电子束光刻技术实现对纳米结构特征的精细控制

文章来源：C Lighting

原文作者：王凯（WangK)

电子束光刻技术使得对构成多种纳米技术基础的纳米结构特征实现精细控制成为可能。纳米结构制造与测量的研究人员致力于提升纳米尺度下的光刻精度，并开发了涵盖从光学到流体等多个物理领域、用以制造创新器件和标准的工艺流程。  

电子束光刻技术可实现对纳米结构特征的精细控制，这些特征构成了各种器件技术的基础，其性能能够达到横向分辨率10nm（Lateral resolution），定位精度1nm（placement accuracy），以及图形化区域（patterning fields）达1mm的水平。然而，要实现这些性能指标，需依赖众多相互关联的因素，这些因素特定于样品本身，包括图案定义与断裂、基底与掩模材料、曝光前后的处理过程、对准特征的定义，以及至关重要的光刻系统操作细节。

作为核心能力，研究人员开发接近或达到传统电子束光刻极限的工艺流程，以推动多个领域的纳米级器件与测量科学的发展，例如：用于精密时钟的芯片级频梳（chip-scalefrequency combs for precision time-keeping）、波长与量子频率转换的非线性集成光学（nonlinear integratedoptics for wavelength and quantum frequency conversion）、片上腔光机械及微/纳机电系统（用于传感、转换与非线性动力学研究）（on-chipcavity optomechanical and micro/nano-electromechanical systems for sensing,transduction and non-linear dynamics studies）、集成量子光子电路（含非线性与量子发射光源）以支持量子信息（quantumphotonic integrated circuits with non-linear and quantum emitter light sourcesfor quantum information）、覆盖紫外到红外的超表面（用于原子离子操控、偏振测量、成像及超快激光脉冲的空间时间整形）（meta-surfaces from UV toinfrared for trapping and probing atoms and ions, polarimetry, imaging, andspatiotemporal ultrafast laser pulse shaping）、以及用于像差校正的光学显微镜标准（opticalmicroscopy standards for aberration correction）。

通过电子束光刻技术来创建的器件示例包括：a. 微环谐振器，用于产生频梳；b. 紫外波长的金属透镜；c. 单光子源的微腔；d. 用于测量与转换的纳米梁光机械晶体。

在纳米制造领域，特别是电子束光刻技术中，光刻设计的精确性是决定性的因素。目前，布局设计普遍采用的是半导体行业标准软件。然而，这类软件在面对纳米光子学、纳米等离子体学、纳米流体学以及纳米力学器件设计时，显得不那么适宜，因为这些领域的设计常常涉及到具有极端缩小尺寸的复杂曲线几何结构。

在III-V族半导体中，自组装量子点作为量子技术中单光子的优质来源，展现出巨大的潜力。

纳米光子学的结构设计是关键，它能最大化地收集单个量子点释放的光子。我们已经设计并制造了砷化镓(GaAs)纳米光子结构，该结构能高效地将嵌入的砷化铟(InAs)量子点发射的单光子引导进入硅基光子集成电路中。虽然硅光子电路在大规模量子系统中大有可为，但我们的方法提供了仅靠Si无法实现的关键功能。挑战在于，量子点的自组装导致对其空间位置的控制有限。

纳米光子结构能够控制光与物质的相互作用，从而在芯片上实现了线性、非线性、量子光学及光机械现象的观察与应用。这种控制是通过光在纳米结构中的强约束实现的。

然而，小于10nm的尺寸变化会导致光传播的巨大变化。

因此，制造过程需要精心控制以实现可复现的性能表现——这不仅是应用上的迫切需求，也是器件开发周期中的必要条件。

具体而言，这意味着能够通过电磁仿真设计纳米光子结构，然后进行制造，并在一种良性循环中测量器件，从而持续达到高性能的可复现性。

用于分子识别和测序的电子束光刻技术：支持金属-绝缘体-金属交界处的Si3N4薄膜，带有通过分析隧道电流噪声进行分子识别的图案化狭缝纳米孔。