负性光刻胶AZ nLOF 2070的剂量调制优化及其在灰度电子束光刻中的应用研究

研究人员针对负性光刻胶AZ nLOF 2070在灰度电子束光刻(GS-EBL)中结构保真度不足的问题，通过建立Rodbard方程关联曝光剂量与显影后光刻胶高度，结合全局曝光策略优化低剂量区域显影效果，实现了亚微米级自由形态结构的高精度制备（MSE误差分析验证），并探索了该技术在纳米压印光刻(NIL)中的可扩展性，为集成光子器件设计提供了新方法。

　　

在微纳加工领域，灰度光刻技术(GSL)因其能直接制备三维结构而备受关注，但传统研究多聚焦于正性光刻胶如PMMA，对负性光刻胶的探索存在明显空白。负性光刻胶AZ nLOF 2070虽具有优异的光学特性（折射率1.6@1550nm）和热稳定性，但其在GS-EBL中的应用尚未系统研究。更关键的是，低剂量区域的显影不彻底会导致结构宽度缩窄和形貌失真，这严重制约了复杂光学元件（如微透镜阵列、波导锥形耦合器）的加工精度。

针对这一技术瓶颈，来自芬兰的研究团队在《Applied Surface Science》发表研究，通过建立剂量-高度数学模型和引入全局曝光策略，实现了AZ nLOF 2070的精确灰度调控。研究人员首先采用EBPG 5000+ ES HR电子束光刻系统（100kV加速电压，400pA束流）制备线性剂量梯度测试结构，通过SEM图像分析发现剂量步长40时形貌最平滑。为解决低剂量区（<15μC/cm²
）显影不完全的问题，创新性地在主体曝光前施加3μC/cm²
的全局曝光剂量，使结构宽度从2.77μm提升至3.76μm。

关键实验技术包括：1) 基于Rodbard方程的四参数逻辑拟合（h(D_e
)=d+(a-d)/[1+(D_e
/c)^b
]），建立剂量-高度定量关系；2) 通过40点采样法结合ImageJ软件进行SEM图像数字化分析；3) 采用SF₆
/O₂
反应离子刻蚀(RIE)制备硅硬模；4) 使用mr-NIL 6000E树脂进行纳米压印转移。

研究结果部分：
2.1 电子束光刻优化
通过剂量测试发现，当最小曝光剂量优化至1.4μC/cm²
并配合全局曝光时，凹椭圆弧结构(a')的MSE降至极低值，而凸椭圆弧(b')因低剂量区敏感仍存在20206的MSE误差，揭示几何曲率对显影效果的显著影响。

3.1 形貌保真度验证
对9种测试结构的分析表明，孤立对称/非对称结构（a-f）的宽度重现性达90%，但连续结构(g-i)的连接区出现剂量干扰现象，提示复杂拓扑需要独立建模。

3.2 工艺重现性
四重复实验显示，三种典型结构的40个测量点高度标准差均<10nm，跨晶圆批次的关键尺寸变异系数<5%，证实工艺稳定性。

3.3 纳米压印转化
硅硬模蚀刻后保留80%原始宽度，但NIL转印树脂时高度仅剩50%，揭示刻蚀选择性与压印收缩的级联效应需在设计阶段预补偿。

该研究通过建立负性光刻胶的定量曝光模型，不仅填补了GS-EBL技术空白，更开创性地提出"剂量补偿曝光"策略，将AZ nLOF 2070的应用范围扩展到微光学元件直接制造领域。特别值得注意的是，Rodbard方程的双向可逆性使得该方法能支持"设计→剂量"的正向推算和"形貌→参数"的反向校准，为光子晶体、超表面等亚波长器件的快速原型制作提供了新范式。作者Olli Ovaskainen等在讨论中指出，未来通过引入蒙特卡洛模拟校正邻近效应，可进一步提升<100nm特征结构的加工精度，这对实现片上光互连具有重要意义。