位移Talbot衍射光学曝光工艺

具有亚波长尺寸的周期性纳米结构在很多领域有广泛的应用，比如LED光萃取层、光谱仪光栅、蓝宝石衬底图形化（PSS）、磁性纳米结构、减反射图形、太阳能光伏、光栅、生物传感器、滤色镜、编码器标尺等。采用DUV光源的扫描步进投影式光刻技术和电子束曝光技术都可以制作这样的周期性纳米结构，但是前者价格昂贵，而后者受产能过小的限制。因此，开发一种低成本、高效率的光刻技术来制备高品质的周期纳米结构是前面提到的诸多应用领域能够快速降低成本的关键。

位移Talbot衍射光学曝光技术（Displacement Talbot Lithography，DTL）是一种基于激光Talbot自成像效应的新型光刻技术。不同于一般的基于Talbot自成像效应的光学曝光技术，DTL技术不需要掩模板和样品紧密接触（如图1a所示），而是让样品在距离掩模板一定距离的位置在一定范围内做周期往复的运动。图1B是通过计算获得的激光通过周期性光栅掩膜后在三维空间上的光强分布。在横向的每一排上都有掩膜光栅的像，周期和掩模板上光栅的周期一致，但是紧邻一排的光栅像却相对上排或下排的像有一个半周期的位移。我们知道光学曝光过程是光刻胶记录掩模板所成像的过程，那么当我们在垂直掩模板的方向上让样品做两个周期以上的距离范围内的往复运动，就相当于让光刻胶记录掩膜光栅的两排像，于是我们就获得了周期是原掩膜光栅1/2周期的结构。当然，根据Talbot自成像效应，并非所有排布的周期结构都可以获得该效果，四方排布的周期性结构可以使周期缩至原周期的，而六方排布的周期性结构只能1:1地复制原结构。

图1 TDL光学曝光原理图。（a）TDL光学曝光过程示意图；（b）计算获得的光栅像在三维空间上的光强分布。

 

根据上述原理，位移Talbot衍射光学曝光技术可以象传统接触式光学曝光一样直接对掩模板上的结构进行复制，即解决了效率问题。图2是4英寸硅片上大面积周期性纳米结构的样品的光学照片。另外，值得指出的是该设备的购置价格和一般接触式光学曝光系统的价格接近，是较廉价的光学曝光系统。

图2 四英寸硅片样品的光学照片。

 

对于纳米结构的质量，TDL光学曝光技术也很好地克服了掩模板上随机缺陷的影响，可以获得无缺陷的高品质纳米结构。一般地，掩模板图形上的缺陷不会对显影后获得的光刻胶结构产生影响，所以获得的光刻胶边缘粗糙度会好于光刻板本身。图3给出了四方排布、六方密排和一维光栅结构的结果照片。从图中可以看到，光刻胶结构的边缘光滑，而且无论是光栅还是点阵排布的结构都没有残损和缺陷。图3a是四方排布的孔阵列，其周期为600nm，而掩模板上的图案也是四方排布且周期则为600纳米的倍。图3b为六方密排结构，该种结构不能将掩模板的图形进行缩小，因此只能大面积地复制原结构。图3c和图3d分别是400纳米和300纳米的光栅结构，由TDL原理可知，掩模板上的光栅周期分别为800nm和600纳米。

综合上面的结果可以看到，TDL光学曝光技术可以实现大面积纳米结构的低成本、高效率制备，而且制备的周期纳米结构具有优于原光刻板图形分辨率的高品质。目前，该技术可以获得的最小结构为TDL光学曝光所采用的光源光波长的一半，因此当采用更短波长的光源还能进一步地获得分辨率的提高。

图3 纳米圆孔和光栅结构的SEM照片