LICHUNJIANG

　　　　OFweek激光网讯：微细加工通常是通过光和光刻胶(一种光敏材料)的相互作用实现的。在此过程中，光被掩模局域成所需的图案，并投影到光刻胶上。然后，整个光刻胶样品被淹没在显影剂中，溶解了曝光的光刻、使未曝光的光刻胶完整无缺。因而，掩模图案可以在衬底上成像。这一步被称为光学光刻在微细加工过程中至关重要。它实现了金属和半导体材料的选择性沉积和蚀刻，是光电子和微电子行业的基石。目前正在走的发展线路是改进光刻技术，以生产越来越小的几何形状，从而满足在日常电子设备对越来越小器件的需求(例如：手机、笔记本电脑和其他无线设备)。半导体制造商已经通过在光学光刻系统中奖特征尺寸减少到最小来满足这一需求，但是这会导致生产和拥有成本的增加(见图1)。虽然电子束和聚焦离子束光刻学术环境下用于连续制造亚微米量级的特征尺寸，但是这两种方法是耗时、昂贵并且不适合用于大面积制造。
　　
　　图1 常规光刻技术比较。显示的技术包括氪KrF、ArF、ArF浸入(ArFi)，EUV，压印，电子束光刻，以及纳米球光刻(NSP)。从纳米球光刻伸出的箭头表示在工业级产量和较短光波长分辨率上有潜力。DVD：数字化视频光盘。
　　在最近的工作中，纳米球光刻(nanosphere photolithography，简称NSP)已经在研究环境中作为一种克服电子束和离子束光刻的缺点的技术被引入。此外，NSP为工业级的光子应用提供了一种成本有效益的选项。在NSP中，使用了一种低成本、具有异常光学性质的微球。对微球产生"光子喷流"进行数值模的研究首次在2005年报道。(铅笔般的聚光区域比其周围区域聚光明显强烈)。为了确定这些光子射流的突出性质，此后很多理论工作一直在进行。例如，已经表明：当最大强度或焦点被定位在微球表面附近时，就会产生一个小于二分之一入射光波长的束腰。当微球被放置在光刻胶并被照明时，光子喷流会立即微球下方曝光一小片光刻胶。通过倾斜入射光的入射角，一个球就能产生多个独立的曝光区域。微球的总曝光图形被称为一个单元。当微球以紧密堆积的形式被施在整个光刻胶区域时，相同的单元就通过每一个微球光学光刻式地产生了。因此，这些特性被用在NSP来获得亚微米特征尺寸。
　　
　　图2：周期阵列单元的电子显微镜图像。每个单元由不同尺寸的纳米柱组成，最小尺寸大约55纳米(见插图)。该图形由NSP一次曝光产生。
　　在我们的工作，我们已经通过在光刻胶上产生周期性单元用NSP演示验证了图形的形成。每一个单元都包含纳米柱或纳米孔(取决于光刻胶的的极性)，可对称或不对称地分布见图2)。用纳米柱，我们能获得小于100nm的特征宽度。因此，我们的工作表明，NSP在短波长具有产生亚100纳米特征尺寸的潜力。
　　
　　图3 NSP产生的三个器件的吸收光谱：(a)一种圆形人工结构原子、(b)一种全环人工结构原子和(c)一个新月形(开口环)人工该结构原子。三个不同入射角(AOI)实验得出的傅里叶变换红外光谱(exprt)和模拟有限元时域(FDTD)光谱。
　　NSP的高产量和低成本使它成为于低盈利能源应用领域的理想技术(例如，太阳能电池和LED灯泡的制造)。加工在器件表面的周期阵列纳米结构可以增加能源收集和能量转化器件的效率。企业竞相生产带有周期性纳米结构的高效产品，斗争的焦点是以合理的制造成本实现。因此，许多研究团队现在开始使用NSP加工工艺制造若干类型的器件是不足为奇的了。例如，NSP已被用来生成磷自由白光发光二极管、增强太阳能电池功率的碲化镉纳米柱以及用来激发暗等离子体模式的金属-绝缘体盘。
　　我们最近使用NSP生产完美的红外波段吸波器和发射器。我们制造的器件有圆形人工结构原子、全环人工结构元原子和新月(开口环)人工结构原子。我们进行傅里叶变换红外光谱实验(以10、20和30的入射角)对这些装置和测定它们的吸收光谱。我们的COM相比这些实验结果与相应的模拟无限差分时域光谱。图3所示的结果表明捕获和发射热辐射可能对未来产生深远的影响能量收集系统。
　　根据Shockley-Queisser限制，单结光伏电池具有41%的最大效率。太阳能热光伏首先将太阳的能量转化成热。然后，该光伏电池由热辐射发电。有了我们基于NSP的完美吸波器，就可以使太阳能热光伏电池选择性地吸收太阳光并且发出热辐射，从而获得更高i效率。另外，由于NSP比电子束光刻更便宜(见图1)，所以它也是进一步研究探索纳米结构及其对完美器的影响的理想选择。
　　总之，我们通过使用该技术在光刻胶上产生周期性单元，研制验证了纳米球光刻可用于图形形成目的。在我们的工作中，我们已经能够实现小于100nm的特征尺寸。我们也使用NSP技术在红外波段产生完美吸收器和发射器器件。因而，NSP有潜力形成光子学和纳米技术的基础研究。该新型制造技术也可以用于降低未来看重成本的应用领域器件的制造成本应用，如能量收集和生物传感。在我们正在进行的工作中，我们正在使用新方法，来进一步降低特征尺寸，同时增加NSP的曝光视场，我们正在将曝光波长向深紫外区域推进。此外，最近的研究表明，通过增强曲面的表面模式，光子喷流可以通过不同的而且简单的几何形状产生。这些新设计可以使每个单元的均匀性更好、曝光视场更大。我们正在寻求能产生3D纳米结构的NSP方法。所有这些互补式发展都在为继续推进以合理成本获得多样特征尺寸提供高度并行的加工工艺。