淺談冰刻三維納米加工技術(shù)

冰膠電子束光刻（簡(jiǎn)稱冰刻）是一種新型加工方法。最近一篇綜述回顧了冰刻技術(shù)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，重點(diǎn)描述了其在三維納米加工領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。文章刊登在Science Bulletin 2019年第12期。

電子束光刻是采用聚焦電子束與化學(xué)膠作用后獲得圖案化結(jié)構(gòu)的微納米加工技術(shù)。電子直寫(xiě)的靈活性和高分辨率使它廣泛應(yīng)用于微納加工領(lǐng)域。傳統(tǒng)電子束光刻制作三維結(jié)構(gòu)依賴額外制備的標(biāo)記用于定位和對(duì)準(zhǔn)，在歷經(jīng)多次勻膠、曝光、顯影、沉積和剝離等加工步驟后標(biāo)記很難辨認(rèn)，不僅工序復(fù)雜而且加工精度無(wú)法得到保障。冰膠電子束光刻（簡(jiǎn)稱冰刻），即由水蒸氣或其他氣體冷凝后形成的固體冰薄膜取代傳統(tǒng)光刻膠進(jìn)行電子束曝光，是近年來(lái)興起的一種新型微納加工技術(shù)。該技術(shù)能夠簡(jiǎn)化電子束光刻加工流程，具有容易去膠剝離、原位對(duì)準(zhǔn)、適用于非平面襯底等特點(diǎn)，在三維微納加工領(lǐng)域獨(dú)樹(shù)一幟。

圖1. 冰刻加工流程圖。水冰起“正膠”作用，烷烴類有機(jī)冰起“負(fù)膠”作用

最近，一篇由浙江省3D微納加工和表征研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、西湖大學(xué)工學(xué)院仇旻教授擔(dān)任通訊作者撰寫(xiě)的綜述文章(Ice lithography for 3D nanofabrication)發(fā)表在Science Bulletin上。文章首先對(duì)冰刻微納加工技術(shù)的發(fā)展歷程進(jìn)行了梳理，之后歸納總結(jié)了現(xiàn)有的冰膠材料及其加工特性，重點(diǎn)描述了冰刻技術(shù)在三維納米加工方面的優(yōu)勢(shì)。

水冰薄膜可被聚焦電子束直寫(xiě)最早是在2005年被發(fā)現(xiàn)，它也是目前為止唯一起“正膠”作用的冰膠。而烷烴類和醇類等碳?xì)浠衔锢鋬龊笮纬傻挠袡C(jī)冰可作為“負(fù)膠”。兩者的差異體現(xiàn)在，水冰經(jīng)電子曝光后的區(qū)域直接被去除，有機(jī)冰則是未曝光區(qū)域在加熱至室溫后蒸發(fā)消失。從而在后續(xù)的圖案轉(zhuǎn)移過(guò)程中，前者需要通過(guò)低溫沉積來(lái)實(shí)現(xiàn)，后者可以在常溫下刻蝕完成。

冰刻技術(shù)雖然處于起步階段，但在三維微納加工方面已經(jīng)彰顯出巨大潛力。與傳統(tǒng)電子束光刻相比，冰刻無(wú)需勻膠和化學(xué)顯影步驟，同時(shí)冰膠可以均勻地覆蓋在非平面襯底上。例如，利用冰刻可以在原子力顯微鏡探針針尖上制作納米結(jié)構(gòu)，還可以將納米顆?！按痹谥睆絻H為幾個(gè)納米的碳納米管上。這些對(duì)于傳統(tǒng)技術(shù)工藝都極具挑戰(zhàn)。另外，得益于水冰的電子敏感度非常低，已有結(jié)構(gòu)覆蓋冰膠后依然可以被電子掃描成像并清晰可見(jiàn)，冰刻的這一獨(dú)特優(yōu)勢(shì)對(duì)于微納加工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)納米精度的對(duì)準(zhǔn)十分有利。

鑒于冰刻工藝對(duì)于儀器設(shè)備有著很強(qiáng)的依賴性，技術(shù)難度之大，國(guó)際上這一前沿領(lǐng)域的研究組屈指可數(shù)。仇旻教授曾領(lǐng)導(dǎo)的浙江大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)是國(guó)內(nèi)首個(gè)開(kāi)展冰刻技術(shù)研究和系統(tǒng)研發(fā)的課題組，與美國(guó)哈佛大學(xué)以及丹麥技術(shù)大學(xué)擁有目前世界上僅有的三臺(tái)冰刻原型設(shè)備。這篇綜述最后回顧了冰刻儀器的發(fā)展史，并對(duì)冰刻加工系統(tǒng)的研制給出了設(shè)計(jì)和指導(dǎo)意見(jiàn)。

今后，隨著功能性冰膠的研究和發(fā)現(xiàn)，相信冰刻技術(shù)會(huì)在更多前沿與交叉科學(xué)的研究中大放異彩。

該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號(hào)：61425023）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（批準(zhǔn)號(hào)：2017YFA0205700）、歐盟“地平線2020”研究計(jì)劃瑪麗居里基金的資助。