英文原题：λ/12 Super Resolution Achieved in Maskless Optical Projection Nanolithography for Efficient Cross-Scale Patterning
通讯作者：董贤子，中国科学院理化技术研究所；郑美玲，中国科学院理化技术研究所；段宣明，暨南大学
作者：Yu-Huan Liu（刘玉环）, Yuan-Yuan Zhao（赵圆圆）, Feng Jin（金峰）, Xian-Zi Dong（董贤子）, Mei-Ling Zheng（郑美玲）, Zhen-Sheng Zhao（赵震声）, and Xuan-Ming Duan（段宣明）
光刻是一种图形化技术，其将设计的结构图形制作在掩模板上，通过紫外光等光源照射光刻胶，实现图形的转移，在半导体芯片等各种微纳制造领域已被广泛应用。利用数字微镜器件（Digital Mirrors Device：DMD）生成数字化光场图形的无掩模远场投影光刻技术，具有图形灵活可设计、成本低、高效率等特点，但其光刻分辨力受到光学衍射极限（约二分之一波长）的限制，最小光刻特征尺寸难以小于波长，仅能达到500 nm左右，难以满足特征尺寸在纳米量级的微纳器件图形光刻分辨力要求。包括基于STED原理的现有远场超衍射光刻技术均是采用激光直写技术实现，尽管可以实现纳米尺度图形的光刻，但无论是光刻面积还是光刻效率方面无法与投影光刻匹敌。利用无掩模远场投影光刻技术，在保证大面积高效光刻的同时，实现具有纳米光刻分辨力的微纳跨尺度光刻，如何突破光学衍射极限限制是必须解决的科学难题。
图1. 飞秒激光双光子DMD面投影曝光制备的聚合物线的SEM图像。最小线宽为32 nm，平均线宽为44 nm，标准偏差为4 nm，粗糙度为2〜3 nm。
针对上述难题，中国科学院理化技术研究所郑美玲研究员团队联合暨南大学段宣明教授团队在Nano Letters 上提出了利用光学非线性与化学非线性协同作用的无掩模超衍射投影光刻方法，利用波长为400 nm的飞秒激光作为光刻光源，突破光学衍射极限，所获得的最小特征尺寸仅为光刻光源波长十二分之一的32 nm，实现了无掩模超衍射投影光刻，对无掩模投影光刻技术领域来说是具有里程碑意义的重大突破。
400 nm波长飞秒激光光束经整形后形成平顶光束，照射到DMD形成图形化光场，经由高数值孔径油浸物镜（100×，N.A. 1.45）组成的微缩成像系统后，对旋涂在玻璃基板上的光刻胶薄膜进行曝光。光刻胶选用了由双叠氮化合物与酚醛树脂组成的非化学放大负性光刻胶（AR-N 7520），其在光源波长400 nm处无吸收。在单脉冲功率密度1.40 × 105 W/cm2、曝光时间为1.5 s的条件下，由单像素组成的线阵列光场进行的曝光，获得了32 nm线宽的超衍射聚合物线条，线宽与曝光剂量之间具有非线性关系，证明是基于光学非线性效应——双光子吸收所引发的双光子聚合反应。
非化学放大负性光刻胶（AR-N 7520）的双组分化合物——双叠氮化合物与多羟基酚醛化合物，在受到单一飞秒脉冲（脉宽100 fs）光辐射时吸收两个光子能量被激发到激发态，其激发态荧光寿命为0.363 ns，而两个飞秒脉冲之间的间隔时间为12.5 ns（重复频率80 MHz），因此，单一飞秒脉冲的辐照仅能触发双叠氮化合物的叠氮基团与酚醛化合物的烷基进行一次反应，形成双聚体或多聚体。随着飞秒脉冲的反复辐照，逐步光化学聚合反应使其分子量将呈指数形式增加，并最终达到凝胶化点，形成不溶的三维网络分子结构。由于光场微缩聚焦后在光刻胶中形成的光场强度具有高斯分布，在光斑中心光强最强处的双光子吸收效应最大，光刻胶分子将迅速形成三维网络，光强较弱处双光子吸收效应较弱，甚至达不到双光子吸收阈值，光刻胶分子难以形成有效的三维网络，在其后的显影过程中被除去。非化学放大负性光刻胶的化学非线性与光学非线性协同作用可突破光学衍射极限，实现远场投影超衍射纳米光刻。
图2. 化学非线性与光学非线性协同作用原理。（a）单像素线线阵列光场分布。（b）非化学放大胶分子结构。（c）飞秒脉冲辐照下的逐步光聚合机理。
这种基于DMD的飞秒激光面投影曝光技术，可以通过单子场曝光实现面积超过100 μm，包含从微米至纳米的多尺度微纳结构快速曝光，兼顾了曝光效率与分辨力，在可设计的多样化跨尺度结构曝光领域具有独一无二的优势。
图3. 飞秒激光面投影制作跨尺度结构。（a）含有不同像素结构的掩模图形。（b）小像素部分的设计细节。（c）飞秒激光DMD面投影曝光制作的结构的SEM图像，其总尺寸为数百微米，同时包括线宽为150 nm特征分辨率。（d）小像素曝光的放大SEM图像。
另外，无掩模光学投影纳米光刻技术可以应用于不同研究领域所涉及的多种复杂跨尺度结构，例如光波导、微机电系统和微流道等。该技术有望在电子、光学和生物技术微纳米器件领域的研究与开发中得到广泛应用，并有望以低成本和高效率广泛应用于可定制图案化的小批量生产。
图4. 飞秒激光面投影制作各种跨尺度结构。(a)阵列波导光栅。(d)静电梳齿微谐振器。(g)微流道。(i)微尺度菲涅尔波带片。
相关论文发表在Nano Letters 上，中国科学院理化所博士研究生刘玉环为文章的第一作者，董贤子副研究员、郑美玲研究员、段宣明教授为通讯作者。
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λ/12 Super Resolution Achieved in Maskless Optical Projection Nanolithography for Efficient Cross-Scale Patterning
Yu-Huan Liu, Yuan-Yuan Zhao, Feng Jin, Xian-Zi Dong*, Mei-Ling Zheng*, Zhen-Sheng Zhao, and Xuan-Ming Duan*
Nano Lett., 2021, 21, 3915–3921, DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c00559
Publication Date: May 3, 2021
Copyright © 2021 American Chemical Society
导师介绍
段宣明
https://www.x-mol.com/university/faculty/112967
（本稿件来自ACS Publications）