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本文系统评估了电子束光刻（EBL）在绝缘玻璃基底上制备光学超表面时面临的电荷积累问题，重点比较了三种电荷管理策略：优化电子束抗蚀剂（EBR）厚度、旋涂导电聚合物层和沉积金属覆盖层。研究表明，20 nm金覆盖层通过建立高效导电通路可实现最低线边缘粗糙度（LER）0.24 nm，为生物传感（biosensing）和生物成像（bioimaging）应用的高精度纳米加工提供了关键技术支撑。
光学超表面（metasurfaces）作为一种能够实现纳米尺度光场调控的人工结构，在生物传感（biosensing）和生物成像（bioimaging）领域展现出巨大潜力。电子束光刻（EBL）因其高分辨率特性成为制备此类器件的关键技术，但在绝缘性玻璃基底上加工时，电荷积累导致的图案畸变、线边缘粗糙度（LER）增加和套刻误差等问题严重制约了加工精度。本研究通过对比三种电荷管理策略，系统分析了其作用机制和优化路径。
电子束抗蚀剂厚度对图案保真度的影响
通过控制AR6200系列抗蚀剂的旋涂参数，分别制备了800 nm（6200.18）、200 nm（6200.09）和150 nm（6200.04）三种厚度的样品。暴露实验采用20 kV加速电压，设计图案为210 nm × 70 nm的矩形阵列。扫描电镜（SEM）结果显示，800 nm厚抗蚀剂制备的结构出现明显缺口和变形，而150 nm样品则呈现出最完整的边缘轮廓。线边缘粗糙度定量分析表明，抗蚀剂厚度从800 nm减至150 nm时，LER从1.70 nm降至1.03 nm，降幅达39.4%。这种改善源于薄层抗蚀剂中更短的电荷耗散路径和更局域化的电场分布。
旋涂导电聚合物层的电荷管理增强
在抗蚀剂表面旋涂40 nm厚导电聚合物（电导率约0.8 S/m）后，各厚度样品的图案质量均显著提升。800 nm抗蚀剂的LER从1.70 nm降至1.25 nm，而150 nm样品更是达到0.47 nm。该聚合物层通过形成连续导电网络，使积累的电荷能够横向扩散并通过样品台接地导走。这种水溶性材料的易去除特性，使其在保证加工精度的同时不会影响后续工艺。
高导电金覆盖层对图案保真度的优化
采用热蒸发沉积20 nm金层（电导率3.3×104S/m）作为电荷耗散层，展现出最优性能。金覆盖的800 nm抗蚀剂LER降至0.82 nm，150 nm样品更是达到0.24 nm的极低值。金属层的高导电性确保了电荷的快速横向迁移，有效抑制了局部电场畸变。与硅基底上的参照实验对比发现，金覆盖玻璃样品的LER仅比硅基底高8.5%-17.6%，证明该方法可近乎完全消除基底绝缘性带来的影响。
结论与策略选择建议
三种策略呈现清晰的效能梯度：抗蚀剂减薄通过缩短电荷路径实现基础改善，导电聚合物提供可移除的中等导电路径，而金属覆盖层则建立最高效的电荷耗散通道。针对不同应用场景推荐分级方案：轻度电荷积累优先选择抗蚀剂优化，中度问题采用聚合物涂层，而金覆盖层适用于高精度要求的严重充电场景。值得注意的是，尽管金属层显著改善了边缘粗糙度，但由电子散射引起的邻近效应仍会导致图案截面呈椭圆形，这需要通过剂量调制等补偿技术进一步优化。本研究为玻璃基光子器件的高精度制造提供了切实可行的工艺路线图。
