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聚焦之江实验室最新动态及媒体关注热点。

来源: 宣传文化中心  作者: 肖乐 赵新原  发布日期:2021-01-08
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创新进行时 | 另辟蹊径!之江交叉学科团队破题三维微纳“光刻”术

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一块手掌大小的透明器皿中心,一粒细如尘埃的斑点若隐若现,若不是仔细辨认,肉眼甚至难以看见。但当它被透镜高倍放大之后,其中隐藏的复杂结构便呈现出来。

这是之江实验室高通量纳米激光直写装置团队用光“雕刻”出来的微纳结构。目前,该团队正在之江实验室双聘教授、浙江大学光电科学与工程学院教授刘旭、匡翠方的带领下,致力于提升激光直写“雕刻”的精度和速度,让斑点中的“世界”更复杂精妙。

 

用激光进行“三维雕刻”

以光为刀,在特殊材料上“雕刻”出设计好的图形,是对光刻的简单理解,这个刻写过程需要的技术工艺则相当复杂。

从类别上来看,光刻包括投影式曝光光刻和直写式光刻。进行投影式曝光光刻,首先需要在硅片上均匀地涂一层光刻胶,特定的光波穿过掩膜版到达光刻胶膜面完成曝光。光刻胶经过曝光的部分溶解性将发生改变,利用特定显影液显影后,掩膜版上的图案就转移到硅片上,后续再经过刻蚀、离子注入、去胶等步骤,完成一次光刻过程。半导体芯片的加工主要采用的便是投影式曝光光刻。

在投影式曝光光刻中,有一个关键部件——掩膜版。光刻掩膜版是光刻工艺所使用的图形母版,是由不透明的遮光薄膜在透明基板上形成掩膜图形结构,承载着图形设计的关键信息,类似于传统相机的底片。一般掩膜版的尺寸是刻写结构精度的4倍,掩膜版的精度对光刻结果至关重要。

“掩膜版常用的加工设备就是直写式刻写设备,如激光直写光刻机、电子束刻写机等。”高通量纳米激光直写装置团队成员丁晨良博士介绍道。相较于电子束刻写,激光直写速度更快,且环境要求低、造价便宜,还可以实现任意三维结构的制备。

与投影式曝光光刻不同,激光直写光刻是利用强度可变的激光束对基片表面的抗蚀材料实施变剂量曝光,显影后在抗蚀层表面形成要求的浮雕轮廓。

如果说投影式曝光光刻是在光刻胶上进行“复印”,那么激光直写光刻就是一种微观打印,让三维图形从光刻胶内部‘生长’出来。

“通过直写式光刻,我们可以进行一些小规模智能感知芯片的制造,不需要做掩膜版,研发周期更快,自己设计验证,保密性、自主化程度更高。”丁晨良介绍说。

此外,在智能感知领域,直写式光刻还具有更大的优势。很多微纳结构无法通过曝光式光刻制造,而直写式光刻可实现任意三维结构制备的特点,能够适应复杂微纳结构的制造。

 

提升激光直写光刻的精度和速度

与电子束刻写相比,激光直写光刻在精度上存在明显劣势,现有技术难以实现百纳米以下精度的刻写。如果精度太低,就无法完成复杂精细结构的加工。

为提升激光直写光刻的精度和速度,之江实验室正在研制具有完全自主知识产权的高通量纳米激光直写装置。据项目负责人匡翠方教授介绍,该装置采用双光束激光直写、并行多通道快速光刻等技术,充分利用激光的易操纵性,能够将激光直写光刻的精度提升至20nm-50nm尺度,速度提升10倍以上。

由于受衍射极限限制,直写光束聚焦得到实心光斑无法做到亚50nm分辨率,高通量纳米激光直写装置团队采用了边缘光抑制(PPI)技术。“利用另一束聚焦得到空心光斑的光束与直写光束叠加,通过空心光斑的抑制作用,使得仅实心光中心很小一部分的光刻胶发生聚合,大大减小实心光斑的作用区域,从而提升分辨率。”团队成员朱大钊博士介绍道。与此同时,独立调控的并行光束还能大幅提升激光直写的速度。

“实心光是激发光,空心光是抑制光。我们的光刻胶中含有一种特殊的光引发剂,激发光照射到敏感的光引发剂分子上之后,分子会发生一系列化学反应,产生活性种,引发光刻胶中树脂的聚合或分解。而被抑制光照到的光刻胶不会发生上述化学反应。”团队成员曹春博士进一步解释道,“化学分子在普通环境中一般处于一种懒洋洋的状态,一旦被能量激发,就可以从基态转变为激发态,也就是一种比较活跃的状态。抑制光就是抑制化学分子从基态到激发态,从而阻碍光刻胶聚合或分解的过程。”

据曹春介绍,双光束激光直写对光刻胶材料性能的要求很高,“现有材料的引发效率不高,效率不高意味着激发光需要很高的能量,才会引发聚合。但是能量越高光刻的精度就会衰减。我们需要找到一种光刻胶材料对激发光的能量要求很低,同时抑制光还要对其产生很好的效果。”

激光直写技术在精度上的大幅提升,将有助于该技术的进一步推广运用,再结合速度上的提升,可以直接挑战投影式曝光光刻技术,将是国产光刻技术谋求突破的一条路径。

 

团队作战的自主研发之路

在黄色暗光实验室中长期站立调试光路是激光直写装置团队成员们的工作常态,对脑力和体力都是考验。

“一束光从出发到末端会经过非常多光学器件,光学系统非常灵敏,甚至我们拧一颗螺丝时微小的力度变化都会对实验结果产生非常大的影响,需要非常专注。”丁晨良说道。

在光刻这个极致精密的领域进行自主研发,需要科研人员有极致的耐心和经验,同时还要有深入“无人区”的勇气。

“寻找同时具备很好的引发和抑制效果的分子很难,没有先例可循。”曹春表示,光刻胶不是单一体系,也没有现有科研成果可用,只能自己不断摸索,经过理论推导,反复实验,总结规律,改进设计之后,找到效果稳定的光刻胶材料。

光刻是一项复杂多学科交叉技术,高通量纳米激光直写装置团队集结了来自光学工程、材料、机械工程、控制算法等不同背景的博士科研人员。不同研究方向的科研人员以项目组会形式开展前沿学术分享,在日常的学科交叉、思维碰撞中相互启发,深度创新。

在2020年举行的世界互联网大会“互联网之光”博览会上,之江实验室高通量纳米激光直写成像装置首次公开展出。接下来,团队将继续围绕装置刻写速度、精度、稳定性等方面开展科研攻关。

未来,基于高通量纳米激光直写装置在精度上与速度上的突破,花费几个小时甚至是几分钟就能完成原先需要几天时间设计制作的光刻掩膜版。如果将该装置直接用于芯片的研发,其从设计、制备到测试的时间也能够大幅缩短,研发效率将得到显著提升。此外,激光直写光刻三维加工能力的优势也将为智能感知领域贡献更多新型纳米感知器件,有力推动智能感知技术的发展。


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