正文
·
史密斯理论公式预测的理想值。此外，这个磁透镜相比其静电前身在维护方面也更加便利。
磁过滤器的核心作用是从离子束中有效去除
氧离子
。这些氧离子会导致金属表面在蚀刻过程中出现不规则的点蚀现象，这主要源于氧化物的非均匀形成，进而掩盖了物理溅射过程产生的精细结构特征。这一问题在铝材料加工中表现得尤为突出，通过安装过滤器得到了根本性解决。由于过滤器的磁路设计巧妙地包围了磁极，因此不会产生杂散磁场来干扰
SEM
中电子束的精确准直。
全新的真空系统将样品更换的周期时间从
40
分钟大幅缩减至不足
10
分钟，同时将腔室内压力降低了一个数量级以上，达到了低于
10
-6
毫米汞柱（
10
-4
Pa
）的优异水平，这不仅显著提高了实验效率，更大幅提升了研究质量。
离子蚀刻表面研究与意外发现
我利用这套经过全面改进的装置深入探索了各种单晶金属表面在离子蚀刻过程中的精细结构演变规律。通过系统追踪表面在一系列连续蚀刻步骤中的渐进变化，我发现了一个颠覆既往认知的重要现象：在蚀刻单晶上观察到的平行脊间距并非某个特征距离的固定倍数，而是随着蚀刻过程的持续呈现出逐渐增大的动态变化。我进一步观察到，蚀刻速率最低的表面会在持续蚀刻过程中自然显现并逐渐占据主导地位。
图
2.
铝样品在离子蚀刻的连续阶段。
在这些实验的进行过程中，我开始留意到一个引人深思的现象：
SEM
的电子束似乎在
"
污染
"
样品表面，并显著降低了被检测区域的蚀刻速率。有时可以清晰观察到与线扫描方向完全一致的脊状结构，这些脊从对应扫描起始位置的区域向外延伸。这一现象的成因在于束流会在该位置短暂停留以从
"
回扫
"
状态中恢复，而脊状结构的形成则源于
样品在此处积累了相对较厚的污染物层
，从而有效屏蔽了表面免受离子轰击的影响。
为了验证这一假设，我设计并实施了一个简洁而关键的验证实验：让电子束在一系列单线轨迹上扫描数秒钟，以建立相对较厚的污染保护层，随后对样品进行约
50
纳米深度的精确蚀刻，最后重新进行检查观察。正如理论预期，
污染物确实选择性地保护了表面，在束流扫描轨迹上形成了轮廓清晰的脊状保护结构
。
从意外发现到微加工技术突破
这些脊状结构展现出的卓越清晰度让我敏锐地意识到，这种技术在微加工领域具有巨大的应用潜力。我在
Les Peters
精心制备的样品上重复了这一实验
——
该样品表面沉积了一层超薄金膜。在施加特定的污染图案并完成蚀刻工艺后，当我重新启动
SEM
进行观察时，眼前的景象无疑构成了我整个研究生涯中最为激动人心的时刻之一：明亮的
70
纳米宽、
250
纳米厚的金属导线与较暗的硅衬底表面形成了鲜明而完美的对比。
图
3. (a)
写在金膜顶部的污染图案。
(b)
通过蚀刻未受保护的金膜形成的金线。
这一刻标志着从偶然发现向精密微加工技术的历史性转变，开启了纳米级结构制造的全新篇章。
污染工艺虽然能够产生极高分辨率的精密结构，但其写入速率相对缓慢，因为需要约
1
库仑每平方厘米的电荷密度方能为金层提供充分保护。
Bill Nixon
敏锐地指出光刻胶应当具备更高的灵敏度，他凭借在业界的广泛人脉帮助我获得了当时的标准光刻胶
——KPR
（柯达光刻胶）。
在精心设计并构建旋涂系统，深入学习光刻胶烘焙和显影的工艺知识后，我使用
KPR
成功重现了实验，制作出了
0.25-0.5
微米的精细线条结构。光刻胶仅需约
10^-4
库仑每平方厘米的极低剂量，这使其在制造复杂结构时更具实用价值，尽管分辨率不及污染或蒸汽抗蚀剂工艺。这一重大发现为微加工乃至后来的纳米加工领域开辟了崭新的技术路径。
图
4.
使用
KPR
负性光刻胶和离子刻蚀制备的金线。
这些开创性实验首次证明了制造亚微米级有用结构的可行性，并表明电子束技术有望显著突破
60
年代初集成电路组件的尺寸极限。当时的普遍观点认为，器件尺寸将受限于光刻方法约
1
微米的分辨率瓶颈，而光刻被视为唯一可行的量产技术路线。
事实上，在商业微电路中实现
1
微米尺寸几乎用了
20
年时间
（如图
5
所示），这是因为诸多其他关键技术也必须同步改进，包括器件设计、材料沉积技术（外延薄膜、氧化物、硅化物等）以及将抗蚀剂图案精确转移至实际结构的各种工艺（离子注入、干法蚀刻、金属化等）。
在剑桥完成这项工作后，
IBM
迅速采用电子束方法成功制造出单个
1
微米晶体管（
Thornley
和
Hatzakis
，
1967
年），这表明晶体管尺寸可以缩小至早期微电路器件尺寸的十分之一以下。大约在同一时期，
Gordon Moore
提出了著名的摩尔定律，准确预测了这一技术进步的实现速度。
图
5. IEEE
国际固态电路会议（
1982-2003
年）报道的器件最小尺寸。
与今天的情况一样，
电子束方法的高成本和相对较低的处理速度阻碍了其在大规模制造中的广泛应用
。然而在实验室环境中，这些方法在验证新设计可行性方面展现出巨大价值，并且很快在掩模制作领域找到了用武之地。使用光学投影系统时，无需像扫描电子束那样每次都重新生成器件图案
——
它可以在几分之一秒内完成复制。
尽管进行了大量的研究开发投入，特别是在
IBM
的持续努力下，电子束在晶圆直接曝光应用中的低产能和高成本问题始终未能根本解决。光学方法始终保持着更优的经济性，现在已可扩展至
