电子束光刻用有机冰材料

今天制造的许多电子设备都是使用光刻或电子束光刻技术制造的，这是一个漫长的过程，需要在昂贵的洁净室环境中进行多个阶段的化学处理。但多亏了丹麦技术大学的Marco Beleggia领导的研究小组，这种情况将会改变。通过利用电子物质的相互作用，研究人员可以触发一层冻结的挥发性有机分子转化为固体产品的纳米级转变。他们的研究对电子设备的制造具有巨大的实际意义。

科学和艺术经常被视为学术光谱两端的两个截然相反的东西。这些研究领域之间的共同点是如此之少，以至于在极少的情况下，当它们的现代实践者相互融合时，合作通常被描述为突破性的、有远见的，或者在拨款申请的情况下，是有风险的。这种观点的问题在于，它根本不正确。例如，列奥纳多·达·芬奇不仅是历史上最伟大的艺术家之一，他也是最伟大的思想家之一。除了《蒙娜丽莎》和《最后的晚餐》，达芬奇还通过实验、观察和设计促进了我们对世界的理解。他用21世纪科学家们普遍使用的工具和技术，为我们提供了他所做的一切的详细记录。

今天，科学和艺术之间的交叉并不那么明显;但它仍然存在。例如，目前几乎所有的电子设备都是用光刻或电子束光刻技术制造的，光刻技术最早是由一位艺术家在18世纪晚期发明的。科学给这一过程带来了一些变化，但基本的步骤仍然保持不变，尽管艺术世界中的平版印刷自1796年以来几乎没有改变，但直到今天它仍然是科学界的一个活跃的研究领域。在电子器件的情况下，需要新的和改进的制造方法，以进一步扩大应用范围，并使它们更容易获得。来自丹麦技术大学(DTU Nanolab)国家纳米制造和表征中心的Anna Elsukova, Ding Zhao和Marco Beleggia开发了一种新的方法，使电子束光刻更加简单。

如何电子束光刻执行。在礼物？
在艺术世界中，光刻类似于浮雕，在帆布的一部分中被从涂料或其他介质遮挡，从而形成图案化图像。但是，如果Stencilling使用卡片或另一种固体材料，光刻使用油和其他化学物质。例如，水基涂料不会粘附在用油预处理的帆布 - 油的作用，以抵抗帆布吸收涂料。通过利用这一点，艺术家可以先用油漆洗涤之前“涂上”图像，以涂抹成品。

在制造电子设备的同时，基本过程基于相同的想法。在光刻中，使用与油漆光刻中使用的油具有相同的功能的所谓抗蚀剂来产生所需的电子设备和电路的所需形状。最初，在特定区域中暴露于电离辐射之前，将抗蚀剂层叠在基板材料的整个表面上。该步骤类似于将模板切出卡的艺术家 - 或用油抗蚀剂创建图像。选择抗蚀剂，以便在暴露时反应的方式。

这显示出巨大的潜力，复杂的3D和功能纳米器件的制造了广泛的应用，而唯一的边界左边是我们的想象。

EBL利用聚焦电子束来书写(或绘制)小于10纳米的图形特征，使之成为一种纳米制造技术。在暴露过程中，在抗蚀剂内部发生两种相互竞争的化学反应，即断链和交联反应，其中一种或另一种占主导地位。链断裂使组成分子的抗碎裂性降低，而交联则使它们结合起来形成分子量增加的分子。曝光后，抗蚀剂浸泡在一种叫做显影剂的合适化学物质中。根据曝光过程中的主导过程，曝光或未曝光区域将溶解在显影槽中，从而创建电路布局。如果暴露的抗蚀剂被显影剂除去，它被认为具有积极的基调。在相反的情况下，它有一个消极的基调。正是这种纳米制造技术使更小、更高效的电子设备得以生产。

DTU纳米实验室团队的新方法显著降低了方法的复杂性。值得注意的是，整个过程可以使用单一的仪器进行，而不需要所谓的洁净室环境:一个相对没有环境污染物的房间。此外，他们的方法虽然比传统EBL慢，但比另一种称为聚焦电子束诱导沉积的方法快得多。

