白虎

陈宜方

复旦大学信息科学与工程学院训导，博士生导师

奇妙的纳米宇宙是指由数个到数百个原子构成的、尺寸在1～100纳米范围内并具有簇新功能的物资结构。历史上由于缺少纳米制造手艺，这个尺寸范围内所发生的当然风景一直是科学解析的盲区。

1980年代，以狡计机为代表的信息手艺、材料滋长手艺和高精密仪器成立的发展，催生了纳米科技。其中，电子束光刻看成一种先进纳米制造手艺，为科技东说念主员创造了形描写色、多元的纳米结构和器件，构筑起了一个包罗物理、化学、生物等繁多交叉学科的、丰富多彩的纳米宇宙。

电子束光刻，顾名念念义，是采器用有一定动能（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明后，对事先涂敷在衬底名义的光刻胶——最常用的如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）——进行曝光和显影，杀青纳米法式的图形化。

如图1（a）所示，一般情况下，聚焦电子束雀斑尺寸在7至10纳米之间。与明后光刻比较，在工艺历程上，两种光刻过程实足一致兼容。在曝光样式上，二者之间在光刻板的使用和最小线宽的光刻智力上存在互异。而电子束光刻领有如下一系列先天不足的手艺上风。

（1）高分辨：不错比较容易地杀青亚10纳米的光刻线条。（2）高天真性：由于无需光刻板，光刻图形不错按照需求随时更变。（3）高踏实性：现时专科电子束曝光机性能高度踏实，使得电子束光刻的工艺窗口踏实可控。（4）高可靠性：光刻性能叠加性和可靠性王人十分优秀。关系词，电子束光刻的单点串写曝光格式，也为它带来了一个首要颓势：图形化速率慢，导致产量低，不相宜半导体分娩的大界限制造。

图1 电子束光刻工艺历程（a）和曝光机的单点串写见地图（b）

电子束光刻的应用

电子束光刻领有的刚劲光刻功能及高天真性和高踏实性，使得该手艺在纳米科学基础盘考领域和纳米手艺的发展等方面有着极其宽广的应用范围。电子束光刻在基础科学盘考、先进纳米光刻手艺和高端制造等领域大有用武之地。

基础科学盘考 纳米物理（纳米光子学、超构名义材料的光场调控、纳米电子学、新式纳米光热电效应、量子输运、量子狡计和通讯），纳米结构与器件（二维材料的光学、电学以及输运特质），纳米物理化学，纳米仿生学，纳米生物，纳米医疗会诊与保健等。

先进纳米光刻手艺险些总计的光刻手艺王人需要采用电子束光刻为其制造光刻板或光刻磨具，包括明后光刻（全息/过问光刻、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分娩方面也不祥处处找到电子束光刻的用武之地。关系词，由于电子束光刻纳米制形资本高、产量低，其分娩制造只是相宜高价值、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法式T型栅直写、守密芯片制造、高档别防伪码的制造和军工分娩等。举个很好的案例：国表里大多数半导体芯片分娩企业王人领有电子束光刻成立，其缱绻是通过电子束直写来分娩研发阶段的新一代芯片样机作念性能测试表征，从而不错有用幸免在产线上研发考研芯片的高用度流片。

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手艺采集首，形成了基于电子束光刻的纳米制造工艺历程和体系。底下将器用体的纳米制造应用案例来诠释：为什么要制造纳米法式的结构与器件；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尽神奇。

小便是好意思！

早在65年前的1959年，好意思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世纪最经典的科学答谢《在底层有填塞的空间》中指出：在原子构成的分子结构“底层”按照新的表面和限定构成簇新的纳米材料，不错创造出有别于当然界当然发生的任何材料，领有簇新的特质，将给东说念主类在动力、制造、环保、医疗、安全和通讯等领域带来新的冲突，惩办现存手艺无法克服的科技贫乏。费曼的这个答谢，明确论述了“小便是好意思！”的纳米科技的委果内涵和理念。

自1960年代发展起来的从上至下的电子束光刻纳米制造，创造出了一系列形描写色的新式纳米结构、器件和系统，惩办了从下到上的原子拼装手艺存在的效果低的贫乏，鼓舞了1980年代兴起的纳米科技鼎沸发展。

