电子束实验仪结构原理

目前光刻技术存在被美国“卡脖子”，不只是工业用的，包括科研用的电子束曝光机也只能购买到落后国外两三代的产品。而电子束曝光是由高能量电子束和光刻胶相互作用，使胶由长（短）链变成断（长）链，实现曝光，相比于光刻机具有更高的分辨率，主要用于制作光刻掩模版、硅片直写和纳米科学技术研究，是半导体微电子制造及纳米科技的关键设备、基础设备。3D纳米结构高速直写机的技术起源光刻技术严重制约着我国半导体工业及科研领域的发展。近年来，一种基于热扫描探针光刻技术的产品3D纳米结构高速直写机有望替代电子束曝光机。3D纳米结构高速直写机（NanoFrazor）的主要技术起源于上世纪九十年代，由诺贝尔奖获得者Binnig教授在IBM Zurich实验室所主导的千足虫计划。该计划原本的目标是用类似原子力显微镜探针的热探针达到1Gb/s的高速数据存储读写。图1为千足虫计划中，制备的热探针的扫描电子显微图像。[1]图1. 千足虫计划所制备的热探针的扫描电子显微图像。[1]2010年后，研究团队逐渐把研究热点从数据的高速读写逐渐转向了扫描热探针用于高精度灰度光刻技术（t-SPL）。随着t-SPL技术的逐渐成熟，2014年推出了首款商业化高精度3D纳米结构高速直写机，NanoFrazor Explore 图2b)。为满足市场的不同需求，2017年推出台式系统NanoFrazor Scholar，图2a)。[2]图2 不同型号的NanoFrazor。a)为台式NanoFrazor Scholar系统，b)为旗舰型NanoFrazor Explore。[2]随后，于2019年无掩模激光直写系统被成功地整合到了旗舰型NanoFrazor Explore系统中，实现了在NanoFrazor中从微米加工到纳米加工的无缝衔接。有望替代电子束光刻技术目前NanoFrazor的技术主要用于科研院所的高端纳米器件制备，已有集成激光直写的系统以加快大尺寸大面积微纳米结构的刻写。由10根探针组成的探针阵列已经在Beta客户端测试中。在和IBM苏黎世的合作项目中已经开始了用于工业批量生产的全自动系统的原型设计。。NanoFrazor的优势体现在以下几个方面。首先，NanoFrazor是首款实现3D纳米结构直写的光刻设备，其垂直分辨率可高达1nm。因此，此设备不仅可以制备在2D方向上高分辨率复杂图案的无掩模刻写，还可以制备3D复杂纳米结构，例如复杂的光学傅里叶表面结构，图3所示。[3]图3，用NanoFrazor制备的光学傅里叶表面结构。[3]第二，由于NanoFrazor的光刻原理是通过热探针直接在热敏胶上进行刻写，与热探针接触的胶体部分被直接分解，与电子束曝光（EBL）技术相比所制备的图案不会被临近场效应所影响。因此使用t-SPL技术制备的器件，光刻胶可以被去除的非常干净，从而改善半导体材料和金属电极的接触情况，提高电子器件的性能。图4为NanoFrazor工艺中所用的热敏胶和EBL工艺中所用的光敏胶在去胶工艺后的光刻胶表面残留情况。[4]图4 采用t-SPL技术和EBL技术去胶后光刻胶表面残留对比，图中比例尺为500nm。[4]第三， 由于NanoFrazor所采用的的t-SPL光刻技术，避免了电子注入对材料的损伤，特别适合电子敏感类材料相关器件的制备。与此同时NanoFrazor针尖虽然温度很高，但是和样品的接触面积只有纳米尺度，所以样品表面不会受到高温影响，样品表面温度升高小于50度。第四，传统光刻技术中，需要通过显影才能观察到光刻图案。而使用t-SPL技术进行光刻时，热敏胶直接被热探针分解，然后再通过同步成像系统可以立即得到刻蚀图案的形貌。同时使用闭环控制刻写深度，保证纵向1nm的刻写精度。在实际使用中，可以对样品表面已有的微结构成像，实时设计套刻图案进行刻写，非常适合科学科研和新品研发。此外，相比于传统的电子束刻蚀等技术产品，NanoFrazor可以在常温常压环境中使用，维护简单费用低。其主要耗材为热探针，耗材费用将低于目前通用的电子束刻蚀系统的耗材维护费用。科研领域的得力干将目前情况来看，国内和国外的主要用户都集中在科研院所。这一特点在推广尚属早期的国内市场尤为突出。QD中国正在尽全力把NanoFrazor和相关技术介绍给中国区的用户。NanoFrazor在国内的高精度3D光刻领域暂无竞争对手，在2D光刻领域与EBL存在着某些重叠。NanoFrazor产于中立国瑞士，受国际政治影响较小。