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作 者

舒志文#、馮波#、劉鵬、陳雷、梁惠康、陳藝勤、余劍武、段輝高*

# 為共同第一作者

* 為通訊作者

機(jī) 構(gòu)

湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院

湖南大學(xué)粵港澳大灣區(qū)創(chuàng)新研究院 等

Citation

Shu Z W, Feng B, Liu P, Chen L, Liang H K, Chen Y Q, Yu J W, Duan H G. 2024. Near-zero-adhesion-enabled intact wafer-scale resist-transfer printing for high-fidelity nanofabrication on arbitrary substrates. Int. J. Extrem. Manuf.6015102.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad01fe

撰稿 | 文章作者

文章

導(dǎo)讀

納米轉(zhuǎn)印由于具備非原位光刻特性可以規(guī)避在與光刻工藝不兼容的難加工襯底（例如柔性、曲面襯底等）上進(jìn)行直接光刻，從而引起廣泛關(guān)注。然而，難加工襯底上跨尺度納米結(jié)構(gòu)的大規(guī)模集成仍然具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)榛诩{米結(jié)構(gòu)的直接轉(zhuǎn)印技術(shù)在分辨率、均勻性、粘附性和保真度等方面往往表現(xiàn)不足，限制了集成的產(chǎn)量和質(zhì)量。為了滿足納米電子學(xué)、納米光子學(xué)和柔性光電子學(xué)快速增長的廣泛應(yīng)用需求，迫切需要發(fā)展新的工藝能夠?qū)⒉煌δ艿募{米結(jié)構(gòu)高保真地集成到特定的襯底上。近期，湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院、湖大粵港澳大灣區(qū)創(chuàng)新研究院的段輝高教授團(tuán)隊(duì)在SCI核心期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上發(fā)表了題為《Near-zero-adhesion-enabled intact wafer-scale resist-transfer printing for high-fidelity nanofabrication on arbitrary substrates》的研究論文。該團(tuán)隊(duì)提出了一種基于光刻膠的納米轉(zhuǎn)印（nTP）策略，通過分子修飾來實(shí)現(xiàn)近零粘附界面，能夠?qū)⒕A級、超薄光刻膠納米薄膜完整無損地轉(zhuǎn)印到難加工襯底上構(gòu)筑納米掩膜，避免了裂紋和褶皺，從而促進(jìn)了功能器件的原位制造（圖1）。此光刻膠轉(zhuǎn)印策略有望提升難加工襯底上光電器件集成的穩(wěn)定性、可靠性和吞吐量。

關(guān)鍵詞

光刻膠轉(zhuǎn)印；近零粘附；納米掩膜；原位制造

亮 點(diǎn)

• 轉(zhuǎn)印光刻膠代替直接轉(zhuǎn)印納米結(jié)構(gòu)；

• 單分子修飾構(gòu)建了近零粘附界面，在保證大面積PMMA薄膜旋涂成膜的基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)無損剝離；

• 納米掩膜為實(shí)現(xiàn)在難加工襯底上進(jìn)行原位制造提供解決方案。

圖1基于光刻膠轉(zhuǎn)印技術(shù)的優(yōu)勢。（a）傳統(tǒng)的基于納米結(jié)構(gòu)的nTP方法示意圖；（b）我們提出的基于光刻膠的nTP方法示意圖；（c）不同修飾程度的光刻膠旋涂和剝離結(jié)果對比；（d）無損剝離和非無損剝離的PMMA薄膜表面質(zhì)量對比。標(biāo)尺: 200 μm in (d-i), (d-iii), 10 μm in (d-ii), (d-iv)。

研究

背景

人造皮膚、腦機(jī)接口、可卷曲/全彩顯示、三維（3D）堆疊多層功能納米結(jié)構(gòu)和異質(zhì)異構(gòu)器件等應(yīng)用驅(qū)動著將納米結(jié)構(gòu)高保真地集成到任意基底上，包括柔性可拉伸基底、曲面基底、懸空基底、生物相容性表面等。

基于納米結(jié)構(gòu)的nTP技術(shù)是實(shí)現(xiàn)在難加工基底上制備納米結(jié)構(gòu)的最常用方法。在大面積納米結(jié)構(gòu)的無損剝離和釋放過程中，要保證光學(xué)和電學(xué)器件的最佳性能，必須解決一些突出的挑戰(zhàn)：

