文章來源：C Lighting

原文作者：王凱（WangK)

電子束光刻技術使得對構成多種納米技術基礎的納米結構特征實現精細控制成為可能。納米結構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，并開發了涵蓋從光學到流體等多個物理領域、用以制造創新器件和標準的工藝流程。

電子束光刻技術可實現對納米結構特征的精細控制，這些特征構成了各種器件技術的基礎，其性能能夠達到橫向分辨率10nm（Lateral resolution），定位精度1nm（placement accuracy），以及圖形化區域（patterning fields）達1mm的水平。然而，要實現這些性能指標，需依賴眾多相互關聯的因素，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，以及至關重要的光刻系統操作細節。

作為核心能力，研究人員開發接近或達到傳統電子束光刻極限的工藝流程，以推動多個領域的納米級器件與測量科學的發展，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（用于傳感、轉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來創建的器件示例包括：a. 微環諧振器，用于產生頻梳；b. 紫外波長的金屬透鏡；c. 單光子源的微腔；d. 用于測量與轉換的納米梁光機械晶體。

在納米制造領域，特別是電子束光刻技術中，光刻設計的精確性是決定性的因素。目前，布局設計普遍采用的是半導體行業標準軟件。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計時，顯得不那么適宜，因為這些領域的設計常常涉及到具有極端縮小尺寸的復雜曲線幾何結構。

在III-V族半導體中，自組裝量子點作為量子技術中單光子的優質來源，展現出巨大的潛力。

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

納米光子結構能夠控制光與物質的相互作用，從而在芯片上實現了線性、非線性、量子光學及光機械現象的觀察與應用。這種控制是通過光在納米結構中的強約束實現的。

然而，小于10nm的尺寸變化會導致光傳播的巨大變化。

因此，制造過程需要精心控制以實現可復現的性能表現——這不僅是應用上的迫切需求，也是器件開發周期中的必要條件。

具體而言，這意味著能夠通過電磁仿真設計納米光子結構，然后進行制造，并在一種良性循環中測量器件，從而持續達到高性能的可復現性。

用于分子識別和測序的電子束光刻技術：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。