一种基于双暗斑联合抑制的超分辨光刻方法及光刻胶

1.本发明属于超精密刻写领域，尤其涉及一种基于双暗斑联合抑制的超分辨光刻方法及光刻胶。


背景技术：

2.双光子激光直写技术是激光直写打印技术中的一种，是目前实现纳尺度3d打印最有效的一种技术。该技术利用了双光子吸收效应，双光子吸收是指物质的一个分子同时吸收两个光子，双光子吸收的发生主要在脉冲激光所产生的超强激光焦点处，光路上其它地方的激光强度不足以产生双光子吸收，并且由于所用光波长较长，能量较低，相应的单光子吸收过程不能发生。因此，利用双光子吸收效应可以实现高质量的3d纳米加工能力，具有高分辨加工能力、低热影响性能、加工材料广泛、环境要求低、具有真三维加工能力等特点。
3.然而，随着各个领域的快速发展，对双光子激光直写技术的精度提出了更高的要求。目前，市场上最为成熟的双光子直写设备——德国nanoscribe公司的photonic professional gt系列快速高分辨系统能够达到约160nm的刻写特征尺寸与10mm/s的刻写速度。为了进一步提升刻写精度，科研人员将1994年德国物理学家hell所提出的受激发射损耗（sted）技术从超分辨成像领域借鉴到超分辨光刻领域，提出边缘光抑制（ppi）技术。该技术类似于sted，同样利用两个光束，其中一束称为激发光，脉冲宽度为飞秒，用于刻写结构；另一束称为抑制光，脉冲宽度大于皮秒，用于抑制边缘的聚合过程，通过两个光束的共同作用，从而实现刻写精度的提升，达到了小于50 nm的刻写特征尺寸。
4.基于ppi技术的原理，刻写线宽与抑制光能量成反比，即随着抑制光束能量的增加，刻写线宽可以不断减小。实际刻写过程中科研人员发现虽然利用ppi技术大幅提升了刻写精度，但其存在一个极限值，即50 nm左右，主要是由于过强的抑制光反而会引起刻写结构变宽所致。因此，如何在此基础上进一步提升刻写精度成为了相关领域的难题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于双暗斑联合抑制的超分辨光刻方法。
6.一种基于双暗斑联合抑制的超分辨光刻方法，包括以下步骤：s1：将两个抑制暗斑与激发光斑同时聚焦于光刻胶上，并且保持三个光斑的中心重合；s2：以激发光斑中心点为参照，将两个抑制暗斑的中心沿着与刻写方向垂直的方向进行移动，移动范围为0到抑制暗斑的半个波长，两个抑制暗斑中心与激发光斑中心的距离相等；s3：提升两个抑制暗斑的能量，使其叠加后强度分布的最大值与重叠时强度的最大值相等；s4：利用此三个光斑形成的刻写点进行激光直写，刻写过程中，当沿x方向进行刻
写时，两个抑制暗斑沿y方向移动；当沿y方向进行刻写时，两个抑制暗斑沿x方向移动；s5：根据实际刻写的图形，结合以上刻写方式，实现超分辨光刻。
7.作为优选，所述抑制暗斑的波长范围为405 nm至780 nm，暗斑的强度分布为中心强度为0的圆环形光斑或者中心强度为0的“x”形光斑。
8.作为优选，所述激发光斑为波长范围为405 nm至780 nm的飞秒激光光束，强度分布为高斯分布。
9.本发明还提供了一种应用于上述光刻方法的光刻胶，包含单体和光引发剂。
10.作为优选，所述单体包括丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯或两者的混合物。
11.作为优选，所述光引发剂占单体总量的0.01%~10%。
12.作为优选，所述光引发剂占单体总量的0.1%~5%。
13.作为优选，所述光引发剂占单体总量的0.25%~2%。
14.本发明的有益效果是：本发明针对目前边缘光抑制技术中难以突破50 nm刻写特征线宽的难题，以过强的抑制光反而会引起刻写结构变宽的原因出发，通过双抑制光斑的结合实现在保证最大抑制强度不变的前提下压缩暗斑抑制区域，从而实现等效刻写光斑的进一步压缩，突破50 nm的极限特征线宽。利用本发明的方法可以得到尺寸更小的等效刻写光斑，从而实现更高精度的纳米加工能力，可为微机械、微光学、微流控等领域提供更高精度的加工手段。
附图说明
