一． 纳米光刻里的“鱼”和“熊掌”问题
具有特殊功能的纳米结构在现代生活的应用日趋广泛，如光谱分析、新型显示、生物传感等等。其中，不同的应用对纳米结构的尺寸需求也不一样，有些需要在大范围内结构均匀一致，有些则需要尺寸随着空间变化。因此，精确地控制纳米结构的尺寸在微纳加工中非常关键。
目前利用聚焦激光束、电子束或离子束逐像素写入型的主流加工方式效率低下，通常在整片晶圆范围内写满所需纳米尺度结构的时间数以小时甚至数以天计。而那些高效率的纳米光刻方法，例如纳米压印和干涉光刻，又往往缺乏“灵活性”。前者是一种依赖模板图案的复制技术，而后者通常只用于制作大面积均匀的纳米结构。那么，可否发展一种纳米光刻方法，能够同时实现对纳米结构尺寸的精准控制和极高的加工效率？
近日，来自香港大学的研究团队发明了一种可以同时得到“鱼”和“熊掌”的光刻工艺，不仅可以高效率地在晶圆级衬底上制造纳米结构，并且可以按照设计需求对其特征尺寸进行空间调制。不同于传统的逐像素串型写入式的加工方式，该团队采用先“大批量”制造较为均匀的纳米结构，再分区域“裁剪”其特征尺寸的加工方案，极大地提高了空间变化纳米结构的制造效率。
干涉光刻是利用两束相干激光在光刻胶上形成正弦型周期性分布的干涉强度图样，经过显影制造出周期型纳米光栅的光刻方法。以采用正性光刻胶为例，在光刻及显影的过程中，由于光刻胶对曝光剂量的非线性响应，在曝光“阈值”以上的光刻胶区域可以被“洗掉”，而在“阈值”以下的光刻胶则会留下。本文的作者正是利用干涉光刻光强分布和光刻胶的非线性响应特点，在干涉光刻之后进行二次曝光，可以把之前干涉光刻期间曝光“阈值”以下的部分补偿到 “阈值”以上，从而可以被显影液洗掉，最终达到“裁剪”线宽的作用。因此通过设计二次曝光剂量的空间分布，可以实现对周期性纳米结构尺寸进行空间调制的作用（图1）。值得指出的是，这一方法的可靠实现要求干涉光刻图案具有高对比度及高稳定性。李文迪教授团队经多年自主研发的激光干涉光刻系统及在纳米光刻加工工艺方面的深入研究为这一方法的发展提供了坚实基础。
图2：不同干涉光刻与二次曝光的剂量组合形成的纳米光栅形貌及该方法实现的亚微米级的调制分辨率
本研究通过实验结果和数值建模验证了结合二次曝光的干涉光刻的可靠性，并通过紫外接触式光刻、微镜阵列投影光刻和激光直写三种二次曝光的方式实现了晶圆尺度上纳米结构特征尺寸的调制，并证明其调制分辨率可达亚微米级（图2）。作为应用，研究团队利用二次曝光对干涉光刻过程中由于激光束强度的高斯分布造成的线宽不均匀性进行补偿，成功地在4英寸样品上加工出了线宽125 nm的均匀光栅，其线宽误差在整个晶圆范围内只有5%。随后，通过设计复杂的二次曝光图案，本研究还实现了基于纳米结构色的晶圆级绘画《清明上河图》，其灰度变化主要由对纳米结构占空比的调制而实现。
图3：由该方法制备的4英寸均匀纳米光栅和3英寸纳米结构色画作《清明上河图》
利用该方法制造的晶圆级纳米结构，可以适用于广泛的应用场景。例如，大面积的均匀纳米光栅可以用于光谱学、天文学、激光器、光通讯等领域。而大面积纳米结构色则在高清显示、防伪及传感等领域具有广阔应用前景。不止于此，随着平面光学器件的兴起，该方法还有极大的潜力被应用在超透镜和AR眼镜等纳米光学器件，它将极大地降低其加工难度和研发成本，加速新兴纳米结构器件应用的到来。
该成果近日以“Spatial Modulation of Nanopattern Dimensions by Combining Interference Lithography and Grayscale-Patterned Secondary Exposure” 为题发表在Light: Science & Applications。
香港大学机械工程系的李文迪教授为论文通讯作者，香港大学与南方科技大学的联合培养博士生甘斫非为论文一作，对论文具有贡献的合作者还包括南方科技大学深港微电子学院的崔德虎教授。
论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41377-022-00774-z
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