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Light Adv. Manuf. | UV-LED显微投影光刻

导 读

光学制造技术对于生产光学和光子器件必不可少。过去几十年，随着光学器件小型化和集成化需求的不断增长，用以加工微纳光学光子器件的光学制造技术也得到了广泛的发展。
在实验室规模上，目前可通过比如双光子光刻、电子束光刻或离子束光刻等技术来制备高精度微纳米元件，但相应的加工系统通常非常昂贵且加工效率不够高。
纳米压印技术能够以高产量实现高分辨率的结构。然而，这项技术需要高精度的母版，这导致额外的成本和时间投入。
光学接触光刻和投影光刻技术也被开发用于微纳米光学结构的制备，但这些方法目前只能实现微米级的分辨率，更高精度的光学加工依然面临挑战。
为了实现低成本的高精度光学加工，德国汉诺威大学的郑蕾博士所在研究团队提出了一种以UV-LED为光源，通过标准光学元件和显微物镜将图案转移到基板上的投影光刻方法——UV-LED显微镜投影光刻（MPP），并基于此开发了一套简单、低成本、易操作的 MPP装置（如图1a所示），实现快速且高分辨率的2D微纳光学器件加工。
Light Adv. Manuf. | UV-LED显微投影光刻图1：MPP装置示意图（a）和完整的加工工序图（b）

相关成果以“Feature size below 100 nm realized by UV-LED-based microscope projection photolithography“为题发表在Light: Advanced Manufacturing。汉诺威大学的郑蕾博士为该论文第一作者兼通讯作者。

为了能够更方便地制备加工所需的模板，研究人员也开发了一套涵盖了从结构设计及打印，铬掩模版制备到MPP加工光学器件的完整工序（示意图如图1b所示）。

  • 第一步是通过软件绘制出所需结构，并将其打印至透明薄片上；

  • 第二步是将透明薄片上的图案转移至空白的铬掩模板上（图案缩小10倍）；

  • 第三步是将制备好的铬掩模版放入到MPP装置中进行微纳加工，通过投影光刻将掩模版上的图案缩小一定倍数（由显微物镜倍数决定）转移到旋涂了光敏聚合物的基底上。
本文对比了喷墨打印机和光绘图仪在第一步中将图案打印至透明薄片上的性能表现，依此对打印工序进行了优化。在制备铬掩模版时，研究人员对比了分别用普通非球面透镜和Tessar镜头将透明薄片上结构图案转移至空白铬掩模版后的精度和质量，并对这个工序的光学系统进行优化。利用制备好的掩模版，研究人员可利用MPP 加工最终的光学结构。
为了探索该方法的高精度加工性能，研究人员加工了不同特征尺寸的单线结构，并实现了低于100纳米的特征尺寸。

Light Adv. Manuf. | UV-LED显微投影光刻

图2：MPP加工不同特征尺寸的单线结构

同时，研究人员也采用了不同价位/厂商，不同NA值的物镜来加工光栅结构，以验证该方法在高精度微纳加工中的稳定性和可靠性。

Light Adv. Manuf. | UV-LED显微投影光刻

图3：不同厂商，不同NA值的显微物镜加工光栅结构

论文信息

Lei Zheng, Tobias Birr, Urs Zywietz, Carsten Reinhardt, Bernhard Roth. Feature size below 100 nm realized by UV-LED-based microscope projection photolithography[J]. Light: Advanced Manufacturing 4, 33(2023). doi: 10.37188/lam.2023.033

https://doi.org/10.37188/lam.2023.033

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