有机抗冰光刻:一种新方法
3D结构可以使用EBL制作，只需重复整个过程几次，将每个新的部分叠加在上一个部分上，但这非常昂贵和耗时。这一过程所依赖的工具在普通实验室中是找不到的，而且每一步都需要不同的设备。此外，纳米制造中最重要的因素之一是对洁净室环境的要求，这将很快增加与生产设备相关的成本。

2017年，DTU南诺罗布队的研究人员提出了一种令人兴奋的新替代方法。他们表明，简单的有机分子 - 例如烃和醇 - 可用于在低温下形成薄膜，该薄膜是EBL的抗蚀剂。他们发现当冷冻有机化学品暴露于聚焦电子束时，它们以有趣的方式反应：它们在暴露部位形成固体，非挥发性产品。实际上，这就是当前在整个行业使用的多阶段EBL过程中发生的事情 - 研究人员很快意识到他们的技术具有巨大的潜力。他们迄今为止他们尝试过的所有有机化学品以相同的方式反应。它们的新方法是指有机冰致抗光刻（OIRL）通过将有机蒸汽冷凝到保持在低温温度的基板上。冷凝的冰层用作负色调抗蚀剂。

一旦电子束图案化完成，通过使基材温热至室温，产生与传统EBL方法相同的最终产品，除去未曝光的抗蚀剂。

与传统EBL方法相比，OIRL有两个明显的优点。首先，整个过程只需要一台机器，由于没有多个化学处理阶段，因此不需要洁净室环境。其次，以蒸汽的形式沉积抗蚀剂可以在任何表面上实现更均匀的覆盖，就像在艺术品中使用喷漆而不需要任何笔触一样。

什么是光刻胶材料性能的影响？
在进一步的工作中，该团队研究了作为抗蚀剂的材料的分子量如何影响最终产品中特征的大小。特征尺寸仅仅是图案细节能有多小:毫米、微米或纳米的尺寸。EBL通常可以实现几个纳米尺度的特征尺寸，但这受到许多不同变量的影响，包括使用的抗蚀剂的特性、光束的特性、开发过程和仪器的限制。由于OIRL过程更简单，因此获得抗蚀剂材料的分子量和特征尺寸之间的关系比EBL更直接。

由于研究人员深入进入过程的潜在机制，因此可以实现更可能的改进。

事实上，研究人员已经证明了有机冰阻的分子量与图案特征尺寸之间的明确关系，并得到了4.5纳米的特征尺寸。他们还证明，他们的结果与从一个连接分子量、特征尺寸和光束轮廓的数学模型得到的输出结果是一致的。

有机抗冰光刻的未来
“传统EBL已经达到了其分辨率限制，下一步研究方向正在开发新的抗蚀剂。我们的工作与这种趋势保持良好，“Beleggia说。他和他的团队认为，Oirl可以找到成功的利基作为一种直接制造具有所需功能性质的材料的方法。他们特别感兴于冒险进入生物电体化领域。“我们希望利用有机冰和聚焦电子束之间的相互作用，直接从简单的有机分子中建立功能装置 - 进一步降低光刻工艺的两次和成本。但首先，我们需要了解曝光期间抵制发生的情况，“Elsukova解释道。

“目前，我们正在与量子检测组巴塞尔大学合作，以展示对3D纳米制造技术OIRL的好处。”赵说。

虽然DTU纳米实验室的研究人员只是刚刚开始揭示在电子束下冰抵抗物的物理和化学转变的本质，但他们的OIRL技术已经证明是成功的。现在可以以更有效和更具成本效益的方式进行EBL。由于研究人员深入进入过程的潜在机制，因此可以实现更可能的改进。

由于赵亮点，“我们的方法需要更少的处理步骤，几乎没有污染。它显示了在广泛的应用中制造复杂的3D和功能纳米型的巨大潜力，剩下的唯一边界是我们的想象力。“