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蘇州納米所在超高精度激光光刻技術(shù)上取得重要進展

星之球科技 來源:蘇州納米所2020-07-07 我要評論(0 )   

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...

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現(xiàn)無掩??焖倏虒?,大大降低了器件制造成本,是一種有競爭力的加工技術(shù)。然而,長期以來激光直寫技術(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隊長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);國家納米中心劉前團隊長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隊所開發(fā)的具有完全知識產(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提高加工分辨率,其有別于傳統(tǒng)的縮短激光波長或增大數(shù)值孔徑的技術(shù)路徑;并打破了傳統(tǒng)激光直寫技術(shù)中受體材料為有機光刻膠的限制,可使用多種受體材料,極大地擴展了激光直寫的應(yīng)用場景。本項工作中,研究團隊針對激光微納加工中所面臨的實際問題出發(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)機理,研究團隊設(shè)計開發(fā)了一種新型三層堆疊薄膜結(jié)構(gòu)。在無機鈦膜光刻膠上,采用雙激光束(波長為405 nm)交疊技術(shù)(見圖2a),通過精確控制能量密度及步長,實現(xiàn)了1/55衍射極限的突破(NA=0.9),達到了最小5 nm的特征線寬。此外,研究團隊還利用這種超分辨的激光直寫技術(shù),實現(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),可以一小時制備約5×105個納米狹縫電極,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,該團隊還利用發(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。可在傳感器一維方向上對反應(yīng)“熱點”完成定點可控,實現(xiàn)了類似邏輯門“0”、“1”信號的編碼和重復(fù)(圖3a-b),并可通過狹縫間距和外加電壓的改變,實現(xiàn)了對反應(yīng)“熱點”強度的精確可調(diào)(圖3c-d),這對表面科學(xué)和痕量檢測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譜; (c)不同寬度下拉曼信號譜; (d)不同外加電壓下拉曼信號譜。


該論文第一作者為中科院蘇州納米所與中國科學(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。本工作得到了國家重點研究計劃項目(2016YFA0200403)、國家自然科學(xué)基金(No.62875222、11874390、51971070)、Eu-FP7項目(No.247644)、中國博士后科學(xué)基金(2017M612182)的支持。

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