1. 大面積和10 nm量級特征尺寸納米結(jié)構(gòu)的可靠轉(zhuǎn)印仍然存在難題；

2. 印章粘附力的增加可以提高剝離成功率，但同時造成應(yīng)力水平升高，更容易發(fā)生應(yīng)力失穩(wěn)，從而阻礙結(jié)構(gòu)高保真轉(zhuǎn)移；

3. 犧牲層工藝同樣可以提高剝離成功率，但增加了工藝的復(fù)雜性，在之后的濕法刻蝕工序中會導(dǎo)致表面污染或材料損壞，并且容易出現(xiàn)諸如納米結(jié)構(gòu)缺失、錯位、扭曲和低吞吐量等問題。

基于此段輝高教授團(tuán)隊(duì)提出了一個基于光刻膠的nTP范式，通過創(chuàng)造近零粘附界面可無損轉(zhuǎn)印晶圓級尺度光刻膠納米薄膜，構(gòu)建共形貼附的納米掩膜（nanostencil mask）。與傳統(tǒng)的基于納米結(jié)構(gòu)的nTP工藝相比，這種新的范式簡化了轉(zhuǎn)印過程，同時在難加工襯底上實(shí)現(xiàn)了大面積納米結(jié)構(gòu)的高保真原位制造。

進(jìn)展

作者首先通過分子修飾示意圖、X射線光電子能譜（XPS）、接觸角測量、剝離力測試及力學(xué)仿真等手段解釋了在硅表面上進(jìn)行單分子修飾實(shí)現(xiàn)近零界面粘附的機(jī)制，如圖2所示。近零界面粘附實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是在硅襯底表面創(chuàng)建臨界表面能區(qū)間，保證光刻膠能完整旋涂的基礎(chǔ)上將PMMA和硅襯底界面的粘附降到最低。

圖2基于OTS表面改性實(shí)現(xiàn)近零粘附和無損轉(zhuǎn)印的機(jī)制。（a）臨界表面能區(qū)間修飾機(jī)理示意圖；（b）不同修飾狀態(tài)下的XPS測試結(jié)果；（c）不同修飾狀態(tài)下水接觸角測量結(jié)果；（d）不同修飾狀態(tài)下剝離力測試結(jié)果；（e）有限元模擬確定臨界表面能區(qū)間。

作者為了證明這種基于光刻膠的nTP技術(shù)有能力在任意受體襯底表面上實(shí)現(xiàn)2D/3D功能納米結(jié)構(gòu)的集成，首先展示了無損轉(zhuǎn)印PMMA薄膜的能力。如圖3所示，分別實(shí)現(xiàn)了4英寸晶圓級PMMA納米薄膜的無損轉(zhuǎn)印，柔性金屬-介質(zhì)-金屬法布里-珀羅（FP）諧振腔結(jié)構(gòu)，以及10層PMMA納米薄膜的堆疊，證實(shí)了這種轉(zhuǎn)印方法具有優(yōu)異的穩(wěn)定性、均勻性和可重復(fù)性。

圖3無損轉(zhuǎn)印PMMA薄膜的能力展示。（a）無損轉(zhuǎn)印厚度為130 nm的4英寸PMMA薄膜；（b）無損轉(zhuǎn)印PMMA薄膜構(gòu)建柔性FP腔；（c）多次重復(fù)轉(zhuǎn)印實(shí)現(xiàn)的10層PMMA薄膜堆疊。標(biāo)尺: 200 μm in (c-ii), 5 mm in (c-i), 1 cm in (b-i), 2 cm in (a)。

為了證明這種基于光刻膠的nTP技術(shù)能夠在難加工襯底上可靠原位制造高精度的跨尺度結(jié)構(gòu)，作者將電子束光刻后的圖案化PMMA薄膜無損轉(zhuǎn)印至各種與電子束光刻不兼容的難加工襯底上，構(gòu)建共形貼附的納米掩膜，可以避免掩膜與襯底之間由于存在間隙造成的陰影效應(yīng)。如圖4所示，作者分別將圖案化的PMMA薄膜轉(zhuǎn)印至曲面襯底（凹面/凸面）、懸空襯底和柔性可拉伸襯底，原位制造了各種高精度的跨尺度納米結(jié)構(gòu)，如凸透鏡上的金領(lǐng)結(jié)陣列、凹透鏡上的金圓盤陣列、懸空襯底上的大面積納米孔以及柔性可拉伸襯底PDMS上的納米光柵，特征尺寸小至10 nm。

