電子束光刻技術(shù)實現(xiàn)對納米結(jié)構(gòu)特征的精細控制

文章來源：C Lighting

原文作者：王凱（WangK)

電子束光刻技術(shù)使得對構(gòu)成多種納米技術(shù)基礎(chǔ)的納米結(jié)構(gòu)特征實現(xiàn)精細控制成為可能。納米結(jié)構(gòu)制造與測量的研究人員致力于提升納米尺度下的光刻精度，并開發(fā)了涵蓋從光學到流體等多個物理領(lǐng)域、用以制造創(chuàng)新器件和標準的工藝流程。

電子束光刻技術(shù)可實現(xiàn)對納米結(jié)構(gòu)特征的精細控制，這些特征構(gòu)成了各種器件技術(shù)的基礎(chǔ)，其性能能夠達到橫向分辨率10nm（Lateral resolution），定位精度1nm（placement accuracy），以及圖形化區(qū)域（patterning fields）達1mm的水平。然而，要實現(xiàn)這些性能指標，需依賴眾多相互關(guān)聯(lián)的因素，這些因素特定于樣品本身，包括圖案定義與斷裂、基底與掩模材料、曝光前后的處理過程、對準特征的定義，以及至關(guān)重要的光刻系統(tǒng)操作細節(jié)。

作為核心能力，研究人員開發(fā)接近或達到傳統(tǒng)電子束光刻極限的工藝流程，以推動多個領(lǐng)域的納米級器件與測量科學的發(fā)展，例如：用于精密時鐘的芯片級頻梳（chip-scalefrequency combs for precision time-keeping）、波長與量子頻率轉(zhuǎn)換的非線性集成光學（nonlinear integratedoptics for wavelength and quantum frequency conversion）、片上腔光機械及微/納機電系統(tǒng)（用于傳感、轉(zhuǎn)換與非線性動力學研究）（on-chipcavity optomechanical and micro/nano-electromechanical systems for sensing,transduction and non-linear dynamics studies）、集成量子光子電路（含非線性與量子發(fā)射光源）以支持量子信息（quantumphotonic integrated circuits with non-linear and quantum emitter light sourcesfor quantum information）、覆蓋紫外到紅外的超表面（用于原子離子操控、偏振測量、成像及超快激光脈沖的空間時間整形）（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學顯微鏡標準（opticalmicroscopy standards for aberration correction）。

通過電子束光刻技術(shù)來創(chuàng)建的器件示例包括：a. 微環(huán)諧振器，用于產(chǎn)生頻梳；b. 紫外波長的金屬透鏡；c. 單光子源的微腔；d. 用于測量與轉(zhuǎn)換的納米梁光機械晶體。

在納米制造領(lǐng)域，特別是電子束光刻技術(shù)中，光刻設(shè)計的精確性是決定性的因素。目前，布局設(shè)計普遍采用的是半導(dǎo)體行業(yè)標準軟件。然而，這類軟件在面對納米光子學、納米等離子體學、納米流體學以及納米力學器件設(shè)計時，顯得不那么適宜，因為這些領(lǐng)域的設(shè)計常常涉及到具有極端縮小尺寸的復(fù)雜曲線幾何結(jié)構(gòu)。

在III-V族半導(dǎo)體中，自組裝量子點作為量子技術(shù)中單光子的優(yōu)質(zhì)來源，展現(xiàn)出巨大的潛力。

納米光子學的結(jié)構(gòu)設(shè)計是關(guān)鍵，它能最大化地收集單個量子點釋放的光子。我們已經(jīng)設(shè)計并制造了砷化鎵(GaAs)納米光子結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能高效地將嵌入的砷化銦(InAs)量子點發(fā)射的單光子引導(dǎo)進入硅基光子集成電路中。雖然硅光子電路在大規(guī)模量子系統(tǒng)中大有可為，但我們的方法提供了僅靠Si無法實現(xiàn)的關(guān)鍵功能。挑戰(zhàn)在于，量子點的自組裝導(dǎo)致對其空間位置的控制有限。

納米光子結(jié)構(gòu)能夠控制光與物質(zhì)的相互作用，從而在芯片上實現(xiàn)了線性、非線性、量子光學及光機械現(xiàn)象的觀察與應(yīng)用。這種控制是通過光在納米結(jié)構(gòu)中的強約束實現(xiàn)的。

然而，小于10nm的尺寸變化會導(dǎo)致光傳播的巨大變化。

因此，制造過程需要精心控制以實現(xiàn)可復(fù)現(xiàn)的性能表現(xiàn)——這不僅是應(yīng)用上的迫切需求，也是器件開發(fā)周期中的必要條件。

具體而言，這意味著能夠通過電磁仿真設(shè)計納米光子結(jié)構(gòu)，然后進行制造，并在一種良性循環(huán)中測量器件，從而持續(xù)達到高性能的可復(fù)現(xiàn)性。

用于分子識別和測序的電子束光刻技術(shù)：支持金屬-絕緣體-金屬交界處的Si3N4薄膜，帶有通過分析隧道電流噪聲進行分子識別的圖案化狹縫納米孔。