热敏胶由德国AllResist公司生产销售，热探针目前仍然由IBM苏黎世供应，计划明年由德国IMS公司生产提供，不存在卡脖子问题。凭借强大的性能，NanoFrazor帮助科研人员在多领域中取得了一系列优秀成果。在光学方面，苏黎世联邦理工的Nolan Lassaline等人使用NanoFrazor制备了周期性和非周期性的光学表面结构。[3] 制备的多元线性光栅允许利用傅里叶光谱工程精确调控光信号。实验表面，使用NanoFrazor制备的任意3D表面的方法，将为光学设备（生物传感器，激光器，超表面和调制器）以及光子学的新兴区域（拓扑结构，转换光学器件和半导体谷电子学）带来新的机遇。该论文已于2020年经发表于Nature。在电子学方面，纽约城市大学的Xiaorui Zheng等人利用NanoFrazor制备了基于MoS2的场效应管。[4] 他们的研究结果表明，使用t-SPL技术制备的器件很好地解决了困扰EBL工艺的非欧姆接触和高肖脱基势垒等问题。器件的综合电子学性能也远优于传统工艺所制备的器件。该论文于2019年发表于Nature Electronics。在3D微纳加工方面，IBM使用NanoFrazor制备的纳米微流控系统控制纳米颗粒的输运方向，并成功分离不同大小尺寸的纳米颗粒，直径相差1nm的纳米颗粒可以用此方法进行分离[6]。该方法可以用于分离样品中的病毒等纳米物体。该论文于2018年发表于Science。IBM苏黎世研究院的Pires等人利用NanoFrazor的3D加工工艺，成功地制备出了高度仅为25nm的瑞士最高峰马特宏峰，如图5所示。[5] 后经吉尼斯世界纪录认证为世界上最小的马特宏峰。优于新颖的加工工艺和优异的3D加工精度，该论文与2010年发表于Science。图5 利用NanoFrazor制备的高度仅有25nm的世界最小马特宏峰。[5]在二维材料研究方面，NanoFrazor的热探针可以直接用于二维材料的掺杂[7]，切割[8]和应力调制[9]，开创了二维材料器件制备的新方法。论文于2020年发表于Nature Communications, Advanced Materials和NanoLetters等期刊上。目前国内用户对NanoFrazor在实验上的表现十分满意，已有国内用户在Advanced Materials等顶级期刊发表文章。关于QUANTUM量子科学仪器QUANTUM量子科学仪器贸易（北京）有限公司（以下简称QDC）是世界知名的科学仪器制造商——美国 Quantum Design International 公司（以下简称QD Inc.）在全世界设立的诸多子公司之一。QD Inc.生产的 SQUID 磁学测量系统 (MPMS) 和材料综合物理性质测量系统 (PPMS) 已经成为世界公认的顶级测量平台，广泛的分布于世界上几乎所有材料、物理、化学、纳米等研究领域尖端的实验室。同时QD Inc.还利用自己遍布世界的专业营销和售后队伍打造一个代理分销网络，与世界其他领先的设备制造商合作，为其提供遍布全球的专业产品销售和售后服务网络，2007 年QD Inc.并购了欧洲最大的仪器分销商德国 LOT 公司，使得QD Inc.全球代理分销和售后网络变得更加完整和强大。由于在华业务的不断发展，QD Inc.于2004年在中国注册成立了全资中国子公司QDC。经过10多年的耕耘发展，目前QDC拥有一支高素质的科学技术服务队伍，其中技术销售及售后技术支持团队全部由硕士学历以上人才组成（其中近70%为博士学历），多年来为中国的顶级实验室和科研机构提供专业科学仪器设备、技术支持、以及科技咨询服务。这些优秀的雇员都曾被派往美国总部及欧美日等尖端科研仪器厂家进行专业系统的培训，经过公司十多年的培养，成为具有丰富的科学实验仪器应用经验的专家。他们为中国的研究机构带来了最尖端的产品和最新的科技动态，为中国科研人员的研究工作提供了强有力的支持。QDC作为引进先进技术设备进入中国的桥梁，靠着过硬的尖端产品、坚实的技术实力、一流的服务质量赢得了中国广大科研客户的赞誉。Quantum Design中国子公司还积极致力于发展与中国本地科学家的合作，并将先进的实验室技术通过技术转移进行商业化。目前Quantum Design中国子公司正立足于公司本部产品，积极致力于材料物理、纳米表征和测量技术、生物及生命科学技术领域的新业务。Quantum Design中国子公司已逐渐成为中国与世界进行先进技术、先进仪器交流的一个重要桥头堡。