刻，即以冰作为电子束光刻胶来取代传统的聚合物胶，实现了在真空腔室中方便快捷地制备3D纳米金属结构、灰度图形以及悬空的纳米结构。这项成果克服了传统电子束光刻技术制备3D结构工艺过程复杂、对准困难、引入污染等诸多难题，在未来的3D纳米结构和器件应用中将极具应用潜力。而且，由于冰是在零下130℃直接凝华到样品上，从而省去了传统工艺中的匀胶步骤。后者需要把胶事先溶解到一个有机溶剂里；另外，由于冰受热即可被气化，所以也省略了显影步骤。这使得冰刻的步骤比传统电子束光刻大大简化，而且由于不需要强腐蚀性的有机溶剂，它是一个很“温和”的纳米加工方法，从而尤其适用于在不规则表面或易损柔性材料上进行纳米加工。

 

这项工作开辟了一个新的研究领域，为“冰刻”纳米加工技术，以及其它类似纳米加工技术，展现了更为广泛的研究潜力。 

 

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