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資訊丨我國(guó)自主超高精度激光光刻技術(shù)取得重大突破 2020.07.30
導(dǎo)讀：近日，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張子旸研究員與國(guó)家納米中心劉前研究員合作，開發(fā)成功新型5nm超高精度激光光刻加工方法。該技術(shù)使用了研究團(tuán)隊(duì)所開發(fā)的具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的激光直寫設(shè)備，打破了傳統(tǒng)激光直寫技術(shù)中受體材料為有機(jī)光刻膠的限制，可使用多種受體材料，極大地?cái)U(kuò)展了激光直寫的應(yīng)用場(chǎng)景。
亞10 nm的結(jié)構(gòu)在集成電路、光子芯片、微納傳感、光電芯片、納米器件等技術(shù)領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用需求（圖1），這對(duì)微納加工的效率和精度提出了許多新的挑戰(zhàn)。激光直寫作為一種高性價(jià)比的光刻技術(shù)，可利用連續(xù)或脈沖激光在非真空的條件下實(shí)現(xiàn)無(wú)掩模快速刻寫，大大降低了器件制造成本，是一種有競(jìng)爭(zhēng)力的加工技術(shù)。然而，長(zhǎng)期以來(lái)激光直寫技術(shù)由于衍射極限以及鄰近效應(yīng)的限制，很難做到納米尺度的超高精度加工。
近期，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張子旸研究員與國(guó)家納米中心劉前研究員合作，在Nano Letters上發(fā)表了題為“5 nm Nanogap Electrodes and Arrays by a Super-resolution Laser Lithography”的研究論文，報(bào)道了一種他們開發(fā)的新型5 nm超高精度激光光刻加工方法（DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00978）。
中科院蘇州納米所張子旸研究員團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事微納加工技術(shù)的開發(fā)、高速光通信半導(dǎo)體激光器、超快激光器等的研制工作（ACS Photonics 6, 1581, 2019; Light. Sci. Appl. 6,17170, 2018; ACS Photonics, 5, 1084，2018, Adv. Opt. Photon., 2, 201, 2010; 授權(quán)專利：106449897B）；國(guó)家納米中心劉前團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事微納加工方法及設(shè)備的創(chuàng)新研究，發(fā)展出了多種新型微納加工方法和技術(shù)（專著：Novel Optical Technologies for Nanofabrications; Nano Letters 17,1065,2017; Nature comm. 7,13742,2016; Adv. Mater. 24,3010,2012; 授權(quán)專利：美國(guó)US 2011/0111331 A1和日本J5558466）。
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亞10 nm的結(jié)構(gòu)在集成電路、光子芯片、微納傳感、光電芯片、納米器件等技術(shù)領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用需求（圖1），這對(duì)微納加工的效率和精度提出了許多新的挑戰(zhàn)。激光直寫作為一種高性價(jià)比的光刻技術(shù)，可利用連續(xù)或脈沖激光在非真空的條件下實(shí)現(xiàn)無(wú)掩模快速刻寫，大大降低了器件制造成本，是一種有競(jìng)爭(zhēng)力的加工技術(shù)。然而，長(zhǎng)期以來(lái)激光直寫技術(shù)由于衍射極限以及鄰近效應(yīng)的限制，很難做到納米尺度的超高精度加工。
近期，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張子旸研究員與國(guó)家納米中心劉前研究員合作，在Nano Letters上發(fā)表了題為“5 nm Nanogap Electrodes and Arrays by a Super-resolution Laser Lithography”的研究論文，報(bào)道了一種他們開發(fā)的新型5 nm超高精度激光光刻加工方法（DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00978）。
中科院蘇州納米所張子旸研究員團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事微納加工技術(shù)的開發(fā)、高速光通信半導(dǎo)體激光器、超快激光器等的研制工作（ACS Photonics 6, 1581, 2019; Light. Sci. Appl. 6,17170, 2018; ACS Photonics, 5, 1084，2018, Adv. Opt. Photon., 2, 201, 2010; 授權(quán)專利：106449897B）；國(guó)家納米中心劉前團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事微納加工方法及設(shè)備的創(chuàng)新研究，發(fā)展出了多種新型微納加工方法和技術(shù)（專著：Novel Optical Technologies for Nanofabrications; Nano Letters 17,1065,2017; Nature comm. 7,13742,2016; Adv. Mater. 24,3010,2012; 授權(quán)專利：美國(guó)US 2011/0111331 A1和日本J5558466）。
