Nature Nanotechnology： 增材制造超高打印速度光刻剂

一、【导读】

增材制造技术因其可制备任意复杂结构而被广泛应用于微机械、光子、柔性器件、储能器件、化学反应器皿和组织工程等领域。在微/纳米结构制造中，出现了许多先进的增材制造方法，包括双光子光刻技术、纳米压印光刻（TPL）、扫描探针光刻等。在这些方法中，基于激光直接打印的TPL因其相当高的分辨率（250 nm尺度）而被认为是最有前途的方法之一。然而，TPL的制造吞吐量有限，到目前为止，TPL成为一种打印速度慢且运营成本昂贵的实验室工具。TPL常见的打印速度较慢，通常为微米或毫米每秒级别，体积打印速率通常低于0.1 mm³  h^–1。

在光刻领域，光刻胶在新光刻技术的发展中始终扮演着规则改变者的角色。例如，化学增强抗蚀剂显著增强灵敏度克服了深紫外光源亮度不足的问题。最近，光刻领域再次面临13.5 nm波长（极紫外线）的光源功率限制。在近20年的高敏感材料探索中，金属氧化物基光刻胶的出现，为极紫外光源和反射镜不协调挑战带来了解决方案。典型代表：氧化锆（ZrO₂）混合光刻胶，其灵敏度几乎比聚合物基光刻胶高两个数量级，并且一直保持着极紫外光刻领域的最高灵敏度记录。ZrO₂杂化光刻胶无需与聚合物复合即可具有优异的成膜能力。此外，ZrO₂杂化光刻胶具有极小的元件尺寸，这是高分辨率光刻胶的重要指标。

二、【成果掠影】

纳米级精确增材制造技术目前依赖于双光子光刻，尽管这种方法可以实现纳米级结构，但对于大规模的实际应用来说，它的运行速度仍然太慢。为此，浙江大学匡翠方教授、清华大学何向明教授和徐宏教授等展示了一种极其灵敏的光刻胶系统，可以达到印刷速度7.77 m s^-1，比传统的聚合物光刻胶快三到五个数量级。构建了一种基于多边形激光扫描仪的双光子光刻机，其线性速度接近10 m s^-1。使用ZrO₂-BTMST光刻胶，在约33分钟内制造了面积为1 cm²的方形光栅。此外，ZrO₂ -BTMST光刻胶的化学成分极少，可实现高精度图案化，线宽小至38 nm。计算表明，这种不寻常的灵敏度源于ZrO₂杂化物的有效光诱导极性变化。有机-无机混合光刻胶的卓越灵敏度可能会带来可行的大规模增材制造纳米加工技术。

浙江大学匡翠方教授、清华大学何向明教授和徐宏教授等将此工作以“Ultrahigh-printing-speed photoresists for additive manufacturing”为题发表在顶刊《Nature Nanotechnology》上。

三、【核心创新点】

• 一种用于高速TPL制造的极其灵敏ZrO₂-BTMST光刻胶。
• 构建基于多边形激光扫描仪的TPL，实现77 m s^–1线性打印速度，获得了LW为38 nm的打印图案。
• 利用高速打印技术在约33分钟内制作面积为1 cm ²的大尺寸方形光栅，优异打印速度将极大地促进TPL技术在微纳增材制造领域的实际大规模应用。

四、【数据概览】

图1 TPL油浸曝光模式示意图以及BTMST和ZrO₂杂化物的结构。©2023 Springer Nature.

图2 基于多边形激光扫描仪的TPL使用ZrO₂-BTMST光刻胶在780 nm光波长下曝光的图案。©2023 Springer Nature.

图3 ZrO₂-BTMST光刻胶通过扫描仪TPL曝光的SEM图像，光波长为532 nm。©2023 Springer Nature.

图4 BTMST实验表征和DFT计算。© 2023 Springer Nature.

图5 DFT-COSMO模拟结构和电荷分布。© 2023 Springer Nature.

五、【成果启示】

作者报告了一种用于高速TPL制造的极灵敏ZrO₂-BTMST光刻胶。利用高效的光诱导极性变化，在显影过程中表现出溶解行为的巨大变化。为了充分发挥ZrO₂-BTMST光刻胶的高灵敏度潜力，构建了基于多边形激光扫描仪的TPL机器，并实现了7.77m s^–1的线性打印速度。在打印精度方面，获得了LW为38 nm的打印图案。此外，利用高速打印，演示了在约33分钟内制作面积为1 cm²的大尺寸方形光栅。具有优异打印速度的高灵敏度光刻胶材料的设计将极大地促进TPL技术在微纳增材制造领域的实际大规模应用。

原文详情：https://doi.org/10.1038/s41565-023-01517-w