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高通量激光纳米直写技术.docx
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高通量激光纳米直写技术.docx
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摘要
激光直写技术因具有灵活的三维微纳结构加工制造能力,在工业以及各个科学领域中得到
广泛应用,但要进入亚 100 nm 乃至亚 50 nm 尺度,实现高通量的三维纳米制造还是当前
的技术难题。而这在后摩尔时代光电混合集成与多层堆叠集成高度发展的今天显得极为重
要。从光学成像的角度,这个问题的核心就是要获得大视场和高分辨信息,即信息带宽积
的最大化,在激光直写技术中,就是要实现高通量和高分辨刻写。本文将论述激光直写技
术的发展,介绍本课题组在高通量激光纳米直写方向的研究进展。
Abstract
Laser direct writing (LDW) technique has been widely used in various scientific fields
because of its flexible 3D micro/nano-structure processing and manufacturing capability.
Due to the diffraction limit, it is challenge to get sub 100 nm or sub 50 nm resolution and
realize high throughput 3D nano-manufacturing, which is critical important for the
integrated circuit industrial applications in the post-Moore law period. From the
perspective of optical imaging, it is concerning with superresolution imaging with large
field of view, i.e., maximum throughput spatial passband product. LDW technique
focuses on writing with high throughput and high resolution. This paper will expound on
the development of the LDW technique and introduce our research group's progress in
the high throughput LDW technique.
1 引言
随着集成电路芯片技术的发展,微电子技术与光电子技术相结合的发展趋势逐渐明朗,光
电子与微电子的混合器件模式
[1]
将为下一代超大规模集成电路开辟新途径。三维堆叠
[2]
、异质组合
[3]
的器件技术成为重要趋势,这就需要发展出与之相适应的光电混合微纳
制备技术。激光直写(LDW)技术是三维微纳器件加工制造的主流技术,但是受光波衍射
极限的限制,分辨率大都在微米量级,如果能将分辨率推进至纳米尺度,LDW 就有可能成
为不仅可以进行传统二维光刻,还可以实现三维加工的重要手段,极大增强了光刻的制备
能力,成为一种重要的微纳加工工具。
自 1983 年 Gale 等
[4]
使用 LDW 制造微透镜阵列(MLA)以来,LDW 作为一种简单且灵
活的制造方法受到了越来越多的关注
[5]
。如今,LDW 已被广泛应用于各种微米及亚微米
结构的加工制造,例如用于光刻制造芯片的光刻掩模
[6]
、集成电路
[7-8]
、微光学器件
[9]
、各种表面微结构
[10]
等。与聚焦离子束(FIB)光刻
[11]
和电子束光刻(EBL)
[12]
等
类似的微纳米制造方法相比,LDW 具有成本效益高、灵活性强、加工简单、可在非真空环
境工作等优势。然而,由于衍射极限的限制,传统 LDW 的制造分辨率一般在微米量级
[13]
,这就阻碍了其在百纳米乃至亚百纳米下的高精度制造中的应用。因此,近年来,提
高 LDW 的制造分辨率仍然是一个关键问题
[14]
。此外,LDW 是一项扫描技术,受点或线
扫描过程的限制,单位时间加工的面积有限,即加工通量比较低,低通量的加工在小面积
制备时影响不是很大,但是在大面积制备时,线扫描加工通量低的弊病就成为限制 LDW
应用的另外一个瓶颈。
综上,要发展纳米 LDW,就必须解决传统 LDW 面临的两个挑战:第一个挑战是将 LDW
的加工精度提高到亚 100 nm 甚至亚 50 nm 量级,以满足纳米加工的需要;第二个挑战是
突破传统 LDW 加工速度慢的局限,提高 LDW 的信息通量。要解决这些问题,就需要发展
新一代高通量 LDW 技术,以克服现有 LDW 的缺点,为探索新的制造技术和方法提供支
撑。
在提升刻写精度方面,人们提出一种类似于受激辐射损耗(STED)超分辨显微成像技术
[22]
的双光束超分辨 LDW
[15]
,并将其称为边缘光抑制(PPI)LDW(PPI-LDW),该技
术主要利用光与光刻胶材料之间产生的非线性效应,将光反应限制在光焦点中心极小的区
域来实现超高精度的三维结构刻写。图 1 列出了近十几年来各课题组利用该方法进行刻写
时获得的超高分辨率情况,这一技术将 LDW 的刻写精度提升至亚 50 nm 量级。
图 1. 双光束 LDW
[15-21]
Fig. 1. LDW with two laser beams
[15-21]
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在提升刻写速度方面,人们采用多通道光路进行并行刻写,以成倍提升直写速度。光斑点
阵的产生方法主要有微透镜阵列法
[23]
、衍射光学法
[24]
和空间光调制法
[25]
等,如图 2 所
示。基于可编程焦点阵列的并行写入策略可明显提高刻写效率,但创建具有高强度且均匀
分布的多焦点阵列对于并行刻写至关重要。然而,这些方法在焦点大小、能量、分布均匀
性与焦点数量间存在相互矛盾的关系,即焦点数量越多,焦点能量越低、极限光斑越大、
均匀性越差、直写后的分辨率越低。此外,采用微透镜阵列与衍射光学元件产生的多点阵
列,无法对多光束进行特异性调控,只能实现较为简单的周期性结构刻写,这就限制了其
在复杂三维结构制备中的应用。
图 2. 多通道并行 LDW
[24-27]
Fig. 2. Multi-channels LDW technique
[24-27]
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浙江大学刘旭课题组基于光刻胶的 PPI 效应及多通道并行超快控制方法,提出一种高通量
激光纳米直写技术。本文将介绍刘旭课题组近年来围绕这项技术开展的系列研究工作,详
细论述 LDW 的发展现状。
2 高通量激光纳米直写原理
LDW 是将激光束聚焦,并利用极小的聚焦焦点实现感光胶的曝光。LDW 一般采用光学物
镜进行光束聚焦直写,由于光学系统衍射极限的限制,通过物镜的光束的最小光斑尺寸
(分辨率为 R 为 R)
[28]
可表示为
R=k1λNA=k1λnsin θR=k1λNA=k1λnsin θ,(1)
式中:NA 为物镜的数值孔径,由折射率 nn 和半角孔径确定;λλ 为激光的波长。在 LDW
中,还必须关注另一个重要的参数是激光的焦深(η
DOF
),它表征 LDW 光刻的曝光区域有
效长度,可以表示为
ηDOF=k2λNA2ηDOF=k2λNA2,(2)
式中:k1k1 与 k2k2 为 LDW 曝光中的工艺因子,与光刻胶的曝光特性以及直写工艺等密
切相关,一般 k1k1 和 k2k2 的取值为 0.25~1。显然,在传统 LDW 光刻系统中提高加工分
辨率需要缩短入射激光波长 λλ 或增加物镜的数值孔径 NA。一般情况下,LDW 采用 405
nm 或 375 nm 的激光进行直写,国际上 LDW 设备大都可实现 300~500 nm 的直写分辨率
[29]
。以上 LDW 设备中光刻胶的曝光聚合原理是光刻胶对照射激光的单光子吸收效应,这
也是常规光刻工艺中光刻胶的曝光机理。
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