圖1 亞十納米圖形結(jié)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域和方向
本研究中使用了研究團(tuán)隊(duì)所開發(fā)的具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的激光直寫設(shè)備，利用了激光與物質(zhì)的非線性相互作用來(lái)提高加工分辨率，其有別于傳統(tǒng)的縮短激光波長(zhǎng)或增大數(shù)值孔徑的技術(shù)路徑；并打破了傳統(tǒng)激光直寫技術(shù)中受體材料為有機(jī)光刻膠的限制，可使用多種受體材料，極大地?cái)U(kuò)展了激光直寫的應(yīng)用場(chǎng)景。本項(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)激光微納加工中所面臨的實(shí)際問題出發(fā)，很好地解決了高效和高精度之間的固有矛盾，開發(fā)的新型微納加工技術(shù)在集成電路、光子芯片、微機(jī)電系統(tǒng)等眾多微納加工領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。
本工作中，基于光熱反應(yīng)機(jī)理，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型三層堆疊薄膜結(jié)構(gòu)。在無(wú)機(jī)鈦膜光刻膠上，采用雙激光束（波長(zhǎng)為405 nm）交疊技術(shù)（見圖2a），通過精確控制能量密度及步長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了1/55衍射極限的突破（NA=0.9），達(dá)到了最小5 nm的特征線寬。此外，研究團(tuán)隊(duì)還利用這種超分辨的激光直寫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了納米狹縫電極陣列結(jié)構(gòu)的大規(guī)模制備（如圖2b-c）。相較而言，采用常規(guī)聚焦離子束刻寫，制備一個(gè)納米狹縫電極需要10到20分鐘，而利用本文開發(fā)的激光直寫技術(shù)，可以一小時(shí)制備約5×105個(gè)納米狹縫電極，展示了可用于大規(guī)模生產(chǎn)的潛力。
圖2 雙束交疊加工技術(shù)示意圖（左）和5 nm 狹縫電極電鏡圖（右）
本工作中，基于光熱反應(yīng)機(jī)理，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型三層堆疊薄膜結(jié)構(gòu)。在無(wú)機(jī)鈦膜光刻膠上，采用雙激光束（波長(zhǎng)為405 nm）交疊技術(shù)（見圖2a），通過精確控制能量密度及步長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了1/55衍射極限的突破（NA=0.9），達(dá)到了最小5 nm的特征線寬。此外，研究團(tuán)隊(duì)還利用這種超分辨的激光直寫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了納米狹縫電極陣列結(jié)構(gòu)的大規(guī)模制備（如圖2b-c）。相較而言，采用常規(guī)聚焦離子束刻寫，制備一個(gè)納米狹縫電極需要10到20分鐘，而利用本文開發(fā)的激光直寫技術(shù)，可以一小時(shí)制備約5×105個(gè)納米狹縫電極，展示了可用于大規(guī)模生產(chǎn)的潛力。
圖2 雙束交疊加工技術(shù)示意圖（左）和5 nm 狹縫電極電鏡圖（右）
納米狹縫電極作為納米光電子器件的基本結(jié)構(gòu)，有著極為廣泛的應(yīng)用。在本研究中，該團(tuán)隊(duì)還利用發(fā)展的新技術(shù)制備出了納米狹縫電極為基本結(jié)構(gòu)的多維度可調(diào)的電控納米SERS傳感器?？稍趥鞲衅饕痪S方向上對(duì)反應(yīng)“熱點(diǎn)”完成定點(diǎn)可控，實(shí)現(xiàn)了類似邏輯門“0”、“1”信號(hào)的編碼和重復(fù)（圖3a-b），并可通過狹縫間距和外加電壓的改變，實(shí)現(xiàn)了對(duì)反應(yīng)“熱點(diǎn)”強(qiáng)度的精確可調(diào)（圖3c-d），這對(duì)表面科學(xué)和痕量檢測(cè)等研究有著重要的意義。
圖3 （a）納米SERS傳感器的光學(xué)顯微鏡圖；（b）一維線性掃描下拉曼信號(hào)譜；（c）不同寬度下拉曼信號(hào)譜；（d）不同外加電壓下拉曼信號(hào)譜
該論文第一作者為中科院蘇州納米所與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生秦亮。中科院蘇州納米所與蘭州大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的博士研究生黃源清和青島大學(xué)物理學(xué)院夏峰為文章的共同第一作者。張子旸研究員和劉前研究員為論文的通訊作者。本工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFA0200403)、國(guó)家自然科學(xué)基金(No.62875222、11874390、51971070)、Eu-FP7項(xiàng)目(No.247644)、中國(guó)博士后科學(xué)基金(2017M612182)的支持。
資訊來(lái)源：蘇州納米所
資訊來(lái)源：蘇州納米所
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