漢諾威團隊研發(fā)投影光刻新方法，幾秒甚至數百毫秒就能造出二維微納器件

光學精密制造技術對于生產小型化、集成化的光學光子器件是必不可少的。

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

但是，相應的加工系統通常非常昂貴、且加工效率不夠高。盡管納米壓印技術能以高產量實現高分辨率的結構，但它需要高精度的模版。

模版通常需要電子束光刻等技術來制備，這會導致額外的成本投入和時間投入。

盡管光學投影光刻技術已被開發(fā)用于光學器件的制備。但是，這些方法目前只能實現微米級的分辨率，更高精度的光學加工依然面臨挑戰(zhàn)。

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

激光直寫技術雖然也可以用于加工，但這個方法在三維加工會尤其獨特的優(yōu)勢。在加工二維結構時，這種層層加工的方式會使加工效率過低，而且平臺各個運動方向的高精度與否對于獲得高質量器件極其重要。

德國漢諾威大學鄭蕾博士所在課題組的其中一個方向是應用光學和應用光子學，該團隊的研究經常涉及到二維微納結構的加工制備。

圖 | 鄭蕾（來源：鄭蕾）

該團隊曾設想：如能開發(fā)一套支持高效和高精度加工的低成本設備，會極大促進相關課題的研究。

受到顯微鏡系統的啟發(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，以便更高效地進行二維微納器件的制備，推進課題研究。

該方法以紫外 LED 為光源，通過標準光學元件和顯微物鏡將圖案投影到基板上，再進行紫外光照射來加工微納器件。

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

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

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

其一，優(yōu)化光路成像質量。

由于這個技術的加工方式：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行。因此，圖案的成像質量對于加工精度和加工質量非常重要。

為此他們對光路進行了調試，同時運用平面消色差物鏡來提高成像質量，借此減少了像差畸變。

其二，優(yōu)化軟件系統。

為了實現加工過程的可控化和自動化，他們開發(fā)了配套的加工軟件，以用于對加工參數進行定量控制，同時也開發(fā)了包括自動聚焦、平臺傾斜度自動檢測、拼接加工、加工過程實時觀測等功能模塊。

這大大促進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性。

其三，建設和完善加工工序。

由于這一制造系統仍然依賴于掩模版，為了更方便地制備掩模版，以及實現低成本的制造，他們開發(fā)了一套涵蓋從結構設計和打印、鉻掩模版制備、到 MPP（microscope projection photolithography，顯微鏡投影光刻技術）加工的完整工序。

目前，這套系統可以在幾秒甚至數百毫秒時間內加工出一款二維微納器件，而且器件質量和可重復性都很高。在加工精度方面，課題組已能實現最低 80 納米的特征尺寸。

整體來看，這套系統主要聚焦于二維的微納光學器件加工，預計這些器件可被用于光學傳感、納米光子學等不同領域。

日前，相關論文以《基于 UV-LED 的顯微投影光刻實現 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 | 相關論文（來源：Light: Advanced Manufacturing）

未來，他們希望可以實現大面積的高精度加工，比如實現片上集成光路的加工。因此：

其一，他們將進行軟件程序的優(yōu)化，希望使整個系統操作更加便捷和友好。此外，為了進一步提升系統操作的自動化程度，還需要優(yōu)化運動平臺的配置和拼接加工模塊的功能。

目前，他們只配置了電動平移臺，僅能實現 XYZ 三個方向的運動控制。后續(xù)，其計劃配置電動旋轉平臺，以便實現運動平臺傾斜度的自動補償，從而提升系統操作的便捷性。

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