15.图1是本发明一种基于双暗斑联合抑制的超分辨光刻方法原理图；图2是本发明两个抑制暗斑中心重合叠加时与激发光在垂直于运动方向截面上的强度分布归一化图；图3是本发明两个抑制暗斑中心移动一定距离后叠加时与激发光在垂直于运动方向截面上的强度分布归一化图；图4是本发明刻写时扫描方式示意图；图5是利用本发明的方法进行实际刻写结构的电镜成像图；图中，1-激发光斑、2-两个抑制光斑中心移动后的叠加、3-三光斑叠加后的等效刻写光斑。
具体实施方式
16.下面通过实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
17.光刻方法实施例1本发明提供一种基于双暗斑联合抑制的超分辨光刻方法，如图1中所示，其步骤包括：s1：将两个抑制暗斑与激发光斑同时聚焦于光刻胶上，并且保持三个光斑的中心重合；s2：以激发光斑中心点为参照，将两个抑制暗斑的中心沿着与刻写方向垂直的方向进行移动，移动范围为0到抑制暗斑的半个波长，两个抑制暗斑中心与激发光斑中心的距
离相等；s3：提升两个抑制暗斑的能量，使其叠加后强度分布的最大值与重叠时强度的最大值相等；s4：利用此三个光斑形成的刻写点进行激光直写，刻写过程中，当沿x方向进行刻写时，两个抑制暗斑沿y方向移动；当沿y方向进行刻写时，两个抑制暗斑沿x方向移动；s5：根据实际刻写的图形，结合以上刻写方式，实现超分辨光刻。
18.实例中利用空间光调制器与光学系统在焦面上产生两个抑制暗斑的波长为532 nm，强度分布中心强度为0的圆环形光斑，激发光斑采用波长为780 nm，脉宽为150fs，重复频率为80mhz的飞秒激光光束，其强度分布为高斯分布。
19.光刻方法实施例2s1：将两个抑制暗斑与激发光斑同时聚焦于光刻胶上，并且保持三个光斑的中心重合；s2：以激发光斑中心点为参照，将两个抑制暗斑的中心沿着与刻写方向垂直的方向进行移动，移动范围为0到抑制暗斑的半个波长，两个抑制暗斑中心与激发光斑中心的距离相等；s3：提升两个抑制暗斑的能量，使其叠加后强度分布的最大值与重叠时强度的最大值相等；s4：利用此三个光斑形成的刻写点进行激光直写，刻写过程中，当沿x方向进行刻写时，两个抑制暗斑沿y方向移动；当沿y方向进行刻写时，两个抑制暗斑沿x方向移动；s5：根据实际刻写的图形，结合以上刻写方式，实现超分辨光刻。
20.实例中利用空间光调制器与光学系统在焦面上产生两个抑制暗斑的波长为405nm，强度分布中心强度为0的圆环形光斑，激发光斑采用波长为532nm，脉宽为150fs，重复频率为80mhz的飞秒激光光束，其强度分布为高斯分布。
21.光刻方法实施例3s1：将两个抑制暗斑与激发光斑同时聚焦于光刻胶上，并且保持三个光斑的中心重合；s2：以激发光斑中心点为参照，将两个抑制暗斑的中心沿着与刻写方向垂直的方向进行移动，移动范围为0到抑制暗斑的半个波长，两个抑制暗斑中心与激发光斑中心的距离相等；s3：提升两个抑制暗斑的能量，使其叠加后强度分布的最大值与重叠时强度的最大值相等；s4：利用此三个光斑形成的刻写点进行激光直写，刻写过程中，当沿x方向进行刻写时，两个抑制暗斑沿y方向移动；当沿y方向进行刻写时，两个抑制暗斑沿x方向移动；s5：根据实际刻写的图形，结合以上刻写方式，实现超分辨光刻。
22.实例中利用空间光调制器与光学系统在焦面上产生两个抑制暗斑的波长为780 nm，强度分布中心强度为0的圆环形光斑，激发光斑采用波长为405 nm，脉宽为150fs，重复频率为80mhz的飞秒激光光束，其强度分布为高斯分布。
23.光刻胶材料包含单体和光引发剂。适用于本发明的光引发剂需要具有双色光敏性，即可被飞秒激光引发，生成活性自由基，然后被另一束激光抑制自由基的生成。所述光
引发剂选自2-异丙基硫杂蒽酮、4-异丙基硫杂蒽酮、米氏酮、irgacure 369、7-二乙基氨基-3-噻吩甲酰基香豆素中的一种或多种。所述单体优选为丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯或两者的混合物，可以选自二环戊烯基甲基丙烯酸酯、丙酸三环癸烯酯、甲基丙烯酸(3,3,5-三甲基环己基)酯、邻苯基苯酚聚氧乙烯醚丙烯酸酯、9,9-双[4-(2-羟基-3-丙烯酰氧基丙氧基)苯基]芴、2-丙烯酸 2-(2-萘硫基)乙酯、4,4'-二丙烯酸联苯酯、1-萘甲基丙烯酸酯、丙烯酸对氯苯酯、丙烯酸对溴苯酯、丙烯酸五氯苯酯、丙烯酸五溴苯酯、2,4,6-三溴苯丙烯酸酯、2,4,6-三氯苯丙烯酸酯中的一种或多种。
