電子束光刻構筑的納米世界

奇妙的納米世界是指由數個到數百個原子組成的、尺寸在1～100納米范圍內并具有嶄新功能的物質結構。歷史上由于缺乏納米制造技術，這個尺寸范圍內所發生的自然現象一直是科學認知的盲區。1980年代，以計算機為代表的信息技術、材料生長技術和高精密儀器設備的發展，催生了納米科技。其中，電子束光刻作為一種先進納米制造技術，為科技人員創造了形形色色、多元的納米結構和器件，構筑起了一個包羅物理、化學、生物等眾多交叉學科的、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光刻中的光線，對預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）——進行曝光和顯影，實現納米尺度的圖形化。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厚的技術優勢。（1）高分辨：可以比較容易地實現亞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整。（3）高穩定性：當前專業電子束曝光機性能高度穩定，使得電子束光刻的工藝窗口穩定可控。（4）高可靠性：光刻性能重復性和可靠性都非常優秀。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，導致產量低，不適合半導體生產的大規模制造。

電子束光刻的應用

電子束光刻擁有的強大光刻功能及高靈活性和高穩定性，使得該技術在納米科學基礎研究領域和納米技術的發展等方面有著極其廣闊的應用范圍。電子束光刻在基礎科學研究、先進納米光刻技術和高端制造等領域大有用武之地。

基礎科學研究 納米物理（納米光子學、超構表面材料的光場調控、納米電子學、新型納米光熱電效應、量子輸運、量子計算和通訊），納米結構與器件（二維材料的光學、電學以及輸運特性），納米物理化學，納米仿生學，納米生物，納米醫療診斷與保健等。

先進納米光刻技術 幾乎所有的光刻技術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）的預制光刻板和納米壓印模板等。

高端制造 在高端工業生產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、產量低，其生產制造僅僅適合高價值、低量產的商品。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等。舉個很好的案例：國內外大多數半導體芯片生產企業都擁有電子束光刻設備，其目的是通過電子束直寫來生產研發階段的新一代芯片樣機做性能測試表征，從而可以有效避免在產線上研發試驗芯片的高費用流片。

電子束光刻的神奇納米制造案例

將電子束光刻與傳統的半導體工藝技術相結合，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用案例來解釋：為什么要制造納米尺度的結構與器件；電子束光刻納米制造的交叉應用深度與廣度；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，美國加州理工學院物理學家理查德 · 費曼（Richard Feynman）在他的被譽為20世紀最經典的科學報告《在底層有充足的空間》中指出：在原子組成的分子結構“底層”按照新的理論和規則組成嶄新的納米材料，可以創造出有別于自然界自然發生的任何材料，擁有嶄新的特性，將給人類在能源、制造、環保、醫療、安全和通信等領域帶來新的突破，解決現有技術無法克服的科技難題。費曼的這個報告，明確闡明了“小就是美！”的納米科技的真正內涵和理念。自1960年代發展起來的自上而下的電子束光刻納米制造，創造出了一系列形形色色的新型納米結構、器件和系統，解決了自下而上的原子組裝技術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展。

2008年當筆者作為納米科技首席科學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”（Science）欄目10周年，要用電子束光刻技術，將“BBC”“STFC”和“Science Matters”等字樣刻寫在蜜蜂細毛上以展示先進納米制造的威力。蜂毛的直徑跟人類的頭發一樣，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，與大規模生產相比，電子束光刻存在著速度慢、產量低的缺陷。為此，在美國明尼蘇達大學工作的華人科學家周裕于1995年在國際上發明了納米壓印光刻技術，開辟了一條低成本、大規模制造納米結構和器件的新路徑。盡管如此，納米壓印模板制造是這個技術發展的瓶頸之一。電子束光刻納米制造很好地解決了這個技術瓶頸。圖3展示了筆者及其學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旦大學校徽壓印模板，其直徑約3微米，邊框線條寬度120 納米，高度300 納米，應該算是史上最小的納米刻印圖章！

科學巨人的納米肖像畫 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展示的是筆者學生運用電子束灰度光刻成功生成的科學巨人納米肖像畫。

