數(shù)十年來，光刻作為一種有效的圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)，在實現(xiàn)功能性微納米尺度結(jié)構(gòu)制備方面一直扮演著重要角色，基于掩模的光刻技術(shù)在微電子工業(yè)的發(fā)展中起著不可或缺的作用。隨著器件小型化和集成化，亟須發(fā)展高效、靈活的跨尺度微納結(jié)構(gòu)圖案化技術(shù)。利用離子束、電子束、激光束等高能束的直寫光刻技術(shù)，盡管能夠?qū)崿F(xiàn)納米精度的圖案，但是逐點掃描的方式也限制了其在制作跨尺度微納結(jié)構(gòu)時的效率。作為一種有廣闊應(yīng)用前景的基于數(shù)字微鏡芯片（DMD）的激光無掩模光刻技術(shù)，以光學(xué)投影方式可實現(xiàn)大面積、多尺度結(jié)構(gòu)的高效圖案化，但由于受到光學(xué)衍射極限限制，線寬分辨率難以突破亞微米。  

近日，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所仿生智能界面科學(xué)中心有機(jī)納米光子學(xué)實驗室鄭研究員美玲團(tuán)隊聯(lián)合暨南大學(xué)教授段宣明團(tuán)隊，在超快激光遠(yuǎn)場無掩模投影超衍射納米光刻技術(shù)研究方面取得進(jìn)展。以波長為400 nm的超快激光作為光源，利用DMD生成圖案化光場，發(fā)展了無掩模光學(xué)投影超衍射納米光刻技術(shù)，突破光學(xué)衍射極限的限制，獲得了僅為激光波長十二分之一（λ/ 12）的32 nm光刻線寬，高效制備了數(shù)百微米尺度與納米尺度并存的跨尺度微納結(jié)構(gòu)。此外，通過計算機(jī)控制更改所需的DMD生成圖案化光場，便捷地實現(xiàn)了多種跨尺度微納結(jié)構(gòu)圖案制備，簡單地重復(fù)該過程，還可以實現(xiàn)多樣化圖形的批量制備。研究成果發(fā)表在Nano Letters上。  

無掩模光學(xué)投影納米光刻技術(shù)原理（圖1），使用了中心波長為400 nm，重復(fù)頻率為80 MHz，脈沖寬度為100 fs的飛秒脈沖激光作為光源，DMD用于光場的圖案化。將帶有圖案信息的飛秒激光光束，通過油浸物鏡聚焦到非化學(xué)放大負(fù)光致抗蝕劑（AR-N 7520）中，發(fā)生雙光子聚合反應(yīng)，使光刻膠固化實現(xiàn)圖案化。研究發(fā)現(xiàn)，激光曝光條件對微尺度圖案的成形具有重要影響，論文作者研究了微納結(jié)構(gòu)特征線寬與加工參數(shù)（激光功率、曝光時間與像素數(shù)目）之間的關(guān)系，通過對大量重復(fù)性試驗數(shù)據(jù)的分析及理論建模，明確了微結(jié)構(gòu)特征線寬與加工參數(shù)之間的規(guī)律，實現(xiàn)了不同特征線寬的可控曝光。在單脈沖功率密度1.40×105 W/cm2、曝光時間為1.5 s的條件下，由單像素組成的線陣列可獲得32 nm線寬的超衍射聚合物線；在單脈沖功率密度3.65×105 W/cm2 、曝光時間為0.6 s時，2×2像素可獲得66 nm的超衍射聚合物點（圖2）。通過DMD控制數(shù)字掩模圖案，可以實現(xiàn)整體尺寸為152.5 μm×114.2 μm，含特征尺度為150 nm（1像素），314 nm（2像素）和610 nm（4像素）的跨尺度復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)圖形（圖3）。利用該無掩模光學(xué)投影納米光刻技術(shù)，高效、便捷地實現(xiàn)了光波導(dǎo)、微機(jī)電系統(tǒng)和微流道等多種復(fù)雜跨尺度微納結(jié)構(gòu)的圖案化。 

無掩模光學(xué)投影超衍射納米光刻技術(shù)將可見波長超快激光的非線性光學(xué)效應(yīng)與DMD光場圖案化技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)超越光學(xué)衍射限制的遠(yuǎn)場投影光刻，為跨尺度微納復(fù)雜結(jié)構(gòu)圖案化提供了高效、便捷的新技術(shù)途徑，有望在涉及電子、光學(xué)和生物等領(lǐng)域的微納米器件的研究與開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用，并實現(xiàn)定制化微納結(jié)構(gòu)與器件的低成本、高效率、批量制造。

相關(guān)研究工作得到科學(xué)技術(shù)部納米科技重點專項、國家自然科學(xué)面上基金項目的支持。  

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c00559