在接近零下130度的真空环境中，水蒸气可凝结成一层超级光滑的薄冰。科学家们使用这种特殊的“冰”代替了传统电子束曝光中的光刻胶材料，在微纳米尺度上创造了几种三维金属结构：金字塔，蘑菇和桥梁。利用这种抗冰（iEBL或Ice EBL）技术的新颖且简单的电子束光刻有望显示出三维微纳加工的潜力。

2018年6月25日，由邱伟教授领导的浙江大学现代光学仪器国家重点实验室的研究人员在纳米快报杂志上发表了题为“利用水冰的三维原位电子束光刻技术”的论文， 3D纳米加工方法，基于电子束光刻，使用抗冰剂（iEBL）。该论文由浙江大学博士生余红；博士后研究员赵鼎；西湖大学光学工程系赵鼎和邱宇教授等共同撰写。

iEBL是一种标准的电子束光刻技术(EBL)技术，用于设计纳米级的器件、系统和功能材料。

EBL是扫描聚焦电子束以在覆盖有称为抗蚀剂（曝光）的电子敏感膜的表面上绘制定制形状的实践。暴露于电子束改变了抗蚀剂的溶解度，使得能够通过将其浸入显影剂中来选择性地去除抗蚀剂的曝光或未曝光区域。电子束光刻的主要优点是它可以绘制低于10纳米分辨率的自定义图案（直接写入）。

但是，在实际情况下很难。仪器的轻微振动，外部磁场的干扰和操作员的经验将影响这种直接书写形式的最终结果。

目前，电子束曝光的准确度约为60-80nm，相当于人发的千分之一。

随着对微纳米器件小型化和精细化的需求不断增加，科学家们越来越意识到光刻工艺的局限性。该论文的第一作者，浙江大学博士后研究员赵鼎说：“制作三维结构需要非常繁琐冗长的步骤。重复进出真空和非真空环境，任何灰尘都可能在这个过程中破坏样本。“

“另一个限制是光刻胶难以清洁，残留物几乎不可避免，这将影响产品的准确性；如果用超声波清洗代替，则还有损坏结构的风险。”

“如果使用冰代替光刻胶材料，结果会非常不同。”

冰图案和相应金属结构的注释SEM图像

几年前，哈佛大学的一个研究小组提出了“冰辅助电子束光刻”的概念，而邱伟团队希望在3D微纳器件加工领域推进该技术。 “当冰暴露在电子束中时，它会'自我消失'，留下一个三维结构模板。”这大大缩短了加工步骤。因此，他们提出了一种基于电子束光刻的3D纳米制造方法，使用冰抗蚀剂（iEBL）和通过堆叠分层结构和具有剂量调制曝光的那些制造3D纳米结构。

经过6年的研究和开发，邱伟教授的团队建立了一个新的扫描电子显微镜（SEM），集成了液氮杜瓦瓶，水蒸气注入器，气闸室和金属沉积室。

“iEBL”工艺只需要五个步骤：冷却，冰沉积，暴露，材料蒸发和剥离。使用他们改良的Zeiss Sigma场发射扫描显微镜，邱伟团队成功地创造了金字塔，蘑菇和桥梁等纳米三维形状。虽然大大简化了步骤，但工作质量也令人印象深刻：分辨率高达20 nm，定位精度低于100 nm。

图：iEBL的基本步骤：（a）冷却：将样品冷却至-130°C; （b）冰层沉积：将水蒸气注入SEM中并沉积在样品上以形成防冰层; （c）曝光：接触电子束;部分冰层直接去除; （d）材料蒸发：将样品在真空环境中转移到涂覆室中; （e）剥离：取出样品并置于异丙醇中以熔化冰层。

标准EBL工艺需要额外的曝光和开发步骤以进行对准，并且需要12个单独的3D纳米加工步骤。 iEBL的整个过程是通过跳过旋涂和开发常用抗蚀剂所需的步骤在一个真空系统中实现的。与传统方法相比，这需要更少的处理步骤并且无污染。

我们在日常生活中看到的水的固态，如雪花、霜和冰，是水的结晶状态。 “iEBL”所需要的是无定形冰。 “在扫描电子显微镜下，无定形冰的表面非常光滑，”洪宇介绍说，“结晶冰面的微观结构不均匀，有许多棱角边缘，不利于精细操作。”

水的结晶状态

更多实验发现，真空中130度附近只是水蒸气凝结成无定形冰的条件。 “我们后来发现这恰好是彗星的气候环境，而彗星上的冰也处于这种无定形状态，”邱说。

冰的光滑度允许电子束在冰上雕刻更精细的三维结构。 “我们还尝试在纳米银线上涂上纳米银牌，厚度为人发的千分之一，”洪宇说。

邱伟认为，iEBL工艺可用于制造新的、复杂的光电器件，这些器件基于量子点，纳米管，纳米线，石墨烯，纤维等材料。 “这些独特的优势使其成为3D微纳加工技术的强大竞争对手。”