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(shù)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，重點描述了其在三維納米加工領(lǐng)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(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，不僅工序復(fù)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(shù)。該技術(shù)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(zhǔn)、適用于非平面襯底等特點，在三維微納加工領(lǐng)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(xué)工學(xué)院仇旻教授擔(dān)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(shù)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(shù)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(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，冰刻無需勻膠和化學(xué)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)，還可以將納米顆粒“串”在直徑僅為幾個納米的碳納米管上。這些對于傳統(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，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(zhǔn)十分有利。

鑒于冰刻工藝對于儀器設(shè)備有著很強的依賴性，技術(shù)難度之大，國際上這一前沿領(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)研究團隊是國內(nèi)首個開展冰刻技術(shù)研究和系統(tǒng)研發(fā)的課題組，與美國哈佛大學(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，并對冰刻加工系統(tǒng)的研制給出了設(shè)計和指導(dǎo)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(shù)會在更多前沿與交叉科學(xué)的研究中大放異彩。

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