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清華大學高端裝備界面科學與技術(shù)全國重點實驗室汪家道團隊在基于膠體自組裝的微納制造領(lǐng)域取得重要進展
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近日，清華大學高端裝備界面科學與技術(shù)全國重點實驗室在基于膠體自組裝的微納制造領(lǐng)域取得重要進展。相關(guān)成果以“微球光刻圖案形狀分析” （ Analysis of the pattern shapes obtained by micro/nano-spherical lens photolithography）為題發(fā)表在《朗繆爾》期刊上（Langmuir），并被選為刊內(nèi)封面文章。
研究背景
微球光刻技術(shù)（SLPL）是在傳統(tǒng)光刻的基礎(chǔ)上，使用自組裝微球膜代替掩膜，利用微球的光學效應(yīng)實現(xiàn)亞波長尺度特征的制備工藝。與傳統(tǒng)的掩膜光刻方法相比，憑借其低成本、高通量、易實現(xiàn)和高精度的優(yōu)勢獲得了越來越多的關(guān)注。然而，微球光刻技術(shù)主要用于產(chǎn)生簡單的圖案形狀，比如圓形陣列。盡管已有許多文獻報道單次曝光就可以形成復(fù)雜圖案，但是一直缺乏系統(tǒng)性的理論分析，尤其是對多種非圓形狀的可實現(xiàn)性的預(yù)測分析。同時，微球光刻技術(shù)的數(shù)值仿真存在條件繁多和分析困難的問題，難以直接從仿真結(jié)果中得到指導性的結(jié)論。
研究思路與結(jié)論
針對上述問題，課題組基于前期研究中提出的張力梯度誘導納米顆粒液氣界面快速大面積自組裝方法，以密排有序膠體顆粒自組裝結(jié)構(gòu)作為模板替代了復(fù)雜的傳統(tǒng)納米光刻方法成功地制備了環(huán)形和環(huán)中帶孔的圖案形狀，并應(yīng)用米氏散射理論系統(tǒng)地分析和總結(jié)了通過微球光刻技術(shù)可以獲得的各種圖案，該理論有利于利用相對直觀的解析解來計算、預(yù)測和優(yōu)化SLPL工藝的結(jié)果，并分析各種影響因素的物理規(guī)律。通過SLPL獲得的圖案形狀主要由兩個變量控制，即歸一化直徑(微球直徑與曝光波長之比)和歸一化折射率(微球折射率與介質(zhì)折射率之比)。以往文獻中得到的大多數(shù)非圓圖案都可以用該簡化模型直接預(yù)測。
平面光通過微球后，在與微球相切的切面上的光強分布可以主要分為三個區(qū)域，包括峰值區(qū)、中間低谷區(qū)和外層平臺區(qū)。其中，峰值區(qū)具有形成亞波長微結(jié)構(gòu)的能力，是最有可能實現(xiàn)納米級加工的部分。為了在該區(qū)域獲得多樣化的形狀，較低的歸一化折射率是最關(guān)鍵的因素。當歸一化直徑增大時，峰值區(qū)的峰數(shù)也增加。然而，過大的尺寸會導致理論和實驗之間的較大誤差，并為曝光參數(shù)的控制帶來困難，通常難以獲得多個同心圓結(jié)構(gòu)。
基于該理論的本課題組通過實驗獲得了單環(huán)和帶孔環(huán)結(jié)構(gòu)，擴大了SLPL技術(shù)的應(yīng)用范圍。利用Mie理論的簡化模型，對各種可能實現(xiàn)的圖案進行了較為全面的梳理和預(yù)測，進一步完善了SLPL技術(shù)的理論基礎(chǔ)。這些發(fā)現(xiàn)有助于促進SLPL在未來的科學研究和工業(yè)中的更廣泛應(yīng)用。
論文作者
清華大學高端裝備界面科學與技術(shù)全國重點實驗室2022級博士生余郭煦為論文第一作者，汪家道教授、馬原助理研究員為論文的共同通訊作者，博士后喻博聞，博士生李軒、張軒鶴、陳逸卿、梁真為等在該工作中做出貢獻，該工作得到國家自然科學基金面上項目等項目經(jīng)費支持。
轉(zhuǎn)載｜高端裝備界面科技全國重點實驗室
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