利用光刻技术实现纳米器件特征尺寸精准调制

       香港大学教授李文迪近期提出了一种新的纳米器件制造方法，使构建不同尺寸的纳米结构的效率大大提升。

       研究人员结合干涉光刻和灰度图案二次曝光 (IL-GPSE)，设计了一种实用性强、可扩展度高的纳米光刻技术。该技术能够在晶圆级区域上实现高通量纳米图案化，以及纳米结构的按需空间调制。

       在纳米器件制造过程中，某些器件可能需要具有均匀特征尺寸的结构，也有可能要求空间变化形态的结构。因此在光电子、等离子体激元、生物传感等领域中，能够精准控制纳米器件的特征尺寸显得尤为重要。

       在该团队提出的方法中，他们使用高通量干涉光刻 (IL) 来有效地制造大面积周期性纳米结构。 首先，IL 在光刻胶基板上暴露出大面积的周期性纳米级图案。然后，研究人员将带有灰度图案的设计强度分布的紫外光二次曝光 (SE) 应用于经过 IL 曝光的光刻胶。 研究人员正是通过该步骤在空间上调节单个纳米结构的特征尺寸。

       为了使晶圆级纳米结构图案化并提高均匀性，IL-GPSE 通过使用专门设计的 SE 强度分布来补偿由非均匀 IL 曝光场引起的线宽变化。

(a-d)：分别由 IL 和 IL-GPSE 制造的4 英寸纳米光栅的比较。数据表明 IL-GPSE 通过补偿由不均匀的 IL 曝光场引起的线宽变化，允许晶圆级纳米结构图案化并提高均匀性。 (e-f)：3 英寸纳米光栅。 由 IL-GPSE 图案化的光刻胶中绘画的灰度。

       研究人员通过实验和数值模拟测试了他们技术的可靠性。他们在紫外光二次曝光中使用 UV 接触光刻、无掩模投影光刻和直接激光写入等方法，他实现了具有亚微米分辨率和晶圆级区域的特征尺寸调制。

       该团队使用灰度图案 SE 来补偿由 IL 中激光束的高斯分布引起的线宽差异，成功研制出4 英寸的晶圆级纳米光栅。与仅使用 IL 的曝光相比，该器件线宽均匀性提高了1100%，达到了125 nm，且变化小于5%。

       另外，研究人员研制出了3英寸晶圆级纳米光栅。他们通过空间调制纳米结构的填充率来实现晶圆级结构颜色绘制，以使用 SE 实现渐变灰度颜色。IL-GPSE 实现了精确的灰度控制，未来有望用于平面光学设备和结构颜色加密等领域。

       研究人员表示，传统的控制纳米结构中特征尺寸的方法无法同时实现高通量、大面积以及纳米图案中的精确特征尺寸控制。

       IL-GPSE工艺组合可以显著改善制造需要空间变化尺寸的纳米结构的工艺。

       “通过我们的技术制造的纳米器件有助于推动众多领域的发展”，研究人员提到。“比如，大面积均匀纳米光栅可用于光谱、天文、激光等研究。且大面积结构色在高清显示、防伪、传感等领域也具有非常广泛的应用。”

       IL-GPSE光刻产品组合也可用于制造具有空间调制填充率纳米结构的超表面和超透镜。与电子束光刻相比，IL-GPSE通过分离超表面构建块的高分辨率图案化和尺寸调制，有望将纳米器件的图案化效率提高几个数量级。

      该研究由香港大学教授李文迪主持，其成果发表在Light: Science & Applications (www./doi.org/10.1038/s41377-022-00774-z) 上。

内容来源：https://www.photonics.com/Articles/Lithography_Technique_Precisely_Controls/a67949