基于多级非线性响应特性的硫化物相变薄膜的自局域化纳米光刻研究

With the development of micro/nano-structure optoelectronic devices, the feature size of micro/nano-structures is required to reduce to below 100nm (even at 30-50nm). Maskless direct laser writing is extensively used at the micro/nano-fabrication, however, the feature size is only about 0.6μm due to the restrictation of optical diffraction limit. In this project, based on the multi-level nonlinear responses of chalcogenide thin films, the self-localized nanolithography is proposed. The feature size of lithographic patterns will be reduced to 30-50nm through the maskless laser writing system with a laser wavelength of 405nm, and writing spot size of about 0.6μm. The feature size of 30-50nm is only about 1/20 the writing spot size. The work provides an effective method for nanolithography in the fabrication of micro/nano-structure-based optoelectronic devices.

随着微纳结构光电子技术的发展，要求微纳结构光电子器件的特征尺寸降到100nm以下，甚至需要达到30-50nm。无掩模激光直写光刻在微电子掩模板和微纳结构光电子元器件制造中具有广泛的应用。然而，受到光学衍射极限制约，其光刻图形的特征尺寸一般只能达到约为0.6μm, 这就需要根据新的物理思想来突破无掩模激光直写光刻中的衍射极限，使其特征尺寸降到30-50nm。根据我们前期实验中发现的GeTe类硫化物沉积态薄膜在聚焦激光作用下发生多级非线性响应特性，本项目提出基于多级非线性响应特性的自局域化纳米光刻。采用波长为405nm的无掩模激光直写光刻系统（刻写光斑尺寸为0.6μm）, 直接在硫化物相变薄膜上实现特征尺寸为30-50nm的光刻图形, 从而为任意可控结构为基础的微纳光电子器件提供一种有效的制造加工新思路和手段。

随着微纳结构光电子技术的发展，要求微纳结构光电子器件的特征尺寸降到100nm以下，甚至需要达到30-50nm。无掩模激光直写光刻在微电子掩模板和微纳结构光电子元器件制造中具有广泛的应用。然而，受到光学衍射极限制约，其光刻图形的特征尺寸一般只能达到约为0.6um。这就需要根据新的物理思想来突破无掩模激光直写光刻中的衍射极限，使其特征尺寸降到30-50nm，从而为任意可控结构为基础的微纳光电子器件提供一种有效的制造加工新手段。.本项目从硫系相变材料的多级非线性响应特性和机制出发，提出了无掩模纳米光刻新方案。发展了具有强光热非线性的硫系相变材料。构建了时间分辨泵浦-探测测试系统，研究了硫系相变材料的相变动力学过程，系统分析了光热调控特性和机制。构建了蓝光激光直写光刻装置（波长405nm，数值孔径0.90-0.95），发展了配套的选择性刻蚀（显影）工艺，在刻写光斑尺寸约为0.60um的条件下实现了最小特征尺寸40nm的无掩模激光直写光刻。.在项目执行过程中，于Springer出版社出版英文专著1部，在重要学术期刊和国际学术会议上发表SCI、EI论文23篇（其中SCI收录21篇），申请中国发明专利15项，其中9项发明专利获得授权，培养博士、硕士研究生8名（含在读）。研究结果可为进一步发展具有自主知识产权的纳米光刻材料和技术奠定重要基础。