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“微蓮花,微祝?!眧 無(wú)掩膜激光直寫(xiě)光刻儀3D灰度曝光應(yīng)用

來(lái)源:QUANTUM量子科學(xué)儀器貿(mào)易(北京)有限公司   2020年07月07日 11:56  

    近年來(lái),實(shí)現(xiàn)微納尺度下的3D灰度結(jié)構(gòu)在包括微機(jī)電(MEMS)、微納光學(xué)及微流控研究域內(nèi)備受關(guān)注,良好的線性側(cè)壁灰度結(jié)構(gòu)可以很大程度上提高維納器件的靜電力學(xué)性,信號(hào)通訊性能及微流通道的混合效率等。相比些獲取灰度結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)手段,如超快激光刻蝕工藝、電化學(xué)腐蝕或反應(yīng)離子刻蝕等,灰度直寫(xiě)圖形曝光結(jié)合干法刻蝕可以更加方便地制作任意圖形的3D微納結(jié)構(gòu)。該方法中,用微鏡矩陣(DMD)開(kāi)合控制的激光灰度直寫(xiě)曝光表現(xiàn)出更大的操作便捷性、易于設(shè)計(jì)等點(diǎn),不需要定的灰度色調(diào)掩膜版,結(jié)合軟件的圖形化設(shè)計(jì)可以直觀地獲得灰度結(jié)構(gòu)[1]。

    由英國(guó)科學(xué)院院士,劍橋大學(xué)Russell Cowburn教授主導(dǎo)設(shè)計(jì)研制的小型無(wú)掩膜激光直寫(xiě)光刻儀(MicroWriter, Durham Magneto Optics),是種用圖形化DMD微鏡矩陣控制的直寫(xiě)曝光光刻設(shè)備。該設(shè)備可以在無(wú)需曝光掩膜版的條件下,根據(jù)用戶研究需要,直接在光刻膠樣品表面上照射得到含有3D灰度信息的曝光圖案,為微流控、MEMS、半導(dǎo)體、自旋電子學(xué)等研究域提供方便高效的微加工方案。此外,它還具備結(jié)構(gòu)緊湊(70cm × 70cm X×70cm)、高直寫(xiě)速度,高分辨率(XY ~ 0.6 um)的點(diǎn)。采用集成化設(shè)計(jì),全自動(dòng)控制,可靠性高,操作簡(jiǎn)便。目前在國(guó)內(nèi)擁有包括清華大學(xué)、北京大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、南京大學(xué)等100余家應(yīng)用單位,受到廣泛的認(rèn)可和好評(píng)。

    結(jié)合MicroWriter的直寫(xiě)曝光原理,通過(guò)軟件后臺(tái)控制DMD微鏡矩陣的開(kāi)合時(shí)間,或結(jié)合樣品表面的曝光深度,進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)0 - 255階像素3D灰度直寫(xiě)。為上述相關(guān)研究域內(nèi)的3D線性灰度結(jié)構(gòu)應(yīng)用提供了便捷有效的實(shí)驗(yàn)方案。

 

圖1 用MicroWriter在光刻膠樣品表面上實(shí)現(xiàn)的3D灰度直寫(xiě)曝光結(jié)果,其中左上、左下為灰度設(shè)計(jì)原圖,右上、右下為對(duì)應(yīng)灰度曝光結(jié)果,右上蓮花圖案實(shí)際曝光面積為380 × 380 um,右下山水畫(huà)圖案實(shí)際曝光面積為500 × 500 um

 

圖2 用MicroWriter實(shí)現(xiàn)的3D灰度微透鏡矩陣曝光結(jié)果,其中SEM形貌可見(jiàn)其異的平滑側(cè)壁結(jié)構(gòu)

       廈門(mén)大學(xué)薩本棟微納米研究院的呂苗研究組用MicroWriter的灰度直寫(xiě)技術(shù)在硅基表面實(shí)現(xiàn)系列高質(zhì)量的3D灰度圖形轉(zhuǎn)移[2],研究人員通過(guò)調(diào)整激光直寫(xiě)聚焦深度以及化離子刻蝕工藝,獲得具有良好側(cè)壁平滑征的任意3D灰度結(jié)構(gòu),其側(cè)壁的表面粗糙度低于3 nm,相較此前報(bào)道的其他方式所獲得的3D灰度結(jié)構(gòu),表面平滑性表現(xiàn)出顯著的勢(shì)。MicroWriter的灰度曝光應(yīng)用為包括MEMS,微納光學(xué)及微流控等域的研究提供了質(zhì)且便捷的解決方案。

 

圖3 用MicroWriter激光直寫(xiě)在硅基表面實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移過(guò)程示意圖

 

圖4 用MicroWriter激光直寫(xiě)曝光在硅基表面轉(zhuǎn)移所得的3D灰度結(jié)構(gòu)的實(shí)際測(cè)量結(jié)果與理論設(shè)計(jì)比較,其中圖a中紅色散點(diǎn)表示實(shí)際圖形結(jié)構(gòu)的縱向高度,黑色曲線為圖案設(shè)計(jì)結(jié)果;圖b中左為設(shè)計(jì)圖形的理論各點(diǎn)高度,右為實(shí)際轉(zhuǎn)移結(jié)果的SEM形貌結(jié)果,其中標(biāo)準(zhǔn)各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的實(shí)際高度。綜上可以看出其表現(xiàn)出異的致性

 

圖5 用AFM對(duì)拋物面硅基轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)的精確測(cè)量與分析,可以看到起側(cè)壁的表面平滑度可以小至3 nm以下,表現(xiàn)出異的側(cè)壁平滑性

    用MicroWriter激光直寫(xiě)曝光技術(shù),不僅可以直接制備任意形狀的硅基微納灰度結(jié)構(gòu),而且可以將制備的3D結(jié)構(gòu)作為模具、電鍍模板或犧牲層來(lái)應(yīng)用在其他材料上,如聚合物、金屬或玻璃等。這種直觀化的激光直寫(xiě)技術(shù)在諸多維納器件研究域中表現(xiàn)出顯著的應(yīng)用勢(shì)和開(kāi)發(fā)前景。

參考文獻(xiàn):

[1] Hybrid 2D-3D optical devices for integrated optics by direct laser writing. Light Sci. Appl. 3, e175 (2014)

[2] Fabrication of three-dimensional silicon structure with smooth curved surfaces. J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 15(3), 034503

相關(guān)參考:

英國(guó)科學(xué)院院士、劍橋大學(xué)教授Russell Cowburn介紹:https://www.phy.cam.ac.uk/directory/cowburnr

 

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