引用文献1. Eleftheriou, E., et al., Millipede-a MEMS-based scanning-probe data-storage system. IEEE transactions on magnetics, 2003. 39(2): p. 938-945.2. https://heidelberg-instruments.com/product/nanofrazor-explore/ .3. Lassaline, N., et al., Optical fourier surfaces. Nature, 2020. 582(7813): p. 506-510.4. Zheng, X., et al., Patterning metal contacts on monolayer MoS 2 with vanishing Schottky barriers using thermal nanolithography. Nature Electronics, 2019. 2(1): p. 17-25.5. Pires, D., et al., Nanoscale three-dimensional patterning of molecular resists by scanning probes. Science, 2010. 328(5979): p. 732-735.6. Skaug et al., Nanofluidic rocking Brownian motors. Science, 2018. 359: p. 1505-1508.7. Zheng, X, et al., Spatial defects nanoengineering for bipolar conductivity in MoS2. Nature Communications, 2020. 11:3463.8. Liu, et al., Thermomechanical Nanocutting of 2D Materials. Advanced Materials.9. Liu, et al., Thermomechanical Nanostraining of Two-Dimensional Materials. NanoLetters.关注Quantum Design中国官方微信公众号，了解更多前沿资讯！（Quantum Design 中国 供稿）

生物体从宏观到微观，再到纳米尺度的多级复合结构，使其具有诸多独特的优异性能。人们很早就开始模仿生物的特殊功能，来发明和应用新技术。例如人们根据苍蝇特殊的“复眼”结构，仿照制成了“蝇眼透镜”，用它作镜头可以制成“蝇眼照相机”，一次就能照出千百张相同的相片；还有仿照水母耳朵的结构和功能，人们设计了水母耳风暴预测仪；根据蛙眼的视觉原理，研制成功了一种电子蛙眼，能准确无误地识别出特定形状的物体！图：苍蝇特殊的“复眼”结构（图片来源于网络）这就是早期的仿生学应用，但随着科技的进步和纳米技术的迅速发展，人们开始将仿生学应用到纳米尺度，研究者通过模仿生物的纳米结构仿生制造出类似的超微结构，以此来探究和获取生物的特殊功能。在纳米微结构加工领域，常用的微纳光刻技术有纳米压印、紫外光刻、X射线曝光等技术。而在最近的一项研究中，昆士兰科技大学的研究团队首次将电子束曝光（EBL）技术应用于生物纳米结构的仿生制造，并取得了重要研究成果。目前，该项研究论文已被Journal of Materials Chemistry（IF=4.776）录用，论文题目为Multi-biofunctional properties of three species of cicada wings and biomimetic fabrication ofnanopatterned titanium pillars。研究中涉及的大量仿生制备工作由TESCAN 的EBL完成，并使用了TESCAN MIRA3场发射扫描电子显微镜表征细胞间相互作用。图：研究论文已被Journal of Materials Chemistry（IF=4.776）录用由于蝉翼具有多功能生物特性，如超疏水性，自清洁和杀菌作用等，人们对其在生物医学上的应用产生了浓厚兴趣。昆士兰科技大学Prasad KDV Yarlagadda及其研究团队对蝉翼的杀菌和细胞相容特性进行了系统研究，并首次使用电子束曝光技术（EBL）进行蝉翼结构的仿生制造，加工出类似的纳米锥阵列结构，经研究发现，其同样具有杀菌和生物相容性。