基于新型宽带相干光学技术的软X射线干涉光刻

In 3rd synchrotron radiation facilities, soft X-ray interference Lithography (XIL) is a unique technology to obtain nanometer-scale periodic patterns using two or several beams which diffracted from gratings. The pattern with about 70nm period has been achieved at XIL end-station at SSRF. In the cooperative study with other institutes and universities, it is found that the periodic templates with complex structure or designed defects are demanded in many fields of nanoscience. To fabricate such templetes, we will develop new achromatic hologram reconstruction schemes matched to broadband radiation from undulators. Also it is necessary to choose some suitable numerical hologram technology to produce diffraction masks. Such templates would be applied to many nanoscience fields, as high density magnetic RAM, photon/plasmon crystals, cell growth controlled by nanopatterns, and so on.

在第三代同步辐射装置上，软X射线干涉光刻（XIL）利用光栅衍射的两束或多束相干X光束的干涉条纹对光刻胶进行曝光，制作几十甚至十几个纳米周期结构的独特的先进纳米加工技术。在上海光源XIL线站已经可以快速制作出约70nm周期的纳米结构。在与其他科研院所的合作研究中，发现在纳米科学许多领域需要较为复杂的纳米周期结构，以及对纳米周期结构进行有目的的修饰等。本项目将以此为目标，发展适合波荡器宽带软X射线的消色差全息再现新技术用于现有干涉光刻技术，配合适用的数字全息技术制作衍射掩膜；并结合相关微纳加工技术，制作这样的纳米周期结构，这样的结构将在随机高密度磁存储、光子/等离子激元晶体、细胞受控生长等众多纳米科学领域发挥作用。

现有的同步辐射X射线干涉光刻(XIL)技术能够进行高密度纳米周期结构的制作。与电子束直写、激光直写以及其它基于探针扫描的微加工方法相比，XIL具有无污染、无损伤、无邻近效应、分辨率高、具有可实用化的产量等优势。在纳米科学各领域及EUV光刻胶检测等方面得到了广泛应用。.但现有XIL方法的一些缺点，限制了其应用范围的拓展。.通过本项目的实施，对XIL技术改进和发展，在以下几个方面取得了突破：.1..宽带多光栅软X射线干涉光刻大面积拼接技术；.通过在掩模光栅与样品间增加级选光阑（OSA），利用微量高次谐波，在样品后的CCD上在线观察OSA与掩模光栅的相对位置，实现精确对准，消除零级衍射光对曝光图形的影响，最终实现曝光图形的cm级大面积拼接。并在此基础上向无缝拼接发展。目前已经满足了XIL用户对大面积周期图形的大量需求。.2..软X射线深度干涉光刻技术.在软X射线能量范围内，通过改变入射光的光子能量，研究其对光刻胶曝光图形的影响，同时通过对掩膜光栅的优化来实现高深宽比图形的高效曝光。该方法的关键技术是用于不同能量段的光栅掩膜的新设计和新制备工艺的实现。和SLS相应技术比较，光栅耐用，可实用化。目前，该方法已对用户开放。.3..复杂周期图案制备技术.由于同步辐射束线光通量的限制，XIL必须使用波荡器宽带光才能有实用的短曝光时间。短曝光时间减少了由于震动、光不稳定等因素带来的影响，保证了曝光质量。但使用宽带光限制了衍射方案的种类，不能使用现有的各种单色光全息衍射成像技术。在考虑了各种方案后，最终决定利用宽带Talbot光刻的小占空比，大工作深度特点，采用精密控制的并行直写方式制备任意复杂周期图形。目前，包含激光干涉精密滑台的成套改装件已经运到；关键的多次欠剂量曝光技术已经通过原理实验检验。计划在2017上半年最终使复杂周期图案制备技术实用化。由于经费中需要留出相当部分作为配套材料的购买，所以结余较多。