[0024]
所述光引发剂占单体总量的0.01%~10%，优选为0.1%~5%，进一步优选为0.25%~2%。
[0025]
光刻胶实施例1光刻胶配制：准备20 ml洁净的棕色样品瓶，洗净、干燥；称量10 g 二环戊烯基甲基丙烯酸酯，加入样品瓶中，搅拌30 min、超声60 min，最后摇匀2~3 h，即可得到混合均匀的溶液。称量100 mg 7-二乙基氨基-3-噻吩甲酰基香豆素，加入上述混合溶液中，过夜搅拌，直至完成溶解。
[0026]
显影：刻写完成后，将样品依次在丙二醇甲醚醋酸酯和异丙醇中分别浸泡15 min，最后用干净的异丙醇冲洗一下，晾干。
[0027]
图2为本发明两个抑制暗斑中心重合叠加时与激发光在垂直于运动方向截面上的强度分布归一化图，图中虚线以上为材料发生双光子吸收效应的阈值，也就是说在没有抑制光的作用下，虚线与激发光高斯分布的交线即是刻写线宽尺寸。当抑制光束同时作用到刻写区域时，抑制光斑与激发光斑重叠的区域受到抑制效果，光刻胶在激光的作用下不发生改变，从而将刻写尺寸缩短到图中括号所表示的尺寸。
[0028]
当将两个抑制暗斑中心移动一定距离后叠加时，光强分布如图3中所示，可见在合束光强最大值保持与重合时一致的条件下，中心抑制区域变大，从而实现等效刻写区域的减小。实际刻写中沿着x与y方向扫描刻写时，双暗斑的空间位置会根据扫描方向进行调整，如图4中所示，从而保证x与y方向刻写线宽的一致性。实例中利用空间光调制器来产生环形光束，并且可以调整相位图来实现光束中心的高精度位移，从而保证光束在不同方向扫描时可以根据扫描方向及时调整空间位置。
[0029]
实例中运用自研的光刻设备，结合本发明的方法进行了实际刻写测试，刻写速度为1000μm/s，激发光强设置为3~5 mw/cm2，两个抑制暗斑光强设置为10~50 mw/cm2。经过光刻胶显影等处理，利用电子显微镜对刻写结果进行成像表征，成像图如图5中所示，获得了约30 nm的刻写线宽，表明本发明方法进一步提升了纳米刻写精度。
[0030]
光刻胶实施例2准备20 ml洁净的棕色样品瓶，洗净、干燥；称量10 g 邻苯基苯酚聚氧乙烯醚丙烯酸酯，加入样品瓶中，搅拌30 min、超声60 min，最后摇匀2~3 h，即可得到混合均匀的溶液。称量1 mg 7-二乙基氨基-3-噻吩甲酰基香豆素，加入上述混合溶液中，过夜搅拌，直至完成溶解。
[0031]
采用光刻胶实施例1的方法进行飞秒激光直写实验。刻写完成后，将样品依次在丙二醇甲醚醋酸酯和异丙醇中分别浸泡15 min，最后用干净的异丙醇冲洗，晾干。
[0032]
光刻胶实施例3准备20 ml洁净的棕色样品瓶，洗净、干燥；称量6 g 甲基丙烯酸(3,3,5-三甲基环
己基)酯，加入样品瓶中，称量4 g 邻苯基苯酚聚氧乙烯醚丙烯酸酯，搅拌30 min、超声60 min，最后摇匀2~3 h，即可得到混合均匀的溶液。称量10 mg 2-异丙基硫杂蒽酮，加入上述混合溶液中，过夜搅拌，直至完成溶解。
[0033]
采用光刻胶实施例1的方法进行飞秒激光直写实验。刻写完成后，将样品依次在丙二醇甲醚醋酸酯和异丙醇中分别浸泡15 min，最后用干净的异丙醇冲洗，晾干。
[0034]
光刻胶实施例4准备20 ml洁净的棕色样品瓶，洗净、干燥；称量6 g 甲基丙烯酸(3,3,5-三甲基环己基)酯，加入样品瓶中，称量4 g 邻苯基苯酚聚氧乙烯醚丙烯酸酯，搅拌30 min、超声60 min，最后摇匀2~3 h，即可得到混合均匀的溶液。称量25 mg 7-二乙基氨基-3-噻吩甲酰基香豆素，加入上述混合溶液中，过夜搅拌，直至完成溶解。
[0035]
采用光刻胶实施例1的方法进行飞秒激光直写实验。刻写完成后，将样品依次在丙二醇甲醚醋酸酯和异丙醇中分别浸泡15 min，最后用干净的异丙醇冲洗，晾干。
[0036]
光刻胶实施例5准备20 ml洁净的棕色样品瓶，洗净、干燥；称量6 g 甲基丙烯酸(3,3,5-三甲基环己基)酯，加入样品瓶中，称量4 g 邻苯基苯酚聚氧乙烯醚丙烯酸酯，搅拌30 min、超声60 min，最后摇匀2~3 h，即可得到混合均匀的溶液。称量200 mg 米氏酮，加入上述混合溶液中，过夜搅拌，直至完成溶解。
