冰膠電子束光刻（簡稱冰刻）是一種新型加工方法。最近一篇綜述回顧了冰刻技術的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，重點描述了其在三維納米加工領域的優(yōu)勢。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膠作用后獲得圖案化結(jié)構(gòu)的微納米加工技術。電子直寫的靈活性和高分辨率使它廣泛應用于微納加工領域。傳統(tǒng)電子束光刻制作三維結(jié)構(gòu)依賴額外制備的標記用于定位和對準，在歷經(jīng)多次勻膠、曝光、顯影、沉積和剝離等加工步驟后標記很難辨認，不僅工序復雜而且加工精度無法得到保障。冰膠電子束光刻（簡稱冰刻），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)光刻膠進行電子束曝光，是近年來興起的一種新型微納加工技術。該技術能夠簡化電子束光刻加工流程，具有容易去膠剝離、原位對準、適用于非平面襯底等特點，在三維微納加工領域獨樹一幟。

圖1. 冰刻加工流程圖。水冰起“正膠”作用，烷烴類有機冰起“負膠”作用

最近，一篇由浙江省3D微納加工和表征研究重點實驗室、西湖大學工學院仇旻教授擔任通訊作者撰寫的綜述文章(Ice lithography for 3D nanofabrication)發(fā)表在Science Bulletin上。文章首先對冰刻微納加工技術的發(fā)展歷程進行了梳理，之后歸納總結(jié)了現(xiàn)有的冰膠材料及其加工特性，重點描述了冰刻技術在三維納米加工方面的優(yōu)勢。

水冰薄膜可被聚焦電子束直寫最早是在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氫化合物冷凍后形成的有機冰可作為“負膠”。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)移過程中，前者需要通過低溫沉積來實現(xiàn)，后者可以在常溫下刻蝕完成。

冰刻技術雖然處于起步階段，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，冰刻無需勻膠和化學顯影步驟，同時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為幾個納米的碳納米管上。這些對于傳統(tǒng)技術工藝都極具挑戰(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，冰刻的這一獨特優(yōu)勢對于微納加工過程中實現(xiàn)納米精度的對準十分有利。

鑒于冰刻工藝對于儀器設備有著很強的依賴性，技術難度之大，國際上這一前沿領域的研究組屈指可數(shù)。仇旻教授曾領導的浙江大學研究團隊是國內(nèi)首個開展冰刻技術研究和系統(tǒng)研發(fā)的課題組，與美國哈佛大學以及丹麥技術大學擁有目前世界上僅有的三臺冰刻原型設備。這篇綜述最后回顧了冰刻儀器的發(fā)展史，并對冰刻加工系統(tǒng)的研制給出了設計和指導意見。

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

該研究得到國家自然科學基金（批準號：61425023）、國家重點研發(fā)計劃（批準號：2017YFA0205700）、歐盟“地平線2020”研究計劃瑪麗居里基金的資助。