[01325005]直接激光干涉纳米光刻技术及应用研究

课题来源与背景 为支持留英归国的王作斌博士启动科研工作，长春理工大学自筹经费400万元，于2009年10月创建了纳米测量与制造技术中心（CNM），中心于2013年被科技部认定为“国家纳米操纵与制造国际联合研究中心”。中心运行期间，通过国家外专局引智项目，与俄罗斯科学院应用物理所资深研究员Yury K Verevkin博士建立了长期的友好合作关系。

Verevkin的主要研究领域包括高质量输出激光器、非线性光学和激光纳米制造技术。发表论文100余篇，承担过多个俄罗斯科学院和欧盟项目，是欧盟DELILA项目俄罗斯课题负责人。

此前，项目申请人与俄科院应物所在激光干涉纳米光刻技术领域的合作已超过五年。双方与芬兰Tampere理工大学、法国SILIOS公司和西班牙CEIT研究中心共同承担了欧盟第六研究框架项目DELILA，开创了直接激光干涉纳米光刻技术（DLInL）的实质性研究。

以STM和AFM的发明为重要标志，经过20多年的发展，纳米技术已经渗透到几乎所有科技与工业领域。然而，当前制约纳米技术广泛应用的重要因素之一是缺少低成本、高效率纳米制造技术与工具。

基于这种需要，在DELILA项目的基础上，与Verevkin研究员合作，于2009年申报了长春市科技发展计划国际合作专项项目。本项目致力于研究与开发一种新型无掩模直接激光干涉纳米光刻制造（无掩模DLInL）技术，其潜在应用包括：一维/二维纳米光栅、防伪标识、宽带光学减反膜、自清洁表面、纳米过滤器及利用激光干涉控制的纳米材料制造等。

与其它直写纳米光刻技术相比，具有大面积、低成本及高效制造纳米表面结构及器件的优点。

2. 技术原理及性能指标

激光干涉光刻的原理是利用两束或多束激光干涉产生的图案阵列与材料相互作用来制造表面纳米结构的。干涉图案可以是线（二光束干涉）或二维点阵（多光束干涉）。该技术具有特征尺寸、形状和周期从纳米到微米连续可调的优点。在空气中，周期最小可接近1/2波长。激光干涉光刻提供了一种在激光相干范围内大面积产生周期性或准周期性纳米结构表面的技术。

目前在30nm分辨率的范围内，市场上主要有三种直写光刻技术：离子束光刻IBL、电子束光刻EBL和扫描探头光刻SPL。由于这三种技术均采用耗时的顺序工作方式，其缺点是速度非常慢，不适合批量生产。

激光干涉纳米光刻（LInL）技术的发展，主要是以MIT与IBM为代表，开发了一个多工序处理过程制造一维光栅，包括新一代液浸式光刻，其最小特征尺寸约22nm（激光器波长157nm/MIT）和29.9nm（激光器波长193nm/IBM）但过程要求严格，任何一步出差错都会导致失败。

基于此，并考虑到降低制造成本，开发直接激光干涉光刻技术（DLInL）是非常必要的。

DLInL技术的发展主要是以欧盟第六研究框架项目DELILA（Development of Lithography Technology for Nanoscale Structuring of Materials Using Laser Beam Interference，2006.01-2009.03）为前期基础，该项目最小直写特征尺寸达到30-40nm（所用激光器波长为308nm，激光脉冲宽度为10-20ns），大约是1/10波长。

国内在DLInL技术领域的研究基本上是空白，本项目以DELILA为参考，研究任意组合条件下的多光束干涉图案的形成，干涉图案的不均匀性（如干涉调制），干涉图案的定位，及可重复定量纳米光刻;研究使用DLInL制造的纳米光栅实现二维纳米坐标测量的方法。

项目建立了基于He-Ne激光器和大功率纳秒激光器的2-6光束干涉系统，分析了实验参数对干涉图像的影响;通过该技术获得了特征尺寸达到22nm的光栅结构和180nm周期的光栅结构，实现了周期测量标准方差0.7nm;搭建了六光束干涉光刻系统，获得了仿（生物）蛾眼结构图案，制备了面向自清洁应用的疏水结构。

依托本项目发表论文16篇，申请专利15项（其中已授权4项），培养青年教师6名，博士生5名和硕士21名。

3. 技术的创造性与先进性 较传统的LInL而言，本项目研究、开发的新型无掩膜直接激光干涉纳米光刻技术，采用高峰值功率的脉冲激光器作为相干光源，研究纳秒激光与固体材料之间的相互作用，形成特定微纳周期性分布光场，在材料表面直接加工制造微纳米结构，具有实现大面积、低成本、高效且可重复制造纳米结构的潜力。

通过建立的2-6光束直接激光干涉系统，制备了22nm特征尺寸的图案，实现了二维纳米坐标测量，获得了0.7nm的精度依据查新，对比国内外同类技术，研究成果处于国际领先水平。

4. 技术的成熟程度，适用范围和安全性 处于面向应用的初期阶段。

5. 应用情况及存在的问题 该技术目前可用于相关教学和进一步科学研究。基于此项目，申报教育部博士点基金“激光干涉微纳双重结构制造技术”获得成功，对“纳米制造理论与应用”学科建设构成有力支撑。

6. 历年获奖情况 无。