2008年当笔者看成纳米科技首席科学家还在英国卢瑟福阿普尔顿推行室责任时候，收到英国国度播送电台（BBC）牛津频说念的邀请：为了庆祝该频说念迷惑“科学”（Science）栏目10周年，要用电子束光刻手艺，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。蜂毛的直径跟东说念主类的头发一样，苟简为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法式翰墨的扫描电镜像片。这个收效的颤动之处就在于：小便是好意思！

图2 在蜜蜂的细毛上刻字。（a）蜜蜂像片；（b）蜜蜂羽毛扫描电镜像片；（c）笔者利用电子束光刻手艺在蜂毛上刻写出纳米法式的翰墨

史上最小的纳米印记

关系词，与大界限分娩比较，电子束光刻存在着速率慢、产量低的颓势。为此，在好意思国明尼苏达大学责任的华东说念主科学家周裕于1995年在外洋上发明了纳米压印光刻手艺，迷惑了一条低资本、大界限制造纳米结构和器件的新旅途。尽管如斯，纳米压印模板制造是这个手艺发展的瓶颈之一。电子束光刻纳米制造很好地惩办了这个手艺瓶颈。图3展示了笔者偏激学生制造的各式纳米法式压印模板。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 笔者偏激学生用电子束光刻差别在硅、碳化硅和玻璃上制造的各式种种的纳米压印模板。其中（a）制作在硅材料上的压印图章；（b）～（d）为各式不同功能的纳米压印模板

科学巨东说念主的纳米肖像画

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不错杀青三维图形，称为电子束灰度光刻。咱们不错用电子束这支纤细神笔，按照原图在纳米法式层面描摹出三维图形。图4展示的是笔者学生利用电子束灰度光刻收效生成的科学巨东说念主纳米肖像画。

图4 由笔者学生用电子束灰度光刻生成的科学巨东说念主的纳米肖像画。（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

揭示南好意思闪蝶蓝色翅膀的世纪之谜

当然界中的很多晶体矿石、动物身上的某些组织（变色龙皮、鱼鳞、孔雀羽毛）和植物（花草）等有各式心理（如图5所示），但这些心理实质上并不是材料的色素形成的，而是其里面一些周期性成列的纳米结构关于光的散射、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盛名的南好意思闪蝶翅膀发出的精明的蓝色，“闪蝶”之名由此而来。

图5 当然界动植物有各式心理。（a）蜥蜴；（b）红锯蛱蝶；（c）南好意思闪蝶；（d）南好意思闪蝶翅膀截面的透射电镜像片，表露出垂直成列的周期性光栅结构

纳米光子学的基容许趣指出：任何材料发出某种闪亮的心理必须是具有标的性的，即只可在某一个标的才能表露出精明的亮度。而南好意思闪蝶的翅膀却在一个雄壮的视角范围王人表露出精明的蓝色，有悖于最基本的光学旨趣。这种奇异的光学特质引发了宇宙各地的科学家浓厚的兴味，并促使他们作念了大王人的科学盘考。

300多年前荷兰科学家列灯谜克和英国科学家牛顿差别关于南好意思闪蝶的蓝色之谜作念过盘考。牛顿曾预言：南好意思闪蝶翅膀里确定具有周期性的光栅结构。但这种光栅究竟是奈何成列而使得蝴蝶翅膀在各个标的王人发出闪亮的蓝色，牛顿没能给出任何诠释。直到1930年代透射电子显微镜的发明，科学家取得了闪蝶翅膀的里面结构，终于揭开了这个世纪之谜。

关系词，闪蝶翅膀里面竖直成列的光栅结构给纳米仿制带来了贫乏。永恒以来，科学家只可用这种自然翅膀看成模具，用材料浇筑的才能来仿制蝴蝶翅膀结构，进行光学基础盘考。

笔者的博士生采用电子束在多层胶里作念穿透曝光的改进工艺，收效仿制出南好意思闪蝶的竖直光栅结构，取得了雷同的耀眼蓝色，并用对外来入射光的准多层反射模子，定量诠释了南好意思闪蝶的精明蓝色之谜，也为东说念主工仿制蝴蝶翅膀研发了纳米制造手艺。

微波/太赫兹波器件的构筑艺术

微波和太赫兹波手艺在通讯、雷达成像、安检、传感、环境监测和医疗会诊等领域有着首要的应用。在如斯高频下责任的半导体器件如晶体管等白虎，其里面的关节结构（栅电极）不仅在尺寸上必须处于纳米尺寸范围，并且栅电极的几何结构必须是T型，如图6所示。采用电子束光刻杀青这么的T型栅极是