清華新聞網(wǎng)10月19日電 雙光子光刻技術(shù)是一種具有超分辨率特性的微納加工技術(shù)。該光刻技術(shù)利用高數(shù)值孔徑的物鏡對(duì)激發(fā)光束進(jìn)行聚焦，使其在空間上形成亞微米級(jí)尺度的聚焦點(diǎn)，通過(guò)光刻膠在曝光過(guò)程中的溶解度變化最終實(shí)現(xiàn)精細(xì)結(jié)構(gòu)制造。雙光子光刻可以利用簡(jiǎn)單易得的長(zhǎng)波激光光源（如780nm、532nm），以雙光子聚焦效應(yīng)突破衍射極限限制，實(shí)現(xiàn)近EUV光刻級(jí)別的超高分辨率成像（注：EUV極紫外光刻為半導(dǎo)體領(lǐng)域的最先進(jìn)光刻技術(shù)，但光源制造難度極大、造價(jià)極高）。然而，雙光子光刻是直刻技術(shù)，打印速率極慢，通常僅為微米/秒到毫米/秒級(jí)，在制造較大體積的微結(jié)構(gòu)時(shí)需耗費(fèi)極長(zhǎng)的刻寫(xiě)時(shí)間，成為了限制雙光子光刻技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸（圖1c），30多年來(lái)一直沒(méi)有突破。
近日，清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院新型能源與材料化學(xué)團(tuán)隊(duì)首次提出高效光致極性變化調(diào)控光刻膠溶解度機(jī)制，并據(jù)此開(kāi)發(fā)成功了一種基于金屬氧化物納米顆粒的超高感光度雙光子光刻膠。經(jīng)測(cè)試，采用這種光刻膠的雙光子打印速率達(dá)到了7.77m/s。這是全球首次將光刻速度提高到米/秒級(jí)別，比傳統(tǒng)的聚合物基光刻膠快了3-5個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，采用這款光刻膠還實(shí)現(xiàn)了極高的打印分辨率，曝光線(xiàn)條的線(xiàn)寬能夠小至38nm，優(yōu)于深紫外（DUV）浸沒(méi)式光刻技術(shù)的線(xiàn)寬極限。
圖1.雙光子光刻系統(tǒng)及其刻寫(xiě)速度挑戰(zhàn)示意圖
此外，在3D光刻方面，目前已能打印一些復(fù)雜的3D微結(jié)構(gòu)，例如空心的富勒烯結(jié)構(gòu)和超材料立方體結(jié)構(gòu)等（圖2）。
圖2.納米顆粒光刻膠在532nm雙光子光刻機(jī)下的光刻性能和打印的微結(jié)構(gòu)
在半導(dǎo)體集成電路芯片制造的光刻領(lǐng)域，光刻膠往往能成為“游戲規(guī)則的改變者”，極大地影響芯片行業(yè)的發(fā)展。近年來(lái)，EUV光源和反射鏡成為芯片制造技術(shù)的最大挑戰(zhàn)和限制。本研究成果技術(shù)大幅縮短了雙光子光刻制造所需的時(shí)間，而且顯著提高了其加工分辨率，有望實(shí)現(xiàn)雙光子光刻技術(shù)在微納制造領(lǐng)域的大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。該技術(shù)極大地降低光刻機(jī)的復(fù)雜程度、體積和制造運(yùn)行成本，也有望為半導(dǎo)體集成電路芯片制造開(kāi)辟全新的低成本技術(shù)路線(xiàn)。
近日，相關(guān)成果以“可實(shí)現(xiàn)超高速增材制造打印的光刻膠”（Ultrahigh-printing-speed photoresists for additive manufacturing）發(fā)表在《自然·納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）刊物上。《自然·納米技術(shù)》還同步在線(xiàn)發(fā)表了題為“用于高速雙光子光刻的高靈敏度光刻膠”（Sensitive photoresists for high-speed two-photon lithography）的研究簡(jiǎn)報(bào)，報(bào)道該團(tuán)隊(duì)研發(fā)成功的基于氧化物雜化納米顆粒的高感光度雙光子光刻膠材料及其新思路、新方法。
清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院博士后劉天棋為論文第一作者。清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院徐宏副教授、何向明研究員，以及浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院匡翠方教授為論文共同通訊作者。該研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金、清華大學(xué)自主科研項(xiàng)目、之江實(shí)驗(yàn)室重大科研項(xiàng)目和北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目的資助。清華大學(xué)高性能計(jì)算中心提供了計(jì)算資源的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41565-023-01517-w
簡(jiǎn)報(bào)鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41565-023-01518-9
供稿：核研院
題圖設(shè)計(jì)：李娜
編輯：李華山
審核：郭玲
