清華新聞網(wǎng)10月18日電 近日，清華大學(xué)機(jī)械工程系在基于膠體自組裝的微納制造領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。
微球光刻（SLPL）技術(shù)是在傳統(tǒng)光刻的基礎(chǔ)上，使用自組裝微球膜代替掩膜，利用微球的光學(xué)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)尺度特征的制備工藝。與傳統(tǒng)的掩膜光刻方法相比，它具有成本效益高和易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，并憑借低成本、高通量、易實(shí)現(xiàn)和高精度的優(yōu)勢(shì)獲得越來(lái)越多的關(guān)注。然而，微球光刻技術(shù)主要用于產(chǎn)生簡(jiǎn)單的圖案形狀，比如圓形陣列。盡管已有許多文獻(xiàn)報(bào)道單次曝光就可以形成復(fù)雜圖案，但是一直長(zhǎng)期缺乏系統(tǒng)性的理論分析，尤其是對(duì)可以實(shí)現(xiàn)的多種非圓形狀的可實(shí)現(xiàn)性的預(yù)測(cè)分析。同時(shí)，微球光刻技術(shù)的數(shù)值仿真存在條件繁多和分析困難的問(wèn)題，難以直接從仿真結(jié)果中得到指導(dǎo)性的結(jié)論。
圖1.通過(guò)單獨(dú)調(diào)整曝光強(qiáng)度以實(shí)現(xiàn)不同圖案的制備
針對(duì)上述問(wèn)題，課題組基于前期研究中組內(nèi)提出的張力梯度誘導(dǎo)納米顆粒液氣界面快速大面積自組裝方法，以密排有序膠體顆粒自組裝結(jié)構(gòu)作為模板替代了精密復(fù)雜的傳統(tǒng)納米光刻方法成功制備了環(huán)形和環(huán)中帶孔的非圓形圖案形狀，并應(yīng)用米氏散射理論（Mie Theory）系統(tǒng)地分析和總結(jié)了通過(guò)微球光刻技術(shù)過(guò)程可以獲得的各種圖案，該理論有利于利用相對(duì)直觀(guān)的解析解來(lái)計(jì)算、預(yù)測(cè)和優(yōu)化微球光刻工藝過(guò)程的結(jié)果，并分析各種影響因素的物理規(guī)律。通過(guò)微球光刻獲得的圖案形狀主要由兩個(gè)變量控制，即歸一化直徑（微球直徑與曝光波長(zhǎng)之比）和歸一化折射率（微球折射率與介質(zhì)折射率之比）。以往文獻(xiàn)中得到的大多數(shù)非圓圖案都可以用該簡(jiǎn)化模型直接預(yù)測(cè)。
平面光通過(guò)微球后，在與微球相切的切面上的光強(qiáng)分布可以主要分為三個(gè)區(qū)域，包括峰值區(qū)、中間低谷區(qū)和外層平臺(tái)區(qū)。其中，峰值區(qū)域具有形成亞波長(zhǎng)微結(jié)構(gòu)的能力，是最有可能實(shí)現(xiàn)納米級(jí)加工的部分最值得關(guān)注的部分。為了在該區(qū)域獲得多樣化的形狀，較低的歸一化折射率是最關(guān)鍵的因素。當(dāng)歸一化直徑增大時(shí)，中心峰值區(qū)的峰數(shù)也增加。然而，過(guò)大的尺寸會(huì)導(dǎo)致理論和實(shí)驗(yàn)之間的較大誤差，并為曝光參數(shù)的控制帶來(lái)困難，通常難以獲得多個(gè)同心圓結(jié)構(gòu)。
圖2.部分仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果
基于該理論，課題組通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了單環(huán)和帶孔環(huán)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大了微球光刻技術(shù)的應(yīng)用范圍。利用米氏散射理論的簡(jiǎn)化模型，對(duì)各種可能實(shí)現(xiàn)的模式圖案進(jìn)行了較為全面的梳理和預(yù)測(cè)，進(jìn)一步完善了微球光刻技術(shù)的理論基礎(chǔ)。這些發(fā)現(xiàn)有助于促進(jìn)微球光刻在未來(lái)的科學(xué)研究和工業(yè)中的更廣泛應(yīng)用。
相關(guān)成果以“微球光刻圖案形狀分析”（Analysis of the pattern shapes obtained by micro/nano-spherical lens photolithography）為題發(fā)表在《朗繆爾》（Langmuir）期刊上，并被選為刊內(nèi)封面文章。
圖3.本論文登上的《朗繆爾》(《Langmuir》）刊內(nèi)封面
清華大學(xué)機(jī)械系2022級(jí)博士生余郭煦為論文第一作者，機(jī)械系汪家道教授、馬原助理研究員為論文的共同通訊作者，機(jī)械系副研究員翁鼎、助理研究員陳磊、博士后喻博聞，2021級(jí)博士生陳逸卿、梁真為，2020級(jí)博士生張軒鶴等在該研究中作出貢獻(xiàn)。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.3c01643
供稿：機(jī)械系
編輯：李華山
審核：郭玲
