納米光刻里的“魚”和“熊掌”問題 

具有特殊功能的納米結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代生活的應(yīng)用日趨廣泛，如光譜分析、新型顯示、生物傳感等等。其中，不同的應(yīng)用對(duì)納米結(jié)構(gòu)的尺寸需求也不一樣，有些需要在大范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)均勻一致，有些則需要尺寸隨著空間變化。因此，精確地控制納米結(jié)構(gòu)的尺寸在微納加工中非常關(guān)鍵。

目前利用聚焦激光束、電子束或離子束逐像素寫入型的主流加工方式效率低下，通常在整片晶圓范圍內(nèi)寫滿所需納米尺度結(jié)構(gòu)的時(shí)間數(shù)以小時(shí)甚至數(shù)以天計(jì)。而那些高效率的納米光刻方法，例如納米壓印和干涉光刻，又往往缺乏“靈活性”。前者是一種依賴模板圖案的復(fù)制技術(shù)，而后者通常只用于制作大面積均勻的納米結(jié)構(gòu)。那么，可否發(fā)展一種納米光刻方法，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)納米結(jié)構(gòu)尺寸的精準(zhǔn)控制和極高的加工效率？

“先加工，后調(diào)制”

近日，來自香港大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種可以同時(shí)得到“魚”和“熊掌”的光刻工藝，不僅可以高效率地在晶圓級(jí)襯底上制造納米結(jié)構(gòu)，并且可以按照設(shè)計(jì)需求對(duì)其特征尺寸進(jìn)行空間調(diào)制。

不同于傳統(tǒng)的逐像素串型寫入式的加工方式，該團(tuán)隊(duì)采用先“大批量”制造較為均勻的納米結(jié)構(gòu)，再分區(qū)域“裁剪”其特征尺寸的加工方案，極大地提高了空間變化納米結(jié)構(gòu)的制造效率。

該成果近日以“Spatial Modulation of Nanopattern Dimensions by Combining Interference Lithography and Grayscale-Patterned Secondary Exposure” 為題發(fā)表在 Light: Science & Applications。

香港大學(xué)機(jī)械工程系的 李文迪 教授為論文通訊作者，香港大學(xué)與南方科技大學(xué)的聯(lián)合培養(yǎng)博士生 甘斫非 為論文一作，對(duì)論文具有貢獻(xiàn)的合作者還包括南方科技大學(xué)深港微電子學(xué)院的 崔德虎 教授。

干涉光刻是利用兩束相干激光在光刻膠上形成正弦型周期性分布的干涉強(qiáng)度圖樣，經(jīng)過顯影制造出周期型納米光柵的光刻方法。以采用正性光刻膠為例，在光刻及顯影的過程中，由于光刻膠對(duì)曝光劑量的非線性響應(yīng)，在曝光“閾值”以上的光刻膠區(qū)域可以被“洗掉”，而在“閾值”以下的光刻膠則會(huì)留下。

本文的作者正是利用干涉光刻光強(qiáng)分布和光刻膠的非線性響應(yīng)特點(diǎn)，在干涉光刻之后進(jìn)行二次曝光，可以把之前干涉光刻期間曝光“閾值”以下的部分補(bǔ)償?shù)?“閾值”以上，從而可以被顯影液洗掉，最終達(dá)到“裁剪”線寬的作用。因此通過設(shè)計(jì)二次曝光劑量的空間分布，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)周期性納米結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行空間調(diào)制的作用（圖1）。

圖1：基于干涉光刻的二次曝光調(diào)制線寬原理

值得指出的是，這一方法的可靠實(shí)現(xiàn)要求干涉光刻圖案具有高對(duì)比度及高穩(wěn)定性。李文迪教授團(tuán)隊(duì)經(jīng)多年自主研發(fā)的激光干涉光刻系統(tǒng)及在納米光刻加工工藝方面的深入研究為這一方法的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

本研究通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值建模驗(yàn)證了結(jié)合二次曝光的干涉光刻的可靠性，并通過紫外接觸式光刻、微鏡陣列投影光刻和激光直寫三種二次曝光的方式實(shí)現(xiàn)了晶圓尺度上納米結(jié)構(gòu)特征尺寸的調(diào)制，并證明其調(diào)制分辨率可達(dá)亞微米級(jí)（圖2）。

圖2：不同干涉光刻與二次曝光的劑量組合形成的納米光柵形貌及該方法實(shí)現(xiàn)的亞微米級(jí)的調(diào)制分辨率

作為應(yīng)用，研究團(tuán)隊(duì)利用二次曝光對(duì)干涉光刻過程中由于激光束強(qiáng)度的高斯分布造成的線寬不均勻性進(jìn)行補(bǔ)償，成功地在4英寸樣品上加工出了線寬125 nm的均勻光柵，其線寬誤差在整個(gè)晶圓范圍內(nèi)只有5%。隨后，通過設(shè)計(jì)復(fù)雜的二次曝光圖案，本研究還實(shí)現(xiàn)了基于納米結(jié)構(gòu)色的晶圓級(jí)繪畫《清明上河圖》，其灰度變化主要由對(duì)納米結(jié)構(gòu)占空比的調(diào)制而實(shí)現(xiàn)。

圖3：由該方法制備的4英寸均勻納米光柵和3英寸納米結(jié)構(gòu)色畫作《清明上河圖》

前景展望

利用該方法制造的晶圓級(jí)納米結(jié)構(gòu)，可以適用于廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。例如，大面積的均勻納米光柵可以用于光譜學(xué)、天文學(xué)、激光器、光通訊等領(lǐng)域。而大面積納米結(jié)構(gòu)色則在高清顯示、防偽及傳感等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

不止于此，隨著平面光學(xué)器件的興起，該方法還有極大的潛力被應(yīng)用在超透鏡和AR眼鏡等納米光學(xué)器件，它將極大地降低其加工難度和研發(fā)成本，加速新興納米結(jié)構(gòu)器件應(yīng)用的到來。

| 文章信息 |

Gan, Z., Feng, H., Chen, L. et al. Spatial modulation of nanopattern dimensions by combining interference lithography and grayscale-patterned secondary exposure. Light Sci Appl 11, 89 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00774-z