激光器已被廣泛應(yīng)用于工業(yè),例如在高性價比的制造系統(tǒng)中用作可靠的能源,進行標記、鉆孔、淬火和表面處理。目前的工業(yè)發(fā)展要求將設(shè)備的形體尺寸降低達到亞微米甚至納米級。作為一種無掩膜和非接觸工藝,激光納米加工具有設(shè)置靈活以及能夠在空氣、真空或液體環(huán)境中操作的獨特優(yōu)點,因此成為更廣泛應(yīng)用的一種最具吸引力的加工或制造工具。
目前已經(jīng)開發(fā)一些新技術(shù)來加工功能性納米結(jié)構(gòu)。工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵問題是在大規(guī)模生產(chǎn)中如何在短時間內(nèi)產(chǎn)生大面積的納米結(jié)構(gòu)。本文介紹了潛在大規(guī)模生產(chǎn)的一些多功能激光納米加工方法,另外還簡要討論了滿足亞20 nm分辨率的激光納米加工進一步發(fā)展的前景。
微球體陣列輔助激光納米加工
激光納米加工的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是如何將空氣中的紫外線或可見激光光束聚焦到亞100nm,從而克服光學(xué)衍射限制。我們的研究顯示,自排列或大面積旋轉(zhuǎn)涂抹形成的透明微球體陣列能夠?qū)⑷肷浼す夤馐蛛x為成千上百萬的微小光束,還能用作透鏡,聚焦這些微小光束以開展表面納米制圖。如圖1(a)所示,局部光線密度大幅增強,并以平行模式加工樣品。這種技術(shù)采用通常的二維(2D)微球體陣列將入射激光光束聚焦到基板,因此,只需幾次激光輻射脈沖,即能夠采用單步表面制圖方法在基板上產(chǎn)生成千上百萬的亞微米孔洞。激光納米加工之后,采用傳統(tǒng)超聲波清潔可以清除微球體。靈活控制激光光束掃描外形,可以形成復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)設(shè)計,例如圖1(b)所示的星形陣列。
激光干涉光刻
激光干涉光刻(Laser Interference Lithography, LIL)是在短時間內(nèi)形成大面積周期納米結(jié)構(gòu)(例如納米點或納米線陣列)的一種功能強大的工具。只需暴露紫外線幾分鐘,然后采用光致抗蝕刻和化學(xué)蝕刻或者剝離工藝,即能夠在金屬薄膜上形成等離子體納米結(jié)構(gòu)。激光光束的相干長度是大面積(厘米級)兩次光束干涉的一個關(guān)鍵因素。一次激光輻照形成納米線性陣列,將樣品旋轉(zhuǎn)90°之后,另一次激光輻照用于形成納米點陣列。通過控制輻照時間和輻照方案,能夠形成各種納米結(jié)構(gòu),形狀范圍從矩形到三角形和橢圓形。通過化學(xué)腐蝕也可以將光致抗蝕刻層形成的2D納米結(jié)構(gòu)傳輸?shù)交澹孕纬?.5D納米結(jié)構(gòu)。圖2(a)顯示了嵌入硅基板內(nèi)部的金屬納米點陣列,圖2(b)顯示了LIL形成的納米柱陣列。
飛秒激光雙光子聚合納米光刻
上述激光納米加工技術(shù)用于在樣品表面形成2D大面積納米結(jié)構(gòu)。飛秒激光雙光子聚合(Two-photon-polymerization,2PP)納米光刻是形成任意大面積3D納米結(jié)構(gòu)的一種前景光明的方法。當飛秒激光光束聚焦于光敏材料上時,則通過雙光子非線性吸收來激活聚合過程。采用電腦控制飛秒激光光束掃描外形,以形成任意設(shè)計的3D結(jié)構(gòu)。激光掃描之后,沖洗掉未照射的光敏材料。由于工藝的光輻照閾值效應(yīng)和非線性光吸收性質(zhì),靈活控制激光脈沖能源和脈沖重復(fù)率以形成圖3所示的功能性3D納米結(jié)構(gòu),可以形成光學(xué)衍射限制(最低60 nm)之外的超分辨率。
激光微透鏡陣列光刻
由于受到樣品表面形成的微球體陣列尺寸的限制,微球體陣列技術(shù)輔助激光納米加工形成的納米結(jié)構(gòu)一般極小, 面積低于1 平方厘米。同時,在自排列或旋轉(zhuǎn)涂布形成微球體陣列期間產(chǎn)生缺陷。激光微透鏡陣列(MLA) 光刻處理更容易, 更適用于大規(guī)模生產(chǎn)工業(yè)應(yīng)用的納米結(jié)構(gòu)。MLA將入射激光光束分離為圖4(a)所示的成千上百萬微小激光光束,功能與分離和聚焦激光光束的微球體陣列相似。光致抗蝕刻涂抹的樣品安裝在一根7軸的納米臺上,并定位到MLA的聚焦平面。通過控制級的移動和打開/ 關(guān)閉激光脈沖, 能夠通過激光輻照在光致抗蝕刻層上形成任意圖案。圖4(b)顯示在石英基板上形成的通用IC設(shè)計陣列。激光MLA光刻具有以平行模式高速形成大面積任意納米結(jié)構(gòu)的獨特優(yōu)點。該方法也可以用于在各種基板表面形成功能性納米結(jié)構(gòu),例如撓性聚合物薄膜上的裂環(huán)諧振器(SRR)陣列,它能被卷起,作為3D超材料管道應(yīng)用于超敏感應(yīng)。
激光納米加工的發(fā)展前景
遠紫外線(EUV)納米光刻和激光冷卻是滿足亞20 nm納米加工業(yè)要求的兩種高度潛在的方式。雖然幾乎所有材料對EUV光的吸收性極強,但是,EUV光學(xué)設(shè)備和光掩膜十分昂貴且容易損壞。成功開發(fā)直寫的多光束無掩膜EUV納米光刻技術(shù),是克服這種技術(shù)挑戰(zhàn)的一種可行解決方案。另外,激光冷卻可以在原子通過時控制原子在基板表面的沉積,并通過激光光束干涉配置的駐波“聚焦”,以達到低至亞10 nm的形體尺寸。
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