研究背景

光學微納加工技術(shù)是現(xiàn)代信息化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，支撐著包括芯片、半導體、傳感器等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，然而我國的先進微納制造技術(shù)及裝備一直處在被國外封鎖的狀態(tài)。為此，大力自主發(fā)展先進微納加工技術(shù)至關(guān)重要。

在諸多先進制造技術(shù)中，雙光子激光直寫技術(shù)廣泛應(yīng)用在納米光子學、生命科學、材料科學、集成光電子等領(lǐng)域，相對于紫外投影光刻技術(shù)和電子束光刻，其具有無掩膜、非真空、真三維的加工優(yōu)勢。但是，受到衍射極限影響，當前的雙光子激光直寫設(shè)備的加工線寬被限制在百納米，很難實現(xiàn)亞百納米的特征尺寸。針對這個問題，科研人員借鑒遠場超分辨成像方法中的受激輻射損耗技術(shù)，開發(fā)了基于邊緣光抑制的雙光子激光直寫方法，進一步提升雙光子激光直寫技術(shù)的特征尺寸。在邊緣光抑制技術(shù)中包含兩束光：一束常規(guī)高斯光束用于激發(fā)光刻膠聚合，一束聚焦后形成圓環(huán)形光斑的抑制光束，兩束光精確地在空間上對準。通過抑制光形成的環(huán)形光斑抑制光刻膠在外圍區(qū)域的聚合進而提高直寫分辨率。通過這種方式，可以使激光直寫突破衍射極限。此外，目前的雙光子設(shè)備皆采用單焦點或單通道刻寫，加工速度較慢，是一種低通量的裝置。采用多焦點并行加工可以在一定程度上提升系統(tǒng)通量，加快系統(tǒng)加工效率。但目前多數(shù)相關(guān)文獻報道集中于周期性、重復性結(jié)構(gòu)打印。

為此，研制一種既能突破衍射極限獲得高精度特征尺寸，同時又可以實現(xiàn)靈活、快速制造的激光直寫裝置，對于雙光子激光直寫技術(shù)發(fā)展、實現(xiàn)大面積應(yīng)用具有巨大的推動作用，對于自主發(fā)展先進微納裝備具有重要意義。

研究重點、創(chuàng)新點、成果

最近，由浙江大學、之江實驗室組成的，由劉旭教授、匡翠方教授領(lǐng)導的團隊基于前期遠場超分辨技術(shù)的研究經(jīng)驗，提出了一種新型的雙通道激光納米直寫方法，并完成了設(shè)備樣機研制。團隊深入研究發(fā)展了暗斑調(diào)控技術(shù)、雙通道調(diào)控技術(shù)、邊緣光抑制技術(shù)、防漂移技術(shù)、三維模型解析技術(shù)和新型光刻膠技術(shù)。所研制的裝置刻寫效率比市面上的單通道裝置產(chǎn)品提升一倍，最小二維線寬達到40nm，空間懸浮線橫向線寬穩(wěn)定在20-30nm?；谄癃毩⒄{(diào)控技術(shù)，實現(xiàn)了通道間的獨立控制，雙通道可以并行打印不同的任務(wù)。突破了傳統(tǒng)并行方法局限于周期性結(jié)構(gòu)打印的問題，能廣泛應(yīng)用于制造非周期性結(jié)構(gòu)和高度復雜結(jié)構(gòu)。這進一步擴展了激光直寫光學制造的潛在應(yīng)用范圍，使該裝置有望成為可支持眾多領(lǐng)域發(fā)展的實用支撐設(shè)備。

圖1 雙通道超衍射極限激光直寫裝置

圖2 亞50nm線寬結(jié)構(gòu)

采用激光直寫打印比特點結(jié)構(gòu)在大數(shù)據(jù)光存儲方面具有極大的應(yīng)用潛力。圖3展示了雙通道系統(tǒng)在打印比特點圖案上的能力，其中，（a）圖是打印結(jié)果的掃描電子顯微鏡圖，（b）、（c）圖分別是（a）中黃色和藍色方框的放大圖，比特點的水平和垂直間距為200 nm，比例尺為1 μm。(a)圖中的上半部分采用邊緣光抑制打印，點結(jié)構(gòu)間隙清晰可辨；相比之下，采用傳統(tǒng)雙光子打印的下半部分，點結(jié)構(gòu)十分模糊。正常的單光束路徑系統(tǒng)中，這兩行必須單獨打印；而在雙通道系統(tǒng)中，兩個圖案可同時打印，可見該方法的效率是普通單光路系統(tǒng)的兩倍。

圖3 位點圖形打印結(jié)果

為了測試實際3D納米結(jié)構(gòu)的并行打印效果，研究人員還打印了超材料結(jié)構(gòu)立方體。打印結(jié)果如圖4所示。

圖4超材料立方體打印結(jié)果

使用體驗

超分辨雙光子聚合需要將超快激光完美聚焦至衍射極限，抑制光則需構(gòu)建為環(huán)形光束并精確與工作激光重合，對系統(tǒng)的像差、穩(wěn)定性、位相調(diào)控精度和準確度都有極高要求?？臻g光調(diào)制器（Spatial Light Modulator，SLM）的全面、精確、靈活、可靠的光場調(diào)控功能可以通過調(diào)控激光波前位相生成所需形狀的光場分布（例如多焦點、貝塞爾光束、環(huán)形光斑等），并可補償激光以及光學系統(tǒng)的像差、實現(xiàn)理想的聚焦；同時，SLM還支持動態(tài)控制，可在實驗過程種按需改變光場分布。在前沿的顯微技術(shù)中，空間光調(diào)制器是光場調(diào)控的必備器件之一。

系統(tǒng)中采用了來自日本濱松公司的兩款SLM（-02和-16系列, Hamamatsu, Japan），分別用于實現(xiàn)對780nm脈沖激發(fā)光和532nm連續(xù)抑制光的調(diào)控。濱松SLM在超分辨雙光子聚合系統(tǒng)中作為光場調(diào)控的核心器件，其良好性能為研究目標的高質(zhì)量達成提供了有力的支持和保證：

l外形設(shè)計簡潔、緊湊，使用方便，易于集成；

l具備完備的二次開發(fā)包及例程，方便科研人員完成自定義功能以及應(yīng)用程序開發(fā)；

l高效率：采用介質(zhì)反射膜，95%光利用率，充分利用激光能量；

l低吸收、高損傷閾值：可使用較高功率激光以實現(xiàn)多路并行操作；即使在無水冷情況下也具備高功率適應(yīng)性和穩(wěn)定性；

l精密準確的位相調(diào)節(jié)和位相穩(wěn)定性：滿足十納米量級超分辨雙光子聚合對光斑、對準、指向性的精密控制和穩(wěn)定運行的要求。

文章出處

題目：Direct laser writing breaking diffraction barrier based on two-focus parallel peripheral-photoinhibition lithography

期刊：《Advanced Photonics》，SCI收錄，中科院、JCR一區(qū)；

原文鏈接： https://doi.org/10.1117/1.AP.4.6.066002

作者及通訊作者：本文作者為由之江實驗室和浙江大學科研人員組成的團隊，通訊作者為劉旭教授和匡翠方教授。