浅谈冰刻三维纳米加工技术

冰胶电子束光刻（简称冰刻）是一种新型加工方法。最近一篇综述回顾了冰刻技术的发展历史和现状，重点描述了其在三维纳米加工领域的优势。文章刊登在Science Bulletin 2019年第12期。

电子束光刻是采用聚焦电子束与化学胶作用后获得图案化结构的微纳米加工技术。电子直写的灵活性和高分辨率使它广泛应用于微纳加工领域。传统电子束光刻制作三维结构依赖额外制备的标记用于定位和对准，在历经多次匀胶、曝光、显影、沉积和剥离等加工步骤后标记很难辨认，不仅工序复杂而且加工精度无法得到保障。冰胶电子束光刻（简称冰刻），即由水蒸气或其他气体冷凝后形成的固体冰薄膜取代传统光刻胶进行电子束曝光，是近年来兴起的一种新型微纳加工技术。该技术能够简化电子束光刻加工流程，具有容易去胶剥离、原位对准、适用于非平面衬底等特点，在三维微纳加工领域独树一帜。

图1.  冰刻加工流程图。水冰起“正胶”作用，烷烃类有机冰起“负胶”作用

最近，一篇由浙江省3D微纳加工和表征研究重点实验室、西湖大学工学院仇旻教授担任通讯作者撰写的综述文章(Ice lithography for 3D nanofabrication)发表在Science Bulletin上。文章首先对冰刻微纳加工技术的发展历程进行了梳理，之后归纳总结了现有的冰胶材料及其加工特性，重点描述了冰刻技术在三维纳米加工方面的优势。

水冰薄膜可被聚焦电子束直写最早是在2005年被发现，它也是目前为止唯一起“正胶”作用的冰胶。而烷烃类和醇类等碳氢化合物冷冻后形成的有机冰可作为“负胶”。两者的差异体现在，水冰经电子曝光后的区域直接被去除，有机冰则是未曝光区域在加热至室温后蒸发消失。从而在后续的图案转移过程中，前者需要通过低温沉积来实现，后者可以在常温下刻蚀完成。

冰刻技术虽然处于起步阶段，但在三维微纳加工方面已经彰显出巨大潜力。与传统电子束光刻相比，冰刻无需匀胶和化学显影步骤，同时冰胶可以均匀地覆盖在非平面衬底上。例如，利用冰刻可以在原子力显微镜探针针尖上制作纳米结构，还可以将纳米颗粒“串”在直径仅为几个纳米的碳纳米管上。这些对于传统技术工艺都极具挑战。另外，得益于水冰的电子敏感度非常低，已有结构覆盖冰胶后依然可以被电子扫描成像并清晰可见，冰刻的这一独特优势对于微纳加工过程中实现纳米精度的对准十分有利。

鉴于冰刻工艺对于仪器设备有着很强的依赖性，技术难度之大，国际上这一前沿领域的研究组屈指可数。仇旻教授曾领导的浙江大学研究团队是国内首个开展冰刻技术研究和系统研发的课题组，与美国哈佛大学以及丹麦技术大学拥有目前世界上仅有的三台冰刻原型设备。这篇综述最后回顾了冰刻仪器的发展史，并对冰刻加工系统的研制给出了设计和指导意见。

今后，随着功能性冰胶的研究和发现，相信冰刻技术会在更多前沿与交叉科学的研究中大放异彩。

该研究得到国家自然科学基金（批准号：61425023）、国家重点研发计划（批准号：2017YFA0205700）、欧盟“地平线2020”研究计划玛丽居里基金的资助。