[0037]
采用光刻胶实施例1的方法进行飞秒激光直写实验。刻写完成后，将样品依次在丙二醇甲醚醋酸酯和异丙醇中分别浸泡15 min，最后用干净的异丙醇冲洗，晾干。
[0038]
光刻胶实施例6准备20 ml洁净的棕色样品瓶，洗净、干燥；称量6 g 甲基丙烯酸(3,3,5-三甲基环己基)酯，加入样品瓶中，称量4 g 邻苯基苯酚聚氧乙烯醚丙烯酸酯，搅拌30 min、超声60 min，最后摇匀2~3 h，即可得到混合均匀的溶液。称量0.5g irgacure 369，加入上述混合溶液中，过夜搅拌，直至完成溶解。
[0039]
采用光刻胶实施例1的方法进行飞秒激光直写实验。刻写完成后，将样品依次在丙二醇甲醚醋酸酯和异丙醇中分别浸泡15 min，最后用干净的异丙醇冲洗，晾干。
[0040]
光刻胶实施例7准备20 ml洁净的棕色样品瓶，洗净、干燥；称量6 g 甲基丙烯酸(3,3,5-三甲基环己基)酯，加入样品瓶中，称量4 g 邻苯基苯酚聚氧乙烯醚丙烯酸酯，搅拌30 min、超声60 min，最后摇匀2~3 h，即可得到混合均匀的溶液。称量1g irgacure 369，加入上述混合溶液中，过夜搅拌，直至完成溶解。
[0041]
采用光刻胶实施例1的方法进行飞秒激光直写实验。刻写完成后，将样品依次在丙二醇甲醚醋酸酯和异丙醇中分别浸泡15 min，最后用干净的异丙醇冲洗，晾干。
[0042]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于双暗斑联合抑制的超分辨光刻方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：将两个抑制暗斑与激发光斑同时聚焦于光刻胶上，并且保持三个光斑的中心重合；s2：以激发光斑中心点为参照，将两个抑制暗斑的中心沿着与刻写方向垂直的方向进行移动，移动范围为0到抑制暗斑的半个波长，两个抑制暗斑中心与激发光斑中心的距离相等；s3：提升两个抑制暗斑的能量，使其叠加后强度分布的最大值与重叠时强度的最大值相等；s4：利用此三个光斑形成的刻写点进行激光直写，刻写过程中，当沿x方向进行刻写时，两个抑制暗斑沿y方向移动；当沿y方向进行刻写时，两个抑制暗斑沿x方向移动；s5：根据实际刻写的图形，结合以上刻写方式，实现超分辨光刻。2.根据权利要求1所述一种基于双暗斑联合抑制的超分辨光刻方法，其特征在于，所述抑制暗斑的波长范围为405 nm至780 nm，暗斑的强度分布为中心强度为0的圆环形光斑或者中心强度为0的“x”形光斑。3.根据权利要求1所述一种基于双暗斑联合抑制的超分辨光刻方法，其特征在于，所述激发光斑为波长范围为405 nm至780 nm的飞秒激光光束，强度分布为高斯分布。4.一种应用于权利要求1-3任一项所述的基于双暗斑联合抑制的超分辨光刻方法的光刻胶，其特征在于：包含单体和光引发剂。5.根据权利要求4所述的一种光刻胶，其特征在于：所述单体包括丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯或两者的混合物。6.根据权利要求5所述的一种光刻胶，其特征在于：所述光引发剂占单体总量的0.01%~10%。7.根据权利要求6所述的一种光刻胶，其特征在于：所述光引发剂占单体总量的0.1%~5%。8.根据权利要求7所述的一种光刻胶，其特征在于：所述光引发剂占单体总量的0.25%~2%。

技术总结
本发明公开了一种基于双暗斑联合抑制的超分辨光刻方法及光刻胶，该方法基于边缘光抑制纳米刻写技术，通过双抑制光斑的结合实现在保证最大抑制强度不变的前提下压缩暗斑抑制区域，一定程度解决由抑制光过强引起刻写线宽变粗的难题，实现等效刻写光斑的压缩，从而进一步缩小纳米刻写线宽。利用本发明的方法可以实现更高精度的纳米加工能力，可为微机械、微光学、微流控等领域提供更高精度的加工手段。微流控等领域提供更高精度的加工手段。微流控等领域提供更高精度的加工手段。


技术研发人员：匡翠方 邱毅伟 丁晨良
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2022.04.21
技术公布日：2022/5/25