浙江大学 | 可制造精细3D结构的新型双通道激光直写光刻装置

激光直写（DLW）光刻是一项具有空间三维加工能力的微纳加工技术，在微纳集成器件制造中发挥着重要作用。然而目前市面上流行的DLW装置广泛采用单焦点刻写，效率较低。此外，最小特征尺寸受限于光的衍射极限，无法突破至亚百纳米。

为了解决这些问题，之江实验室、浙江大学刘旭教授和匡翠方教授研究团队开发了一种基于双光子聚合效应的双通道并行激光直写光刻（P3L）系统，该系统突破了光学衍射极限，提高了激光直写“打印”的精度和速度，各项性能均优于当前流行的单焦点系统。

研究成果以“Direct laser writing breaking diffraction barrier based on two-focus parallel peripheral-photoinhibition lithography”为题发表在Advanced Photonics 第4卷第6期。

工作原理

边缘光抑制激光直写技术（PPI-DLW）中有两束激光，一束是用于实现光刻胶聚合的激发光，另一束是用于抑制聚合的抑制光。两束激光在空间上精准叠加，由于抑制光聚焦后产生环形焦斑，抑制了激发光产生聚合效应的区域，进而实现了突破衍射极限的纳米特征尺寸。

系统将光束的两个偏振分量独立调控，形成两个通道，并通过空间光调制器（SLM）调控聚焦光斑的位置和形态。如图1所示，该系统包括编号为1-8的八个模块，其中模块1和2用于控制光束指向的稳定性，模块3和4使用偏振分束器（PBS）将光束（激发/抑制光束）“一分为二”，模块5和6使用空间光调制器执行相位调制，模块7和8实现激发光和抑制光的合束。

图1 P3L系统原理图和形成的焦斑

系统方案

系统中采用声光调制器对两个通道的通断进行兆赫量级的独立控制，两个通道间可以同时执行不同的打印任务，验证了并行DLW光刻技术打印非周期图案和结构的可能性，增加了DLW的灵活性。虽然，通过空间光调制器亦可实现焦斑的独立调控，但其调控速度受限于空间光调制器的刷新频率（空间光调制器的典型帧速率仅为60 Hz，最高为1 kHz，仍远低于声光调制器频率）。如果要打印的图案非常复杂且具有非周期性，光束开关频率达到兆赫量级，使用SLM生成多个焦点并独立调控的方法无法满足要求。这一问题通常的解决办法是降低扫描速度以降低开关频率，然而，光刻效率也会因此严重降低。

打印结果

采用DLW打印比特点结构在大数据光存储方面具有极大的应用潜力。图2 展示了双通道系统在打印比特点图案上的能力，其中，（a）图是打印结果的扫描电子显微镜(SEM)图，（b）、（c）图分别是（a）中黄色和蓝色方框的放大图，比特点的水平和垂直间距为200 nm，比例尺为1μm。(a)图中的上半部分采用PPI打印，点结构间隙清晰可辨；相比之下，采用传统双光子打印的下半部分，点结构十分模糊。正常的单光束路径系统中，这两行必须单独打印；而在双通道系统中，两个图案可同时打印，可见该方法的效率是普通单光路系统的两倍。

图2 位点图形打印结果

为了测试实际3D纳米结构的并行打印效果，研究人员还打印了一个超材料结构立方体。打印结果如图3所示，（a）图是2×2×2晶胞的SEM图像。（b）图是（a）的俯视图，（c）图是（a）中的黄色方框的放大图。（d）图是3×3×3晶胞的SEM图像，（e）图是（d）的俯视图。（f）图是（d）黄色框的放大图。在（b）和（c）中，与浅蓝色条纹对应的部分由通道1打印，与深红色条纹对应部分由通道2打印，图中比例尺为50 μm。

图3 超材料立方体打印结果

总结与展望

研究人员提出的双通道激光直写光刻可以提供50nm的特征尺寸，使得该系统能够实现各种精细3D结构的DLW光学制造，例如闪耀光栅、微透镜阵列、微流体结构和超表面的纳米级光学元件。该系统充分利用了激光的偏振分量实现了双通道并行打印，其效率是传统DLW的两倍。此外，双通道可以分别执行不同的光刻任务，能广泛应用于制造非周期性结构和高度复杂结构。这进一步扩展了DLW光学制造的潜在应用范围，使该装置有望成为可支持众多领域发展的实用支撑设备。

l 论文信息

Dazhao Zhu, Liang Xu, Chenliang Ding, Zhenyao Yang, Yiwei Qiu, Chun Cao, Hongyang He, Jiawei Chen, Mengbo Tang, Lanxin Zhan, Xiaoyi Zhang, Qiuyuan Sun, Chengpeng Ma, Zhen Wei, Wenjie Liu, Xiang Fu, Cuifang Kuang, Haifeng Li, Xu Liu. Direct laser writing breaking diffraction barrier based on two-focus parallel peripheral-photoinhibition lithography[J]. Advanced Photonics, 2022, 4(6): 066002

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