《Photonics》：Extreme Ion Beams Produced by a Multi-PW Femtosecond Laser: Acceleration Mechanisms, Properties and Prospects for Applications
编辑推荐：
本文系统评估了三种抑制电子束光刻（EBL）在玻璃绝缘基底上电荷积累的策略：优化电子束抗蚀剂（EBR）厚度、旋涂导电聚合物层及沉积金属覆盖层。研究发现，减薄EBR厚度可缩短电荷耗散路径，而20 nm金覆盖层通过提供高导电通路实现了最佳的图案保真度（线边缘粗糙度LER低至0.24 nm），为玻璃基光子器件和元光学应用提供了可靠的纳米加工方案。
光学超表面作为一种能够在纳米尺度精确调控光场的二维结构，在生物传感和生物成像领域的应用日益广泛。其性能高度依赖于构成纳米结构的加工精度，而电子束光刻作为一种直写式、无需掩模的高分辨率图案化技术，因其能够突破光学衍射极限并实现亚纳米级的特征定义，成为制备此类器件的关键手段。然而，当电子束光刻应用于玻璃等绝缘基底时，其性能会受到电荷积累问题的严重制约。曝光过程中，积聚的表面电荷会偏转入射电子束，导致图案畸变、线边缘粗糙度增加、位置误差等一系列缺陷，严重时甚至会引起静电放电损伤。这些不利效应还会因电子散射和邻近效应而加剧，共同降低了实现先进元光学器件所需的高图案保真度。
实验设备与方法
研究采用了硼硅酸盐玻璃作为基底，通过旋涂不同型号的AR6200系列电子束抗蚀剂来获得800 nm、200 nm和150 nm三种厚度。此外，还分别在抗蚀剂表面旋涂了40 nm厚的有机导电聚合物层或通过热蒸发沉积了20 nm厚的金覆盖层。纳米结构阵列的曝光在20 kV加速电压的电子束光刻系统上进行，曝光后分别去除导电层并进行显影，最终使用扫描电子显微镜在低电压下测量线边缘粗糙度，以量化评估图案化质量。
电子束抗蚀剂厚度对图案保真度的影响
为了评估电子束抗蚀剂厚度的影响，研究设计了210 nm × 70 nm的矩形阵列图案。结果表明，抗蚀剂厚度对图案质量有显著影响。在800 nm厚的抗蚀剂中形成的图案显示出严重的缺口和形状不完整；200 nm厚的抗蚀剂图案虽有改善，但仍存在部分变形；而150 nm厚的抗蚀剂则产生了边缘最锐利、结构最完整的图案。线边缘粗糙度的定量测量进一步证实了这一趋势：800 nm、200 nm和150 nm抗蚀剂对应的线边缘粗糙度值分别为1.70 nm、1.25 nm和1.03 nm，减薄抗蚀剂厚度显著改善了图案质量和边缘清晰度。这种改善归因于更可控的电荷积累和耗散动力学：在薄层中，入射电子束更容易穿透，沉积的电荷更靠近抗蚀剂-基底界面，电荷耗散路径更短，从而最小化了总积累电荷和内部电场强度，减少了电子束偏转。
旋涂导电聚合物层增强电荷管理
在抗蚀剂表面旋涂一层约40 nm厚、电导率约为0.8 S/m的有机导电聚合物，为积累的电荷提供了导电路径。该聚合物层将绝缘的抗蚀剂-玻璃堆栈转变为接地的导电系统，建立了一个连续的导电网络，使电荷能够横向扩散并通过样品台的接地连接有效耗散。实验结果显示，施加导电聚合物层后，所有厚度抗蚀剂的图案质量均得到提升。800 nm抗蚀剂的线边缘粗糙度从1.70 nm降至1.25 nm；200 nm和150 nm抗蚀剂则分别达到0.94 nm和0.47 nm。该层通过提供低电阻路径实现近乎实时的电荷泄放，并确保在整个曝光区域均匀耗散电荷，从而抑制了导致图案畸变的局部电场。
高导电金覆盖层实现卓越图案保真度
沉积20 nm厚的金覆盖层（电导率约3.3×104S/m）是最高效的电荷管理策略。金层在抗蚀剂表面形成了一个连续、均匀的高导电平面，通过样品台的接地建立了低电阻的对地路径，使入射电荷能够通过金属层内的横向传导迅速耗散。这从根本上抑制了局部电荷积累，稳定了电子束的电气参考平面，确保了关键尺寸控制和精确的特征定位。实验结果令人印象深刻：金覆盖层使800 nm抗蚀剂的线边缘粗糙度大幅降低至0.82 nm；200 nm和150 nm抗蚀剂更是分别达到0.41 nm和0.24 nm的超低值。与在导电硅基底上获得的结果（800 nm: 0.75 nm, 200 nm: 0.40 nm, 150 nm: 0.22 nm）相比，金覆盖层在玻璃上实现的图案保真度已非常接近，表明其有效中和了基底充电效应。
策略比较与结论
本研究对三种电荷抑制策略进行了系统比较，揭示了其有效性层级。优化电子束抗蚀剂厚度通过减少电荷捕获体积和缩短耗散路径，提供了一种本质的、基于材料的改进方案，适用于中等充电条件。导电聚合物覆盖层在增加导电性和工艺简便性之间取得了平衡，但其性能受限于中等电导率。而金覆盖层则创建了一个高效接地的导电平面，最能有效地中和表面电荷，是实现高精度图案化不可或缺的策略，尤其适用于必须消除严重充电效应的场景。选择何种策略应基于所需的图案精度、充电问题的严重程度以及允许的工艺复杂性。尽管金属覆盖层引入了额外的工艺步骤（如热蒸发和后续蚀刻），但其在提升图案保真度方面的优势是显著的。值得注意的是，即使用了金覆盖层，显影后的纳米结构在扫描电镜显微照片中仍呈现椭圆形而非理想矩形截面，这主要归因于电子束光刻固有的邻近效应，未来的研究需要结合邻近效应校正技术来最终实现形状保真度。
综上所述，本研究通过实证比较，为在绝缘玻璃基底上进行高精度电子束光刻提供了清晰的电荷管理框架。特别是20 nm金覆盖层策略，为实现玻璃基集成光子学和光学超表面器件的高保真纳米加工铺平了道路，有力地支持了生物传感和生物成像等前沿应用的发展。
