漢諾威團(tuán)隊(duì)研發(fā)投影光刻新方法，幾秒甚至數(shù)百毫秒就能造出二維微納器件

光學(xué)精密制造技術(shù)對(duì)于生產(chǎn)小型化、集成化的光學(xué)光子器件是必不可少的。

在實(shí)驗(yàn)室中，目前可以通過激光直寫雙光子光刻、電子束、離子束光刻等技術(shù)來制備高精度微納米元器件。

但是，相應(yīng)的加工系統(tǒng)通常非常昂貴、且加工效率不夠高。盡管納米壓印技術(shù)能以高產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)高分辨率的結(jié)構(gòu)，但它需要高精度的模版。

模版通常需要電子束光刻等技術(shù)來制備，這會(huì)導(dǎo)致額外的成本投入和時(shí)間投入。

盡管光學(xué)投影光刻技術(shù)已被開發(fā)用于光學(xué)器件的制備。但是，這些方法目前只能實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的分辨率，更高精度的光學(xué)加工依然面臨挑戰(zhàn)。

在支持高精度加工的紫外投影光刻技術(shù)面世以前，人們主要通過激光直寫技術(shù)來加工微納器件。

激光直寫技術(shù)雖然也可以用于加工，但這個(gè)方法在三維加工會(huì)尤其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在加工二維結(jié)構(gòu)時(shí)，這種層層加工的方式會(huì)使加工效率過低，而且平臺(tái)各個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的高精度與否對(duì)于獲得高質(zhì)量器件極其重要。

德國漢諾威大學(xué)鄭蕾博士所在課題組的其中一個(gè)方向是應(yīng)用光學(xué)和應(yīng)用光子學(xué)，該團(tuán)隊(duì)的研究經(jīng)常涉及到二維微納結(jié)構(gòu)的加工制備。

圖 | 鄭蕾（來源：鄭蕾）

該團(tuán)隊(duì)曾設(shè)想：如能開發(fā)一套支持高效和高精度加工的低成本設(shè)備，會(huì)極大促進(jìn)相關(guān)課題的研究。

受到顯微鏡系統(tǒng)的啟發(fā)，他們決定研發(fā)一套低成本的基于紫外 LED（light-emitting diode，發(fā)光二極管）的投影光刻系統(tǒng)，以便更高效地進(jìn)行二維微納器件的制備，推進(jìn)課題研究。

該方法以紫外 LED 為光源，通過標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)元件和顯微物鏡將圖案投影到基板上，再進(jìn)行紫外光照射來加工微納器件。

當(dāng)然，開發(fā)加工系統(tǒng)和技術(shù)的過程并不是一蹴而就的，從最初的系統(tǒng)雛形、到軟硬件和加工工藝的逐步優(yōu)化，期間經(jīng)歷了幾年之久。

具體來說，有了開發(fā)加工系統(tǒng)的想法之后，他們先是搭建了一個(gè)系統(tǒng)雛形，通過加工測(cè)試驗(yàn)證思路可行性。

之后，他們才開始更深入的研究和優(yōu)化，包括硬件系統(tǒng)的完善和軟件端的優(yōu)化。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

其一，優(yōu)化光路成像質(zhì)量。

由于這個(gè)技術(shù)的加工方式：是通過將圖案投影到旋涂了光敏聚合物的基底上，再通過紫外光照射曝光的方式來進(jìn)行。因此，圖案的成像質(zhì)量對(duì)于加工精度和加工質(zhì)量非常重要。

為此他們對(duì)光路進(jìn)行了調(diào)試，同時(shí)運(yùn)用平面消色差物鏡來提高成像質(zhì)量，借此減少了像差畸變。

其二，優(yōu)化軟件系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)加工過程的可控化和自動(dòng)化，他們開發(fā)了配套的加工軟件，以用于對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行定量控制，同時(shí)也開發(fā)了包括自動(dòng)聚焦、平臺(tái)傾斜度自動(dòng)檢測(cè)、拼接加工、加工過程實(shí)時(shí)觀測(cè)等功能模塊。

這大大促進(jìn)了加工操作的簡易化和便捷化，提升了加工效率和加工可重復(fù)性。

其三，建設(shè)和完善加工工序。

由于這一制造系統(tǒng)仍然依賴于掩模版，為了更方便地制備掩模版，以及實(shí)現(xiàn)低成本的制造，他們開發(fā)了一套涵蓋從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和打印、鉻掩模版制備、到 MPP（microscope projection photolithography，顯微鏡投影光刻技術(shù)）加工的完整工序。

目前，這套系統(tǒng)可以在幾秒甚至數(shù)百毫秒時(shí)間內(nèi)加工出一款二維微納器件，而且器件質(zhì)量和可重復(fù)性都很高。在加工精度方面，課題組已能實(shí)現(xiàn)最低 80 納米的特征尺寸。

整體來看，這套系統(tǒng)主要聚焦于二維的微納光學(xué)器件加工，預(yù)計(jì)這些器件可被用于光學(xué)傳感、納米光子學(xué)等不同領(lǐng)域。

日前，相關(guān)論文以《基于 UV-LED 的顯微投影光刻實(shí)現(xiàn) 100nm 以下特征尺寸》（Feature size below 100 nm realized by UV-LED-based microscope projection photolithography）為題發(fā)在 Light: Advanced Manufacturing[1]。鄭蕾是第一作者兼通訊作者。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Light: Advanced Manufacturing）

未來，他們希望可以實(shí)現(xiàn)大面積的高精度加工，比如實(shí)現(xiàn)片上集成光路的加工。因此：

其一，他們將進(jìn)行軟件程序的優(yōu)化，希望使整個(gè)系統(tǒng)操作更加便捷和友好。此外，為了進(jìn)一步提升系統(tǒng)操作的自動(dòng)化程度，還需要優(yōu)化運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的配置和拼接加工模塊的功能。

目前，他們只配置了電動(dòng)平移臺(tái)，僅能實(shí)現(xiàn) XYZ 三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)控制。后續(xù)，其計(jì)劃配置電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，以便實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)傾斜度的自動(dòng)補(bǔ)償，從而提升系統(tǒng)操作的便捷性。

其二，他們將探索新工藝的應(yīng)用可能性，比如探索基于該技術(shù)加工金屬材料、量子材料等其他材料的可能性。