清華新聞網(wǎng)10月18日電 近日，清華大學機械工程系在基于膠體自組裝的微納制造領域取得重要進展。
微球光刻（SLPL）技術是在傳統(tǒng)光刻的基礎上，使用自組裝微球膜代替掩膜，利用微球的光學效應實現(xiàn)亞波長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現(xiàn)等優(yōu)點，并憑借低成本、高通量、易實現(xiàn)和高精度的優(yōu)勢獲得越來越多的關注。然而，微球光刻技術主要用于產生簡單的圖案形狀，比如圓形陣列。盡管已有許多文獻報道單次曝光就可以形成復雜圖案，但是一直長期缺乏系統(tǒng)性的理論分析，尤其是對可以實現(xiàn)的多種非圓形狀的可實現(xiàn)性的預測分析。同時，微球光刻技術的數(shù)值仿真存在條件繁多和分析困難的問題，難以直接從仿真結果中得到指導性的結論。
圖1.通過單獨調整曝光強度以實現(xiàn)不同圖案的制備
針對上述問題，課題組基于前期研究中組內提出的張力梯度誘導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構作為模板替代了精密復雜的傳統(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，并應用米氏散射理論（Mie Theory）系統(tǒng)地分析和總結了通過微球光刻技術過程可以獲得的各種圖案，該理論有利于利用相對直觀的解析解來計算、預測和優(yōu)化微球光刻工藝過程的結果，并分析各種影響因素的物理規(guī)律。通過微球光刻獲得的圖案形狀主要由兩個變量控制，即歸一化直徑（微球直徑與曝光波長之比）和歸一化折射率（微球折射率與介質折射率之比）。以往文獻中得到的大多數(shù)非圓圖案都可以用該簡化模型直接預測。
平面光通過微球后，在與微球相切的切面上的光強分布可以主要分為三個區(qū)域，包括峰值區(qū)、中間低谷區(qū)和外層平臺區(qū)。其中，峰值區(qū)域具有形成亞波長微結構的能力，是最有可能實現(xiàn)納米級加工的部分最值得關注的部分。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鍵的因素。當歸一化直徑增大時，中心峰值區(qū)的峰數(shù)也增加。然而，過大的尺寸會導致理論和實驗之間的較大誤差，并為曝光參數(shù)的控制帶來困難，通常難以獲得多個同心圓結構。
圖2.部分仿真與實驗結果
基于該理論，課題組通過實驗獲得了單環(huán)和帶孔環(huán)結構，擴大了微球光刻技術的應用范圍。利用米氏散射理論的簡化模型，對各種可能實現(xiàn)的模式圖案進行了較為全面的梳理和預測，進一步完善了微球光刻技術的理論基礎。這些發(fā)現(xiàn)有助于促進微球光刻在未來的科學研究和工業(yè)中的更廣泛應用。
相關成果以“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，并被選為刊內封面文章。
圖3.本論文登上的《朗繆爾》(《Langmuir》）刊內封面
清華大學機械系2022級博士生余郭煦為論文第一作者，機械系汪家道教授、馬原助理研究員為論文的共同通訊作者，機械系副研究員翁鼎、助理研究員陳磊、博士后喻博聞，2021級博士生陳逸卿、梁真為，2020級博士生張軒鶴等在該研究中作出貢獻。研究得到國家自然科學基金面上項目等的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.3c01643
供稿：機械系
編輯：李華山
審核：郭玲
