在纳米世界，这项技术正挥斥方遒 | 大家

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。

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）

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！

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

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。

然而，电子束光刻纳米加工属于匠心制造。尽管当前全国高校和科研院所已经装备的专业电子束曝光机不少于100台，但高水平成果的产出还远未达到预期规模。

要真正全面掌握好这门高端制造技术，使其更好地为我们的纳米科技发展服务，必须发扬工匠精神，踏踏实实、兢兢业业地潜心钻研，不断丰富工艺经验。只有通过长期的技术沉淀和积累，才能够胜任各种复杂纳米结构和器件的创新与制造。希望有更多的年轻人能够喜欢、并立志终身投入到这门电子束光刻制造的发展中来，为推动我国先进纳米制造的发展作出贡献。