远场干涉纳米光刻技术：实现任意亚衍射图案的新方法

《Optics & Laser Technology》：Far-field interference nano-lithography for creating arbitrary sub-diffraction patterns

本研究针对传统纳米光刻技术在制造任意亚波长图案时面临的掩模制备难度大、近场配置复杂等挑战，提出了一种多曝光远场干涉光刻方法。通过将目标图案的空间频谱分解为多个波段，并利用特定掩模和倏逝参考波进行干涉重建，成功实现了无需亚波长特征掩模或近场配置的亚衍射图案制备。仿真结果表明，增加曝光次数可在放宽数值孔径要求的同时获得更精细的特征，为高分辨率纳米加工提供了可扩展的灵活解决方案。

　　

在纳米科技飞速发展的今天，制造任意纳米尺度图案已成为集成电路产业和超表面光学元件等领域的迫切需求。然而，现有的纳米加工技术面临着一个棘手的矛盾：电子束光刻虽能实现高精度任意图案，但其逐点扫描方式效率低下；而传统光学光刻虽具备并行加工优势，但要突破衍射极限，就需要使用带有亚波长特征的掩模，且掩模与晶圆间距需控制在纳米量级，这大大增加了技术难度和成本。正是在这样的背景下，德黑兰大学的研究团队提出了一种创新的解决方案——多曝光远场干涉纳米光刻技术。

这项发表于《Optics》的研究工作，巧妙地将全息干涉原理与空间频谱分析相结合，开发出了一种无需亚波长掩模特征就能实现亚衍射图案制备的新方法。研究人员通过将目标图案的空间频率谱分解为多个波段，每个波段通过不同的掩模和相应的倏逝参考波单独实现，最终在光刻胶表面通过波干涉重建出高频成分。

研究团队采用的核心技术方法包括：空间频谱分解技术，将目标图案的傅里叶频谱按空间频率范围划分为多个子带；倏逝波干涉控制技术，通过全内反射或表面等离子体激元等方式产生可控的倏逝参考波；多曝光叠加技术，利用光刻胶的剂量累积特性分步实施图案转移；以及光学传递函数逆向设计，根据目标场分布反推掩模结构。

2. 背景理论

研究人员首先建立了完整的理论框架，假设目标是在光刻胶表面创建包含高空间频率的任意强度分布I_g(x)。通过分析其傅里叶变换G(k_x)的对称性质，他们将空间频谱划分为多个区域：区域①包含传播波成分，可直接通过光学系统传递；而区域②、③等则对应倏逝波成分，需要通过倏逝参考波进行频谱搬移。理论分析表明，通过精心设计的参考波干涉，可以将高频成分有效地搬移到光学系统可传递的频率范围内。

3. 结果与讨论

仿真结果验证了该方法的有效性。当使用单一掩模时，掩模特征尺寸需要达到λ₀/5量级，且需要数值孔径NA>3的光学系统，这在实际应用中极具挑战性。而采用三个掩模配合NA=1的光学系统时，掩模特征尺寸可放宽至λ₀/2量级，大大降低了制备难度。随着掩模数量的增加，可实现的图案分辨率显著提高，但同时也引入了背景噪声导致的轻微失真。研究人员发现，通过优化掩模数量和曝光参数，可以在分辨率和图案保真度之间取得最佳平衡。

对齐精度分析显示，当掩模错位控制在λ₀/10以内时，生成的图案与目标图案基本一致；即使错位达到λ₀/5，图案质量仍保持在可接受范围内。这表明该方法对对齐误差具有一定的容错能力，在实际应用中具有较好的鲁棒性。

4. 结论

该研究提出的远场纳米光刻技术通过频谱分解和空间频率带的受控干涉，实现了无需亚波长掩模特征或高数值孔径光学系统的任意亚衍射图案制备。该方法不仅突破了传统光刻技术的局限性，还为大规模纳米制造提供了一条可行的技术路径，在超表面制造、衍射光学元件、光子器件等领域具有广阔的应用前景。

这项工作的重要意义在于，它巧妙地利用现有的光学元件和加工技术，通过算法创新实现了性能突破。与需要特殊材料和复杂设备的方法相比，这种基于传统光学系统的解决方案更易于实现产业化应用，为纳米加工技术的发展开辟了新的方向。