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前沿进展|刘旭、匡翠方团队在《NatureCommunications》发文报道光场与物质共限域的多光子光刻技术

2024-04-17 13:34阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/5331581061

01.导读
近日，浙江大学光电科学与工程学院刘旭教授、匡翠方教授团队在激光直写多光子光刻领域取得重要进展：提出并设计了一种光场和物质共同限域的多光子光刻技术，基于光学系统和材料体系的双重创新，同时克服了光学衍射极限和记忆效应，实现了30nm特征尺寸和100nm分辨率的激光直写，同时深入研究光场和物质对光刻材料的限域机制。
研究成果以“Light and Matter Co-confined Multi-photon Lithography”为题，于2024年3月16日发表于《Nature Communications》上。
02.研究背景
现代科学和工业对高分辨率纳米光刻技术的需求日益强烈。多光子光刻技术(MPL)具有无掩模、高精度和任意三维结构构筑的优点，已被应用于多种领域。然而，由于光学衍射极限和记忆效应的限制，MPL难以实现与电子束光刻（EBL）和极紫外光刻（EUV）相媲美的临界尺寸（CD）和横向分辨率（LR）。目前，MPL的CD一般在100nm以上，LR则高于300nm，与EBL和EUV
相差甚远。受受激发射损耗(STED)显微镜启发的光限域多光子光刻技术(LC-MPL)于2009年诞生，尽管其潜在机制仍有争议，其可以通过抑制光束在一定程度上克服光学衍射极限，实现140 nm的LR的36 nm 的CD。不过，LC-MPL仍然受到邻近效应的限制。
03.研究创新点
针对上述问题，本研究团队提出了一种光场与物质共同限域的多光子光刻技术（LMC-MPL）。在材料体系中引入了高效自由基捕获剂，以克服临近效应对CD和LR的影响。如图1所示，本团队将氮氧自由基分子引入光刻材料，详细研究了不同氮氧自由基分子在MPL中对自由基的限制能力，可直接实现44nm的多光子直写精度和更逼真的3D微纳制造效果。
前沿进展|刘旭、匡翠方团队在《NatureCommunications》发文报道光场与物质共限域的多光子光刻技术
图1.自由基捕获剂的筛选及多光子光刻性能
进一步以自由基捕获剂为探针分子，研究了光场限域多光子光刻的技术原理（图2）。传统的LC-MPL技术原理包括STED路径和三重态Tn吸收（TSA）路径。本研究利用自由基捕获剂来阻断光敏剂分子从激发态S1到三重态Tn的系间穿越，以消除TSA路径，但光限域能力并未完全消失，通过量化抑制效果，提出了双激发路径和两步STED光限域的机理。同时实现了30nm的CD和高分辨率了3D木堆积结构（图2）。
前沿进展|刘旭、匡翠方团队在《NatureCommunications》发文报道光场与物质共限域的多光子光刻技术
图2. LMC-MPL性能及光场限域机制研究
最后通过数学模型（图3）研究了光场和物质对LMC-MPL精度和分辨率的影响，说明了物质限域对分辨率提升的贡献，实现了100nm的横向分辨率（图3），进一步缩短了与EUV等传统光刻的差距。值得一提的是，如果结合多次曝光和套刻技术，有望实现LMC-MPL对传统光刻技术的部分替代。
前沿进展|刘旭、匡翠方团队在《NatureCommunications》发文报道光场与物质共限域的多光子光刻技术
图3. LMC-MPL分辨率及数学模型

04.总结与展望
首次提出了一种光和物质共限域的多光子光刻技术，通过光抑制和化学猝灭剂的结合来克服光学衍射极限和记忆效应。证明了自由基捕获剂TEMPO通过静态猝灭、动态猝灭和与自由基直接反应三种猝灭途径发挥物质限域作用。此外，新发现光敏剂不仅可以通过低能级光激发路径(S1→T1)产生自由基，还可以通过高能能级光激发路径(Sn→Tn)产生自由基。在此基础上，提出两步了光限域机制(Sn→S1和S1→S0)，该光抑制机理对进一步认识光限域多光子光刻具有重要意义。基于LMC-MPL，我们将临界尺寸和横向分辨率分别提高到30 nm和100 nm，并在晶圆上实现高精度的图案转移，说明其有望实现光电子和集成电路的纳米级元件制造。
5.论文链接
https://www.nature.com/articles/s41467-024-46743-5。

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