产学研成果| AFM表征技术点睛3D冰刻工艺

前言

近期，西湖大学仇旻教授课题组的博士生郑睿顺利完成博士学位论文答辩，论文题目为《碳基冰胶电子束光刻微纳加工工艺与应用探索》。本次答辩委员会由多位微纳加工领域的资深专家组成，探真纳米科技创始人、董事长崔波教授也应邀出席并参与评审。

探真纳米科技创始人—崔波教授

崔波教授是国际微纳加工领域的知名专家，曾在加拿大国家实验室长期从事前沿科研工作，后任加拿大滑铁卢大学电子与计算机工程系终身正教授，目前为宁波东方理工大学教授，拥有超过30年的微纳加工前沿科学研究与产业技术开发经验。作为国内全品类原子力显微镜（Atomic Force Microscope,AFM）探针研发、生产和生产的首家企业——探真纳米科技的创始人，他长期关注AFM在微纳工艺控制与结构成像中的核心作用。

从传统艺术图像到纳米结构：一项跨越时空的冰刻实验

郑睿博士在研究课题中，提出了一种新型的基于冰刻的电子束光刻工艺，使用的冰胶非常适于3D灰度电子束光刻。而更加令人叹为观止的是，这项技术不仅关注加工本身的精度，还大胆地将清代符咒盘、龙纹盘、凤纹盘等中国传统艺术图案转化为包含256个灰度层次的高度图。通过控制灰度值分布，对应生成不同高度的三维微纳结构。

这些灰度图被导入微纳加工系统，通过电子束在苯甲醚冰胶涂层上进行“逐点写入”，最终实现仅数百纳米厚的复杂微结构。整套流程不仅展现了图像数字化与结构物理化之间的精准转换，也验证了冰刻技术在微纳尺度图案表达方面的可行性与灵活性。

多种成像方式对比：AFM脱颖而出。为了对比不同成像手段在结构表征中的效果，研究人员采用了扫描电镜（SEM）、明场/暗场光学显微镜及原子力显微镜（AFM）进行系统分析。

（a）中国清朝端年节符咒盘（局部）

（b）中国清朝五爪龙纹盘（局部）

结果显示：

1）扫描电镜图像在揭示边缘清晰度方面表现优秀，但无法展示3D灰度结构；

2）光学显微镜则为图案赋予了色彩与光散射的美学体验，但由于其分辨率较低，图像缺乏细节显示；

3）AFM图像则以极高的横向分辨率和垂直精度，真实还原了图案的三维形貌信息，包括结构的高度差异、边界清晰度与表面起伏层级，超越了其他手段在“立体感”和“形貌细节”上的表现。

AFM由此成为该新型工艺研究中不可或缺的表征工具，在验证微结构真实性、评估高度还原度与结构完整性方面起到决定性作用。

崔波教授的答辩点评

崔波教授在答辩点评中指出：“随着微纳结构复杂度的不断提高，AFM因其三维‘可视-可测’的能力，在科学前沿探索，先进制程开发与产业产品检测中将承担愈发关键的角色。与此同时，对高性能、高一致性的探针耗材需求也在持续增长。” 对于3D图案显示，如果使用传统的金字塔形探针，则图像的清晰度会随着图案深/高度的增加而迅速下降。解决的方案就是使用细长的大高宽比探针，包括碳纳米管探针或我们公司的核心产品UltraSharp系列硅锥结构探针（如下图所示）。

AFM：纳米结构质量控制的“显微之眼”—本研究展示了一种结合图像信息、冰刻技术与电子束加工的新型微纳制造路径。在多种成像方式的对比中，AFM因其在高度细节3D还原方面的优势脱颖而出，为评估结构真实形貌、分析三维起伏层次和验证制造精度提供了可靠依据。随着微纳制造走向更高复杂度、更小尺寸，AFM将继续发挥其在科研、制造与检测全流程中的独特价值。