揭示南美閃蝶藍色翅膀的世紀之謎

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，而是其內部一些周期性排列的納米結構對于光的散射、衍射、折射和反射等形成的，稱為結構色。其中，最具代表性的莫過于著名的南美閃蝶翅膀發出的耀眼的藍色，“閃蝶”之名由此而來。

納米光子學的基本原理指出：任何材料發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色，有悖于最基本的光學原理。這種奇異的光學特性激發了世界各地的科學家濃厚的興趣，并促使他們做了大量的科學研究。300多年前荷蘭科學家列文虎克（Leeuwenhoek）和英國科學家艾薩克 · 牛頓（Isaac Newton）分別對于南美閃蝶的藍色之謎做過研究。牛頓曾預言：南美閃蝶翅膀里肯定具有周期性的光柵結構。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出閃亮的藍色，牛頓沒能給出任何解釋。直到1930年代透射電子顯微鏡的發明，科學家獲得了閃蝶翅膀的內部結構，終于揭開了這個世紀之謎。然而，閃蝶翅膀內部豎直排列的光柵結構給納米仿制帶來了難題。長期以來，科學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構，進行光學基礎研究。

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

微波/太赫茲波器件的構筑藝術

微波和太赫茲波技術在通信、雷達成像、安檢、傳感、環境監測和醫療診斷等領域有著重要的應用。在如此高頻下工作的半導體器件如晶體管等，其內部的關鍵結構（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構必須是T型，如圖6所示。采用電子束光刻實現這樣的T型柵極是國際上各個發達國家競相研發的高端制造技術。筆者團隊用雙層膠工藝，成功研發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，處于國際先進水平。

同步輻射X射線光學透鏡的匠心之作

同步輻射X射線光源是大科學裝置，我國大陸已經建設運行的有三個，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新一代同步輻射光源。圖7是2009年竣工運行的坐落在上海浦東張江高科技園區的同步輻射裝置，簡稱“上海光源”。這些大科學裝置發射的高質量和高亮度的X射線在材料分析、工業檢測、納米結構探測、生物與醫療診斷、新能源開發和考古等各個領域有著極其廣泛的應用，是解決一系列重大基礎科學問題的國之重器。

然而，X射線聚焦和顯微成像光學系統中的關鍵光學部件——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相對國際發達國家起步較晚，在2013年之前，所有這些光學部件全部依賴國外發達國家，這使得我國相關重大基礎研究的發展受制于他人。筆者團隊自2013年以來，專注研發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，這一產品在國際上也是較前沿的。圖8展示筆者團隊自2013年以來在研制X射線波帶片透鏡的技術發展歷程：從最早的200 納米分辨率透鏡發展到當前具有國際先進水平的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，為中國科學院上海高等研究院的上海同步輻射光源、中國科學院高能物理研究所的同步輻射中心以及全國高校、研究所和高技術公司等提供了各種各樣的X射線透鏡和相關光學部件。

結 語

電子束光刻起始于1960年代，屬于一門較老的圖形轉移技術。但從1980年代起，材料生長、精密儀器和納米制造技術的發展，賦予了電子束光刻新的生命力。當前，基于電子束光刻的納米制造已經發展為一門功能極其強大的高端制造技術。它幾乎“無所不會、無所不能”，為我們創造了豐富多彩、充滿藝術氣息的納米結構。作為推動當今納米科學和納米技術發展必不可少的核心技術，在極其廣闊的基礎研究領域和高端技術發展等方面發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。盡管當前全國高校和科研院所已經裝備的專業電子束曝光機不少于100臺，但高水平成果的產出還遠未達到預期規模。要真正全面掌握好這門高端制造技術，使其更好地為我們的納米科技發展服務，必須發揚工匠精神，踏踏實實、兢兢業業地潛心鉆研，不斷豐富工藝經驗。只有通過長期的技術沉淀和積累，才能夠勝任各種復雜納米結構和器件的創新與制造。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展中來，為推動我國先進納米制造的發展作出貢獻。