清華新聞網10月19日電 雙光子光刻技術是一種具有超分辨率特性的微納加工技術。該光刻技術利用高數(shù)值孔徑的物鏡對激發(fā)光束進行聚焦，使其在空間上形成亞微米級尺度的聚焦點，通過光刻膠在曝光過程中的溶解度變化最終實現(xiàn)精細結構制造。雙光子光刻可以利用簡單易得的長波激光光源（如780nm、532nm），以雙光子聚焦效應突破衍射極限限制，實現(xiàn)近EUV光刻級別的超高分辨率成像（注：EUV極紫外光刻為半導體領域的最先進光刻技術，但光源制造難度極大、造價極高）。然而，雙光子光刻是直刻技術，打印速率極慢，通常僅為微米/秒到毫米/秒級，在制造較大體積的微結構時需耗費極長的刻寫時間，成為了限制雙光子光刻技術大規(guī)模應用的瓶頸（圖1c），30多年來一直沒有突破。
近日，清華大學核能與新能源技術研究院新型能源與材料化學團隊首次提出高效光致極性變化調控光刻膠溶解度機制，并據(jù)此開發(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。經測試，采用這種光刻膠的雙光子打印速率達到了7.77m/s。這是全球首次將光刻速度提高到米/秒級別，比傳統(tǒng)的聚合物基光刻膠快了3-5個數(shù)量級。此外，采用這款光刻膠還實現(xiàn)了極高的打印分辨率，曝光線條的線寬能夠小至38nm，優(yōu)于深紫外（DUV）浸沒式光刻技術的線寬極限。
圖1.雙光子光刻系統(tǒng)及其刻寫速度挑戰(zhàn)示意圖
此外，在3D光刻方面，目前已能打印一些復雜的3D微結構，例如空心的富勒烯結構和超材料立方體結構等（圖2）。
圖2.納米顆粒光刻膠在532nm雙光子光刻機下的光刻性能和打印的微結構
在半導體集成電路芯片制造的光刻領域，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，EUV光源和反射鏡成為芯片制造技術的最大挑戰(zhàn)和限制。本研究成果技術大幅縮短了雙光子光刻制造所需的時間，而且顯著提高了其加工分辨率，有望實現(xiàn)雙光子光刻技術在微納制造領域的大規(guī)模實際應用。該技術極大地降低光刻機的復雜程度、體積和制造運行成本，也有望為半導體集成電路芯片制造開辟全新的低成本技術路線。
近日，相關成果以“可實現(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》（Nature Nanotechnology）刊物上。《自然·納米技術》還同步在線發(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）的研究簡報，報道該團隊研發(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。
清華大學核能與新能源技術研究院博士后劉天棋為論文第一作者。清華大學核能與新能源技術研究院徐宏副教授、何向明研究員，以及浙江大學光電科學與工程學院匡翠方教授為論文共同通訊作者。該研究獲得國家自然科學基金、中國博士后科學基金、清華大學自主科研項目、之江實驗室重大科研項目和北京市科技計劃項目的資助。清華大學高性能計算中心提供了計算資源的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41565-023-01517-w
簡報鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41565-023-01518-9
供稿：核研院
題圖設計：李娜
編輯：李華山
審核：郭玲
