數十年來，光刻作為一種有效的圖形轉移技術，在實現功能性微納米尺度結構制備方面一直扮演著重要角色，基于掩模的光刻技術在微電子工業的發展中起著不可或缺的作用。隨著器件小型化和集成化，亟須發展高效、靈活的跨尺度微納結構圖案化技術。利用離子束、電子束、激光束等高能束的直寫光刻技術，盡管能夠實現納米精度的圖案，但是逐點掃描的方式也限制了其在制作跨尺度微納結構時的效率。作為一種有廣闊應用前景的基于數字微鏡芯片(DMD)的激光無掩模光刻技術，以光學投影方式可實現大面積、多尺度結構的高效圖案化，但由于受到光學衍射極限限制，線寬分辨率難以突破亞微米。
 

　　近日，中國科學院理化技術研究所仿生智能界面科學中心有機納米光子學實驗室鄭研究員美玲團隊聯合暨南大學教授段宣明團隊，在超快激光遠場無掩模投影超衍射納米光刻技術研究方面取得進展。以波長為400 nm的超快激光作為光源，利用DMD生成圖案化光場，發展了無掩模光學投影超衍射納米光刻技術，突破光學衍射極限的限制，獲得了僅為激光波長十二分之一(λ/ 12)的32 nm光刻線寬，高效制備了數百微米尺度與納米尺度并存的跨尺度微納結構。此外，通過計算機控制更改所需的DMD生成圖案化光場，便捷地實現了多種跨尺度微納結構圖案制備，簡單地重復該過程，還可以實現多樣化圖形的批量制備。研究成果發表在Nano Letters上。
 

　　無掩模光學投影納米光刻技術原理，使用了中心波長為400 nm，重復頻率為80 MHz，脈沖寬度為100 fs的飛秒脈沖激光作為光源，DMD用于光場的圖案化。將帶有圖案信息的飛秒激光光束，通過油浸物鏡聚焦到非化學放大負光致抗蝕劑(AR-N 7520)中，發生雙光子聚合反應，使光刻膠固化實現圖案化。研究發現，激光曝光條件對微尺度圖案的成形具有重要影響，論文作者研究了微納結構特征線寬與加工參數(激光功率、曝光時間與像素數目)之間的關系，通過對大量重復性試驗數據的分析及理論建模，明確了微結構特征線寬與加工參數之間的規律，實現了不同特征線寬的可控曝光。在單脈沖功率密度1.40×105 W/cm2、曝光時間為1.5 s的條件下，由單像素組成的線陣列可獲得32 nm線寬的超衍射聚合物線；在單脈沖功率密度3.65×105 W/cm2 、曝光時間為0.6 s時，2×2像素可獲得66 nm的超衍射聚合物點。通過DMD控制數字掩模圖案，可以實現整體尺寸為152.5 μm×114.2 μm，含特征尺度為150 nm(1像素)，314 nm(2像素)和610 nm(4像素)的跨尺度復雜微納結構圖形。利用該無掩模光學投影納米光刻技術，高效、便捷地實現了光波導、微機電系統和微流道等多種復雜跨尺度微納結構的圖案化。
 

　　無掩模光學投影超衍射納米光刻技術將可見波長超快激光的非線性光學效應與DMD光場圖案化技術結合，實現超越光學衍射限制的遠場投影光刻，為跨尺度微納復雜結構圖案化提供了高效、便捷的新技術途徑，有望在涉及電子、光學和生物等領域的微納米器件的研究與開發中得到廣泛應用，并實現定制化微納結構與器件的低成本、高效率、批量制造。
 

　　相關研究工作得到科學技術部納米科技重點專項、國家自然科學面上基金項目的支持。