微球光刻（SLPL）技术是在传统光刻的基础上，使用自组装微球膜代替掩膜，利用微球的光学效应实现亚波长尺度特征的制备工艺。与传统的掩膜光刻方法相比，它具有成本效益高和易于实现等优点，并凭借低成本、高通量、易实现和高精度的优势获得越来越多的关注。然而，微球光刻技术主要用于产生简单的图案形状，比如圆形阵列。尽管已有许多文献报道单次曝光就可以形成复杂图案，但是一直长期缺乏系统性的理论分析，尤其是对可以实现的多种非圆形状的可实现性的预测分析。同时，微球光刻技术的数值仿真存在条件繁多和分析困难的问题，难以直接从仿真结果中得到指导性的结论。
图1.通过单独调整曝光强度以实现不同图案的制备
针对上述问题，课题组基于前期研究中组内提出的张力梯度诱导纳米颗粒液气界面快速大面积自组装方法，以密排有序胶体颗粒自组装结构作为模板替代了精密复杂的传统纳米光刻方法成功制备了环形和环中带孔的非圆形图案形状，并应用米氏散射理论（Mie Theory）系统地分析和总结了通过微球光刻技术过程可以获得的各种图案，该理论有利于利用相对直观的解析解来计算、预测和优化微球光刻工艺过程的结果，并分析各种影响因素的物理规律。通过微球光刻获得的图案形状主要由两个变量控制，即归一化直径（微球直径与曝光波长之比）和归一化折射率（微球折射率与介质折射率之比）。以往文献中得到的大多数非圆图案都可以用该简化模型直接预测。
平面光通过微球后，在与微球相切的切面上的光强分布可以主要分为三个区域，包括峰值区、中间低谷区和外层平台区。其中，峰值区域具有形成亚波长微结构的能力，是最有可能实现纳米级加工的部分最值得关注的部分。为了在该区域获得多样化的形状，较低的归一化折射率是最关键的因素。当归一化直径增大时，中心峰值区的峰数也增加。然而，过大的尺寸会导致理论和实验之间的较大误差，并为曝光参数的控制带来困难，通常难以获得多个同心圆结构。
图2.部分仿真与实验结果
基于该理论，课题组通过实验获得了单环和带孔环结构，扩大了微球光刻技术的应用范围。利用米氏散射理论的简化模型，对各种可能实现的模式图案进行了较为全面的梳理和预测，进一步完善了微球光刻技术的理论基础。这些发现有助于促进微球光刻在未来的科学研究和工业中的更广泛应用。
相关成果以“微球光刻图案形状分析”（Analysis of the pattern shapes obtained by micro/nano-spherical lens photolithography）为题发表在《朗缪尔》（Langmuir）期刊上，并被选为刊内封面文章。
图3.本论文登上的《朗缪尔》(《Langmuir》）刊内封面
清华大学机械系2022级博士生余郭煦为论文第一作者，机械系汪家道教授、马原助理研究员为论文的共同通讯作者，机械系副研究员翁鼎、助理研究员陈磊、博士后喻博闻，2021级博士生陈逸卿、梁真为，2020级博士生张轩鹤等在该研究中作出贡献。研究得到国家自然科学基金面上项目等的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.3c01643
供稿：机械系
编辑：李华山
审核：郭玲
2023年10月18日 14:20:26
