Feature Article | 基于单色边缘抑制的快速超分辨直写光刻技术

研究背景

      微纳制造在生物医学、半导体等行业应用中都至关重要。在微纳制造技术中，激光直写无需掩膜可直接加工三维结构，可达到百纳米级的分辨率，目前已经被广泛地应用。尽管激光直写在某些领域取得了突破性的进步，但近年来不断增长的应用需求与刻写技术能力之间的差距越来越大。其中，阿贝衍射极限是光刻分辨率的固有光学极限。边缘抑制效应（Peripheral Photoinhibition，PPI）直写光刻利用可见光波段突破衍射极限，自2009年被提出后就受到了极大的关注，有望在纳米制造技术应用上发挥巨大潜力。PPI直写光刻技术需要用到两束光：激发光和边缘抑制光。利用激发光实现双光子聚合，而边缘抑制光被调制为环形光斑用来抑制焦点边缘区域聚合，从而提高直写分辨率。然而，在传统的多色PPI直写光刻技术中，激发与抑制通常采用两束不同波长的光，就会导致色差问题，具体体现为物镜的边缘视场难以实现两束光斑中心的对准，这使得该技术难以实现大视场快速扫描的超分辨刻写，这一定程度上限制了其应用潜力。

论文导读

      近来，浙江大学刘旭教授和匡翠方教授团队研究人员提出了基于单色边缘抑制的快速超分辨直写光刻技术，以提高激光直写的分辨率，同时可以避免传统多色边缘抑制直写光刻的色差问题。此外，研究人员将这项光刻技术应用到二维超表面和三维光子晶体的制造上，展现了该技术在微纳光子器件制造的巨大潜力。相关工作以“Single?color peripheral photoinhibition lithography of nanophotonic structures”为题于2022年10月25日发表在PhotoniX上。

技术突破

      研究人员创新性地提出一种使用单色边缘抑制（Single?color Peripheral Photoinhibition，SC-PPI）直写光刻的技术，以提高激光直写的分辨率，同时可以避免传统多色PPI直写光刻的色差问题，为微纳光子器件制造提供了一个强大的工具。这项技术的激发光和抑制光都采用532 nm波长，但二者不同之处在于激发光使用飞秒激光而抑制光采用连续激光。532 nm的飞秒激光实现光刻胶的双光子吸收激发聚合，而532 nm的连续激光实现单光子吸收抑制聚合。其中抑制光经过空间光调制器（SLM）调制成空心暗斑，主要抑制激发光焦点外围区域的聚合，从而提高直写的分辨率。在研究中，可实现最小线宽36 nm和最小分辨率140 nm的超分辨刻写。这项技术利用单色波长很好地避免色差影响，可以使用快速的扫描策略如振镜扫描。相比目前已报道的边缘抑制直写光刻技术，刻写速度提高了至少 10 倍。

      此外，研究人员利用其快速高分辨率刻写的特点，将这项刻写技术应用在自旋解耦超表面结构刻写上。周期350 nm的超表面结构可以在几分钟内刻写完成，并且达到与仿真相吻合的性能。最后，利用该技术刻写加工了一种亚波长尺度的三维光子晶体，该晶体可产生近紫外的结构色，展现了该技术的三维超分辨刻写能力。

主要作者

      何敏菲，浙江大学光电科学与工程学院博士研究生，研究方向为超分辨激光直写及其应用研究。

      匡翠方，浙江大学教授，博士生导师。现为美国光学协会（OSA）会员，Optics Express、Optics Letters等杂志的审稿人。主持基金委重大仪器专项基金、杰出青年基金，浙江省之江实验室重大装置项目。以第一/通讯作者发表SCI文章论文140多篇。参加OSA、SPIE等国际/国内会议邀请报告约20次，以第一发明人申请发明专利90多项，已授权50多项。获得2019年国家科学技术发明奖二等奖；2019年度王大珩光学奖-中青年科技人员光学奖，2018年首届中国光学科技奖评选应用成果类一等奖。

       刘旭，教授，现代光学仪器国家重点实验室主任，教育部长江特聘教授，国家973项目首席科学家，中国光学学会（COS）美国光学学会（OSA）、国际光学学会（SPIE）会士。1984年毕业于浙江大学光仪系，1990年获法国马赛ENSPM科学博士学位。1990年起在浙江大学光电系从事教学、科研工作。主持了973、863、国家自然科学基金，取得了一批研究成果，在国内外学术刊物与学术会议上共发表学术论文300余篇，获发明专利80余项，曾获国家技术发明二等奖和国家科学技术进步二等奖各一项。刘旭教授是中国青年科技奖、国家教学名师奖获得者，2019年9月被授予“全国模范教师”称号。

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• PhotoniX 现已被SCIE、SCOPUS、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等多个数据库收录，并入选《2021年中国科学院文献情报中心期刊分区》。2022年6月获得首个影响因子：19.818，位列Q1区。

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