双层直写激光光刻技术用于纳米尺度图形化

《Journal of Manufacturing Processes》：Dual layer direct laser writing lithography for nanoscale patterning

　　DL-DLW采用双层正/负光刻胶体系，可实现约200 nm的最小特征尺寸。该方法实现了单步无掩模曝光，且特征尺寸可通过调节曝光剂量轻松调节。对照实验显示正胶和负胶分别实现了约65%和约54%的分辨率提升。DL-DLW通过制作复杂的标志、数字和环形结构纳图案得到了验证。## 引言近年来，纳米光子学[1]、[2]、[3]和超材料[4]、[5]、[6]领域的进展加大了对亚衍射极限图案化的需求，推动了光学和非光学光刻方法的创新。在纳米制造中实现更高分辨率仍然受到衍射极限的严重制约。传统的光刻技术，如193 nm深紫外（DUV）光刻[7]、[8]、[9]和极紫外（EUV）光刻[10]、[11]、[12]，通过采用 progressively 更短的曝光波长和复杂的光学系统，实现了卓越的分辨率和吞吐量，因此主导了主流的大规模半导体制造。然而，它们对昂贵的光刻掩模和复杂光学系统的需求显著增加了生产成本。这种依赖性因此限制了它们在快速原型制作或定制器件制造方面的适用性。为了克服分辨率壁垒，已开发了多种多重图案化技术，每种技术都展现出不同的优势和局限性。其中，节距分割方法凭借其扩展现有光刻工具能力的能力而备受瞩目。光刻-刻蚀-光刻-刻蚀（LELE）[13]、[14]、[15]将设计分解为两次独立的曝光/互连，从而放松了对分辨率的要求。然而，这种方法存在累积的套刻误差，并对良率产生显著的负面影响。自对准双重图案化（SADP）[16]、[17]、[18]通过间隔物沉积将初始特征节距减半，从而扩展了DUV光刻的能力。然而，这种方法需要额外的沉积/刻蚀步骤（通常增加5–7层掩模），并且由于其节距倍增机制，本质上限制了设计灵活性。在替代的高分辨率技术中，电子束光刻（EBL）[19]、[20]、[21]和聚焦离子束（FIB）[22]、[23]、[24]光刻通过直接书写实现了亚100 nm的精度。这些方法已成为量子点[25]、[26]、[27]和光子晶体[28]、[29]、[30]等专用器件的原型制作和低产量生产中不可或缺的工具。然而，它们的点扫描操作模式导致吞吐量低，同时高昂的运行成本和严苛的环境要求限制了其工业化应用。与此同时，新兴的双光子聚合（TPP）[31]、[32]、[33]技术通过非线性吸收克服了衍射极限，实现了三维制造中的亚衍射分辨率。然而，其逐点曝光方法在大面积处理中吞吐量不足。相比之下，传统的直接激光写入（DLW）[34]、[35]、[36]提供了一种具有成本效益的替代方案，能够在最少的基础设施投资下快速制造微/纳结构。DLW的多功能性已在从微流控[37]、[38]、[39]、[40]到柔性电子[41]、[42]、[43]等多种应用中得到验证。然而，DLW的分辨率仍然从根本上受限于衍射极限，使其无法应用于需要亚波长特征的下一代纳器件。近年来，已探索了几种双层光刻胶策略，利用正胶和负胶之间的相减相互作用来突破光刻技术的分辨率极限。例如，双层光刻（DLPL）[44]通过正负光刻胶图案的重叠实现了300–900 nm的特征尺寸范围，但依赖于基于掩模的紫外曝光，设计灵活性有限且定制成本高。同时，双层电子束光刻（BEBL）[45]利用相同的相减机制将分辨率推至10 nm以下，但需要昂贵的设备、高真空操作和耗时的串行写入，严重限制了其在常规纳米制造中的可及性和吞吐量。为了克服现有双层光刻胶技术的局限性，我们提出了双层直接激光写入（DL-DLW），该方案将双层机制与传统的直接激光写入相结合。与上述双层方法相比，我们的方法采用无掩模直接激光写入，消除了基于掩模的紫外曝光的局限性，并实现了具有高度设计灵活性的软件定义图案生成。此外，它无需昂贵设备或高真空条件，且所需的加工时间大大缩短。至关重要的是，与大多数报道的双层工艺[46]、[47]、[48]不同，DL-DLW主要针对关键尺寸（CD）控制，而非用于提升工艺的 undercut 形成。精确的CD调节通过优化曝光和显影参数来实现。我们成功制造了最小CD为200 nm的轮廓金属导线/沟槽，展示了DL-DLW在纳米光子学和基础纳米科学研究中的巨大潜力。## 章节摘要### 材料正光刻胶RZJ 304购自苏州瑞宏电子化学品有限公司。负光刻胶9i购自圣泰科材料（潍坊，中国）有限公司。四甲基氢氧化铵（TMAH，25%）水溶液和N-甲基吡咯烷酮（NMP，99.9%）购自上海阿拉丁生化科技有限公司。热蒸发材料铬（99.99%）购自福州创新光电技术有限公司。异丙醇和### 单层光刻：基线表征为了建立最佳的双层光刻参数，我们使用10 μm圆形图案，系统地研究了正负光刻胶在单层光刻中曝光条件（能量P和时间t）与特征直径（d）之间的关系。在能量依赖研究中，所有其他参数（曝光时间、软烘时间、显影时间）保持恒定；在时间依赖研究中，互补参数同样固定。### 结论总之，我们验证了DL-DLW工艺在激光直写光刻中的可行性。已证明DL-DLW通过单步曝光实现了图案特征尺寸的缩小，从而显著提升了内在图案分辨率。该技术降低了对曝光设备的严苛要求，提供了简化且实用的工艺流程。利用DL-DLW，我们成功将曝光线条缩减为两条沟槽，### CRediT作者贡献声明**陈冉张：** 撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，监督，软件，方法学，调查，数据管理，概念化。**徐秀珍：** 撰写——审阅与编辑，验证，监督，方法学，调查，正式分析，数据管理。**熊仕盛：** 撰写——审阅与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取，正式分析，数据管理。**徐晓斌：** 撰写——审阅与编辑，### 利益冲突声明作者声明不存在利益冲突。### 致谢本研究得到张江实验室、国家重点研发计划（编号2024YFA1209000）和国家自然科学基金（编号61974030）的资助。感谢上海科技大学材料与器件实验室提供的平台支持。陈冉张|徐秀珍|熊仕盛|徐晓斌