摘要：奇妙的纳米世界是指由数个到数百个原子组成的、尺寸在1～100纳米范围内并具有崭新功能的物质结构。历史上由于缺乏纳米制造技术，这个尺寸范围内所发生的自然现象一直是科学认知的盲区。

，从此你的世界多点科学~

大家·科技前沿

MASTERS

陈宜方

复旦大学信息科学与工程学院教授，博士生导师

奇妙的纳米世界是指由数个到数百个原子组成的、尺寸在1～100纳米范围内并具有崭新功能的物质结构。历史上由于缺乏纳米制造技术，这个尺寸范围内所发生的自然现象一直是科学认知的盲区。

1980年代，以计算机为代表的信息技术、材料生长技术和高精密仪器设备的发展，催生了纳米科技。其中，电子束光刻作为一种先进纳米制造技术，为科技人员创造了形形色色、多元的纳米结构和器件，构筑起了一个包罗物理、化学、生物等众多交叉学科的、丰富多彩的纳米世界。

电子束光刻，顾名思义，是采用具有一定动能（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。

如图1（a）所示，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，在工艺流程上，两种光刻过程完全一致兼容。在曝光方式上，二者之间在光刻板的使用和最小线宽的光刻能力上存在差异。而电子束光刻拥有如下一系列得天独厚的技术优势。

（1）高分辨：可以比较容易地实现亚10纳米的光刻线条。（2）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。（3）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。（4）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，也为它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 电子束光刻工艺流程（a）和曝光机的单点串写概念图（b）

电子束光刻的应用

电子束光刻拥有的强大光刻功能及高灵活性和高稳定性，使得该技术在纳米科学基础研究领域和纳米技术的发展等方面有着极其广阔的应用范围。电子束光刻在基础科学研究、先进纳米光刻技术和高端制造等领域大有用武之地。

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等。

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。举个很好的案例：国内外大多数半导体芯片生产企业都拥有电子束光刻设备，其目的是通过电子束直写来生产研发阶段的新一代芯片样机做性能测试表征，从而可以有效避免在产线上研发试验芯片的高费用流片。

电子束光刻的神奇纳米制造案例

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。下面将用具体的纳米制造应用案例来解释：为什么要制造纳米尺度的结构与器件；电子束光刻纳米制造的交叉应用深度与广度；电子束光刻纳米制造的无限神奇。

小就是美！

早在65年前的1959年，美国加州理工学院物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）在他的被誉为20世纪最经典的科学报告《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，解决现有技术无法克服的科技难题。费曼的这个报告，明确阐明了“小就是美！”的纳米科技的真正内涵和理念。

自1960年代发展起来的自上而下的电子束光刻纳米制造，创造出了一系列形形色色的新型纳米结构、器件和系统，解决了自下而上的原子组装技术存在的效率低的难题，推动了1980年代兴起的纳米科技蓬勃发展。

2008年当笔者作为纳米科技首席科学家还在英国卢瑟福阿普尔顿实验室工作期间，收到英国国家广播电台（BBC）牛津频道的邀请：为了庆祝该频道开辟“科学”（Science）栏目10周年，要用电子束光刻技术，将“BBC”“STFC”和“Science Matters”等字样刻写在蜜蜂细毛上以展示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，如图2（b）。图2（c）是采用电子束在蜂毛上直写纳米尺度文字的扫描电镜照片。这个成功的震撼之处就在于：小就是美！

图2 在蜜蜂的细毛上刻字。（a）蜜蜂照片；（b）蜜蜂羽毛扫描电镜照片；（c）笔者运用电子束光刻技术在蜂毛上刻写出纳米尺度的文字

史上最小的纳米印章

然而，与大规模生产相比，电子束光刻存在着速度慢、产量低的缺陷。为此，在美国明尼苏达大学工作的华人科学家周裕于1995年在国际上发明了纳米压印光刻技术，开辟了一条低成本、大规模制造纳米结构和器件的新路径。尽管如此，纳米压印模板制造是这个技术发展的瓶颈之一。电子束光刻纳米制造很好地解决了这个技术瓶颈。图3展示了笔者及其学生制造的各种纳米尺度压印模板。其中，图3（a）所展示的是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，应该算是史上最小的纳米刻印图章！

图3 笔者及其学生用电子束光刻分别在硅、碳化硅和玻璃上制造的各种各样的纳米压印模板。其中（a）制作在硅材料上的压印图章；（b）～（d）为各种不同功能的纳米压印模板

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。我们可以用电子束这支纤细神笔，按照原图在纳米尺度层面刻画出三维图形。图4展示的是笔者学生运用电子束灰度光刻成功生成的科学巨人纳米肖像画。

图4 由笔者学生用电子束灰度光刻生成的科学巨人的纳米肖像画。（a）和（b）为爱因斯坦纳米肖像；（c）为复旦大学前校长谢希德先生的纳米肖像画

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（如图5所示），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，“闪蝶”之名由此而来。

图5 自然界动植物有各种颜色。（a）蜥蜴；（b）红锯蛱蝶；（c）南美闪蝶；（d）南美闪蝶翅膀截面的透射电镜照片，显示出垂直排列的周期性光栅结构

纳米光子学的基本原理指出：任何材料发出某种闪亮的颜色必须是具有方向性的，即只能在某一个方向才能显示出耀眼的亮度。而南美闪蝶的翅膀却在一个广大的视角范围都显示出耀眼的蓝色，有悖于最基本的光学原理。这种奇异的光学特性激发了世界各地的科学家浓厚的兴趣，并促使他们做了大量的科学研究。

300多年前荷兰科学家列文虎克和英国科学家牛顿分别对于南美闪蝶的蓝色之谜做过研究。牛顿曾预言：南美闪蝶翅膀里肯定具有周期性的光栅结构。但这种光栅究竟是如何排列而使得蝴蝶翅膀在各个方向都发出闪亮的蓝色，牛顿没能给出任何解释。直到1930年代透射电子显微镜的发明，科学家获得了闪蝶翅膀的内部结构，终于揭开了这个世纪之谜。

然而，闪蝶翅膀内部竖直排列的光栅结构给纳米仿制带来了难题。长期以来，科学家只能用这种天然翅膀作为模具，用材料浇筑的方法来仿制蝴蝶翅膀结构，进行光学基础研究。

笔者的博士生采用电子束在多层胶里做穿透曝光的创新工艺，成功仿制出南美闪蝶的竖直光栅结构，获得了同样的闪耀蓝色，并用对外来入射光的准多层反射模型，定量解释了南美闪蝶的耀眼蓝色之谜，也为人工仿制蝴蝶翅膀研发了纳米制造技术。

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，如图6所示。采用电子束光刻实现这样的T型栅极是

来源：世界科学