首先，研究人员使用了SEM，AFM，TEM等多种微观分析技术对三种不同种类的澳大利亚蝉翅膀表面的纳米结构进行了表征。研究人员观察到，三种蝉翼表面均具有独特的形貌结构，虽然凸起的高度、直径、间距和密度并不完全相同，但都呈现出锥状的纳米柱阵列。图：不同物种的蝉翅具有不同高度、间距、直径和密度的纳米柱结构研究人员分别采用了在蝉翼上附着铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌细胞和人成骨细胞的方法来探究昆虫翅膀的杀菌活性和生物相容性。实验证明，三种蝉翼均具有很好的杀菌活性，且附着人成骨细胞的蝉翅细胞形态在24小时后仍然保持完整，表明它们仍然具有生物相容性。在该项研究中，研究人员尝试进行蝉翼结构的仿生制造。由于是纳米尺度的阵列结构，一般的刻蚀、沉积方法均无法实现。而常规的电子束曝光（EBL）技术也无法实现如此规模的锥体制造。昆士兰科技大学的研究团队巧妙地利用电子束在光刻胶中的散射，通过控制电子束能量，制作出椎体的“模子”，然后利用沉积生长出需要的椎体，最后腐蚀掉所有光刻胶，得到了完美的纳米锥阵列。图：仿生纳米锥阵列的制作过程示意图最终制备的仿生Ti纳米锥的高度为116 ~282nm，锥形柱的顶端直径最小达13.3nm，底部直径93.6nm左右。并且，进一步实验发现，其同样具有杀菌性和生物相容性。昆士兰科技大学的这项研究成果对于纳米仿生学的应用具有重大意义。 图：通过EBL技术制备的仿蝉翼结构的Ti纳米锥陈列图：（E）在制备出的仿生Ti纳米锥阵列上附着铜绿假单胞菌细胞；（F）对照Ti柱和仿生纳米Ti柱上附着的人成骨细胞的活性；（G）在仿生Ti纳米锥阵列上附着扩散良好的成骨细胞；电子束曝光（EBL）技术是一种电子束直写技术，是利用电子束在涂有对电子敏感的高分子聚合物（光刻胶）的基底上直接描画出图形，通过刻蚀实现微小结构的加工。电子束曝光（EBL）技术避免了传统方法中对模板加工和使用的复杂过程，其高分辨、高度灵活性、高灵敏度的特点也受到研究人员关注，且EBL制备方法更加简单，更容易制备出小尺寸的各种花样的周期性结构。在上述工作中，昆士兰科技大学研究团队使用了TESCAN MIRA3高分辨场发射扫描电子显微镜搭配TESCAN自主研发的电子束曝光（EBL）技术出色完成了相关工作。不久前，昆士兰科技大学新采购了一台TESCAN最新的S8000X Xe Plasma FIB-SEM，这是一款功能强大的氙等离子源FIB，配置了TESCAN最新一代的多项专利技术，期待昆士兰科技大学未来取得更多的研究成果！图：昆士兰科技大学最新采购的TESCAN S8000X Xe等离子源FIB-SEM 注释：该项研究由昆士兰科技大学研究团队完成，相关论文目前已通过了英国皇家化学学会（Royal Society of Chemistry）评审，论文稿件已被录用，将于不久后在网上公开发布。

超短超强激光脉冲可以在等离子体中激发梯度超过100 GV/m的加速电场，这比传统金属射频腔可以提供的加速电场高了1000倍以上，有望大幅缩小加速器规模，使桌面型粒子源/辐射源成为现实。目前，激光等离子体加速所采用的主流注入机制（如自注入，离化注入，碰撞光注入等）无法兼顾被加速束团电荷量、能散和发射度等参数，很难让它们同时得到优化。近日，李大章、曾明特聘青年研究员带领的加速器中心新加速原理研究团队提出一种新型注入机制，利用两束同轴激光干涉形成的多壳层空泡结构的演化，俘获背景等离子体中的电子。模拟结果显示，在此种注入机制下，有望利用200 TW量级激光器，产生中心能量750 MeV，能散0.4%，电荷量150 pC，归一化发射度0.2 mm mrad的高品质电子束。此结果已在近期发表在《Matter and Radiation at Extreme》杂志上。当一束波前曲率迅速变化的紧聚焦激光脉冲与一束波前平坦的大光斑激光脉冲同轴同向传播时，两束光会发生干涉，并在等离子体中形成洋葱状的周期性多壳层空泡结构（如图a所示）。随着两束光继续向前传播，空泡将在横向发生膨胀，电子回流时间变长，从而引起空泡结构的纵向拉伸，最终导致尾场相速度降低。此时等离子体背景电子将有机会被尾场俘获并加速。在此种注入机制下，较长的注入长度保证了较大的电荷量，空泡纵向膨胀诱导的注入减弱了束流的相混合，空泡尾部壳层的散焦力降低了电子被俘获时的横向动量。因此，此注入机制可兼具高电荷量，低能散和小发射度的优点（如图b，图c所示）。