汉诺威研发投影光刻方法，几秒甚至数百毫秒就能造出二维微纳器件
光学精密制造技术对于生产小型化、集成化的光学光子器件是必不可少的。
在实验室中，目前可以通过激光直写双光子光刻、电子束、离子束光刻等技术来制备高精度微纳米元器件。
但是，相应的加工系统通常非常昂贵、且加工效率不够高。尽管纳米压印技术能以高产量实现高分辨率的结构，但它需要高精度的模版。
模版通常需要电子束光刻等技术来制备，这会导致额外的成本投入和时间投入。
尽管光学投影光刻技术已被开发用于光学器件的制备。但是，这些方法目前只能实现微米级的分辨率，更高精度的光学加工依然面临挑战。
在支持高精度加工的紫外投影光刻技术面世以前，人们主要通过激光直写技术来加工微纳器件。
激光直写技术虽然也可以用于加工，但这个方法在三维加工会尤其独特的优势。在加工二维结构时，这种层层加工的方式会使加工效率过低，而且平台各个运动方向的高精度与否对于获得高质量器件极其重要。
德国汉诺威大学郑蕾博士所在课题组的其中一个方向是应用光学和应用光子学，该团队的研究经常涉及到二维微纳结构的加工制备。
图 | 郑蕾（来源：郑蕾）
该团队曾设想：如能开发一套支持高效和高精度加工的低成本设备，会极大促进相关课题的研究。
受到显微镜系统的启发，他们决定研发一套低成本的基于紫外 LED（light-emitting diode，发光二极管）的投影光刻系统，以便更高效地进行二维微纳器件的制备，推进课题研究。
该方法以紫外 LED 为光源，通过标准光学元件和显微物镜将图案投影到基板上，再进行紫外光照射来加工微纳器件。
当然，开发加工系统和技术的过程并不是一蹴而就的，从最初的系统雏形、到软硬件和加工工艺的逐步优化，期间经历了几年之久。
具体来说，有了开发加工系统的想法之后，他们先是搭建了一个系统雏形，通过加工测试验证思路可行性。
之后，他们才开始更深入的研究和优化，包括硬件系统的完善和软件端的优化。主要体现在以下几个方面：
其一，优化光路成像质量。
由于这个技术的加工方式：是通过将图案投影到旋涂了光敏聚合物的基底上，再通过紫外光照射曝光的方式来进行。因此，图案的成像质量对于加工精度和加工质量非常重要。
为此他们对光路进行了调试，同时运用平面消色差物镜来提高成像质量，借此减少了像差畸变。
其二，优化软件系统。
为了实现加工过程的可控化和自动化，他们开发了配套的加工软件，以用于对加工参数进行定量控制，同时也开发了包括自动聚焦、平台倾斜度自动检测、拼接加工、加工过程实时观测等功能模块。
这大大促进了加工操作的简易化和便捷化，提升了加工效率和加工可重复性。
其三，建设和完善加工工序。
由于这一制造系统仍然依赖于掩模版，为了更方便地制备掩模版，以及实现低成本的制造，他们开发了一套涵盖从结构设计和打印、铬掩模版制备、到 MPP（microscope projection photolithography，显微镜投影光刻技术）加工的完整工序。
目前，这套系统可以在几秒甚至数百毫秒时间内加工出一款二维微纳器件，而且器件质量和可重复性都很高。在加工精度方面，课题组已能实现最低 80 纳米的特征尺寸。
整体来看，这套系统主要聚焦于二维的微纳光学器件加工，预计这些器件可被用于光学传感、纳米光子学等不同领域。
日前，相关论文以《基于 UV-LED 的显微投影光刻实现 100nm 以下特征尺寸》（Feature size below 100 nm realized by UV-LED-based microscope projection photolithography）为题发在 Light: Advanced Manufacturing[1]。郑蕾是第一作者兼通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Light: Advanced Manufacturing）
未来，他们希望可以实现大面积的高精度加工，比如实现片上集成光路的加工。因此：
其一，他们将进行软件程序的优化，希望使整个系统操作更加便捷和友好。此外，为了进一步提升系统操作的自动化程度，还需要优化运动平台的配置和拼接加工模块的功能。
目前，他们只配置了电动平移台，仅能实现 XYZ 三个方向的运动控制。后续，其计划配置电动旋转平台，以便实现运动平台倾斜度的自动补偿，从而提升系统操作的便捷性。
其二，他们将探索新工艺的应用可能性，比如探索基于该技术加工金属材料、量子材料等其他材料的可能性。
参考资料：
1.Zheng, L., Birr, T., Zywietz, U., Reinhardt, C., & Roth, B. (2024). Feature size below 100 nm realized by UV-LED-based microscope projection photolithography.Light: Advanced Manufacturing, 4(4), 410-419.
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