双色双光子激光快速直写大规模特征尺寸<50nm纳米结构阵列关键技术研究

Laser micro/nano fabrication technology is one of the most efficient method to break the diffraction limitation and implementing the structures with nano level feature size. The laser micro/nano fabrication is with the merits of manufacturing with higher precision (100nm), much flexible fabricating method and more processing substances. .However, there still lays some difficulties for acquiring a smaller feature size (especially the dimension below 50nm), and fast manufacturing of large-scale covered nano arrays with good repeatability. The proposing of this project is based on the leading edge of laser nano fabrication technology. A novel method, which is called two-color & two-photon fast laser fabrication technology, is proposed to obtaining a higher fabrication precision (<50nm) and fast implementing the large-are, consistent nano arrays. At first, a large range laser array will be created by beam spatio temporal modulation technique. The fabrication based on two-photon lithography with laser array will be experimental explored preliminarily; the photon polymerization-inhibition mechanism is combined with two-photon absorption to compress lithographing pixel to nano level. Finally, by applying the fast scanning technology the large range covering nano array will be implemented.

激光微纳加工技术打破了远场光刻过程中光学衍射极限限制，较传统光刻技术能获得更微小的特征尺寸（<100nm），且加工方式灵活多样，加工对象更加广阔。.然而，常用激光微纳加工技术在实现更高加工精度，特别是加工特征尺寸小于50nm结构、同时实现其大面积、高重复阵列的快速制备方面仍有许多不足。本课题立足当前激光纳米加工的热点问题，针对当前激光纳米加工在实现更高精度（<50nm）纳米阵列制备的难点问题，提出了一套基于双色双光子激光新型快速加工方法，进行高精度纳米结构阵列的大面积、高重复性、快速制备研究工作。课题首先通过对激光光束时空特性调制研究，获得覆盖面大、图形一致、精度高的激光点阵。在激光点阵的基础上双光子吸收机制激光超衍射纳米加工工作；进一步开展利用材料光聚合-光聚合抑制机制、结合双光子吸收机理在光刻中获得纳米量级的像素点。最后，利用扫描技术，实现双色双光子激光光刻大范围纳米结构的快速制作。

基于激光的纳米加工技术，具有无掩模、非接触、精度高、三维立体制造等优点，是目前微纳制造领域最重要的技术之一。然而，在使用激光实现特征尺寸远小于激光波长的结构以及实现其大面积、高重复阵列的快速加工方面，激光加工技术仍然面临着许多挑战。.根据当前激光纳米加工的热点和难点问题，本项目开展了双色双光子激光加工方法和工艺研究，进行了纳米结构阵列的高精度、高重复性、快速加工研究工作。首先，开展了基于激光光束时间、空间调制，获得大面积、可控、具有亚微米结构的激光点阵研究，用于提高激光纳米结构的并行加工能力。随后，基于材料对激光的非线性吸收机制，结合实验开展了特征尺寸小于100nm的结构及阵列加工实验；进一步，研究了光敏材料对不同激光波段的光聚合-聚合抑制机理，提出了光敏材料双光子吸收机理结合双色激光加工方案，研究加工特征尺寸<50nm的纳米结构。最后，利用扫描技术，实现大范围纳米结构阵列的快速加工。.本项目通过光学设计、软件与硬件开发，构建了一套基于连续可见光波段的双色激光加工系统，具有成本低、结构紧凑的优点，能够实现特征尺寸小于50nm的纳米结构以及阵列的快速加工；获得了基于全保偏光纤的激光点阵生成大规模激光点阵的方法及相关专利；基于构建的连续可见光波双色加工系统，在正性光刻胶上制备出了特征尺寸为45nm的纳米柱结构以及其阵列，在负性光刻胶上制备出了直径为56nm的纳米孔结构以及其阵列，掌握了相应的加工纳米结构及阵列的光刻胶的加工工艺。.本项目提出和探讨了利用连续可见波段激光实现更高光刻分辨率的双色双光子激光加工技术，获得了特征尺寸远小于衍射极限尺寸的纳米柱以及纳米孔结构及其阵列，为实现更加经济、便捷的3D纳米结构激光加工技术起到了推进作用。