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一、增材制造【導讀】
增材制造技術因其可制備任意復雜結構而被廣泛應用于微機械、超高光子、打印柔性器件、速度儲能器件、光刻化學反應器皿和組織工程等領域。劑材在微/納米結構制造中，料牛出現了許多先進的增材制造增材制造方法，包括雙光子光刻技術、超高納米壓印光刻（TPL）、打印掃描探針光刻等。速度在這些方法中，光刻基于激光直接打印的劑材TPL因其相當高的分辨率（250 nm尺度）而被認為是最有前途的方法之一。然而，料牛TPL的增材制造制造吞吐量有限，到目前為止，TPL成為一種打印速度慢且運營成本昂貴的實驗室工具。TPL常見的打印速度較慢，通常為微米或毫米每秒級別，體積打印速率通常低于0.1 mm3?h–1。
在光刻領域，光刻膠在新光刻技術的發展中始終扮演著規則改變者的角色。例如，化學增強抗蝕劑顯著增強靈敏度克服了深紫外光源亮度不足的問題。最近，光刻領域再次面臨13.5 nm波長（極紫外線）的光源功率限制。在近20年的高敏感材料探索中，金屬氧化物基光刻膠的出現，為極紫外光源和反射鏡不協調挑戰帶來了解決方案。典型代表：氧化鋯（ZrO2）混合光刻膠，其靈敏度幾乎比聚合物基光刻膠高兩個數量級，并且一直保持著極紫外光刻領域的最高靈敏度記錄。ZrO2雜化光刻膠無需與聚合物復合即可具有優異的成膜能力。此外，ZrO2雜化光刻膠具有極小的元件尺寸，這是高分辨率光刻膠的重要指標。
二、【成果掠影】
納米級精確增材制造技術目前依賴于雙光子光刻，盡管這種方法可以實現納米級結構，但對于大規模的實際應用來說，它的運行速度仍然太慢。為此，浙江大學匡翠方教授、清華大學何向明教授和徐宏教授等展示了一種極其靈敏的光刻膠系統，可以達到印刷速度7.77 m s-1，比傳統的聚合物光刻膠快三到五個數量級。構建了一種基于多邊形激光掃描儀的雙光子光刻機，其線性速度接近10 m s-1。使用ZrO2-BTMST光刻膠，在約33分鐘內制造了面積為1 cm2的方形光柵。此外，ZrO2 -BTMST光刻膠的化學成分極少，可實現高精度圖案化，線寬小至38 nm。計算表明，這種不尋常的靈敏度源于ZrO2雜化物的有效光誘導極性變化。有機-無機混合光刻膠的卓越靈敏度可能會帶來可行的大規模增材制造納米加工技術。
浙江大學匡翠方教授、清華大學何向明教授和徐宏教授等將此工作以“Ultrahigh-printing-speed photoresists for additive manufacturing”為題發表在頂刊《Nature Nanotechnology》上。
三、【核心創新點】
- 一種用于高速TPL制造的極其靈敏ZrO2-BTMST光刻膠。
- 構建基于多邊形激光掃描儀的TPL，實現77 m s–1線性打印速度，獲得了LW為38 nm的打印圖案。
- 利用高速打印技術在約33分鐘內制作面積為1 cm 2的大尺寸方形光柵，優異打印速度將極大地促進TPL技術在微納增材制造領域的實際大規模應用。
四、【數據概覽】
圖1 TPL油浸曝光模式示意圖以及BTMST和ZrO2雜化物的結構。?2023 Springer Nature.
圖2 基于多邊形激光掃描儀的TPL使用ZrO2-BTMST光刻膠在780 nm光波長下曝光的圖案。?2023 Springer Nature.
圖3 ZrO2-BTMST光刻膠通過掃描儀TPL曝光的SEM圖像，光波長為532 nm。?2023 Springer Nature.
圖4 BTMST實驗表征和DFT計算。? 2023 Springer Nature.
圖5 DFT-COSMO模擬結構和電荷分布。? 2023 Springer Nature.
五、【成果啟示】
作者報告了一種用于高速TPL制造的極靈敏ZrO2-BTMST光刻膠。利用高效的光誘導極性變化，在顯影過程中表現出溶解行為的巨大變化。為了充分發揮ZrO2-BTMST光刻膠的高靈敏度潛力，構建了基于多邊形激光掃描儀的TPL機器，并實現了7.77m s–1的線性打印速度。在打印精度方面，獲得了LW為38 nm的打印圖案。此外，利用高速打印，演示了在約33分鐘內制作面積為1 cm2的大尺寸方形光柵。具有優異打印速度的高靈敏度光刻膠材料的設計將極大地促進TPL技術在微納增材制造領域的實際大規模應用。
原文詳情：https://doi.org/10.1038/s41565-023-01517-w