圖4在多種難加工襯底上原位制造高精度跨尺度納米結(jié)構(gòu)的演示。（a）各種難加工襯底上構(gòu)建的納米掩膜流程示意圖；（b）難加工襯底（凸透鏡、凹透鏡、懸空襯底、PDMS襯底）上原位制造的高精度納米結(jié)構(gòu)。標(biāo)尺: 2 μm in (b-ii), (b-iv), 20 μm in (b-vi), 200 μm in (b –v), (b-viii), and 5 mm in (b-i), (b-iii), (b-vii)。

僅僅曝光結(jié)構(gòu)的輪廓，這種基于光刻膠的nTP技術(shù)還能夠大幅度提高加工效率，作者首先進(jìn)行了巨量和晶圓級跨尺度微納結(jié)構(gòu)的制備。如圖5(a)所示，1 cm*1 cm的陣列中包含了625萬個直徑為2 μm的結(jié)構(gòu)。圖5(b)展示了在4英寸晶圓上制備了大面積的跨尺度納米圓盤，圓盤直徑從200 nm跨度到200 μm。另外，這種技術(shù)可以快速定義用于高性能器件的晶圓級金屬電極陣列，避免了在曝光過程中高能束對敏感材料造成的輻照損傷，以及在顯影過程中溶劑和聚合物在材料表面的殘留。如圖5(c-d)所示，作者展示了2英寸晶圓面積的電極制造，實(shí)現(xiàn)了陣列式MoS2晶體管制備，獲得了較優(yōu)異的器件性能。

圖5基于光刻膠的nTP方法和輪廓曝光結(jié)合制造出大規(guī)模、大面積、跨尺度的功能納米結(jié)構(gòu)及MoS2晶體管器件。（a）1 cm2的巨量微納結(jié)構(gòu)陣列；（b）4英寸晶圓面積的跨尺度微納結(jié)構(gòu)；（c）2英寸晶圓面積的金屬電極及陣列型CVD-MoS2晶體管器件；（d）單個機(jī)械剝離的MoS2晶體管器件及電學(xué)測試結(jié)果。標(biāo)尺: 5 μm in (b-iv), 20 μm in (b-iii) and (d-i), 20 μm in (a-iv), 100 μm in (b-ii), 200 μm in (c-iii), (c-iv), 5 mm in (a-i)-(a-iii) and (c-i), (c-ii), and 2 cm in (b-i)。

未來

展望

基于光刻膠的nTP技術(shù)未來有潛力促進(jìn)納米級功能材料與下一代納米光學(xué)和納米電學(xué)器件在任意基底上的單片集成。其前景主要包括以下幾個方面：（1）更大面積（6英寸/8英寸/12英寸）、更薄厚度（50 nm以下）光刻膠薄膜的無損轉(zhuǎn)印；（2）更穩(wěn)定的近零粘附構(gòu)建方法，零褶皺、零裂紋、零缺陷的剝離與釋放工藝；（3）全干法轉(zhuǎn)印，實(shí)現(xiàn)在任意復(fù)雜曲面上的共形貼附。目前該技術(shù)還有待進(jìn)一步提高，未來有望在大口徑平面透鏡、高深寬比金屬網(wǎng)格、自由曲面圖形化、納米柔性光電子等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

作者

簡介

段輝高 教授

湖南大學(xué)

段輝高，男，1982年生，湖南衡陽人，湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，湖南大學(xué)粵港澳大灣區(qū)創(chuàng)新研究院院長兼深圳研究院院長，國家高效磨削工程技術(shù)研究中心副主任。2004年及2010年獲蘭州大學(xué)物理學(xué)學(xué)士和博士學(xué)位。曾先后在中科院電工所、美國麻省理工學(xué)院（MIT）、新加坡科技研究局材料工程研究院、德國斯圖加特大學(xué)及馬普固體所、英國南安普頓大學(xué)等機(jī)構(gòu)從事科研工作，2012年加入湖南大學(xué)，目前主要從事微納制造及微納光學(xué)相關(guān)研究。曾獲全國百篇優(yōu)秀博士學(xué)位論文、國家級高層次人才、湖南省科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才等項(xiàng)目支持，主持和完成國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目1項(xiàng)、163/173等GF項(xiàng)目4項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金6項(xiàng)、大型企事業(yè)單位委托開發(fā)項(xiàng)目10余項(xiàng)，在《Nature Nanotechnology》《Nature Energy》《Nature Electronics》《Light: Science & Applications》《Nano Letters》等國內(nèi)外期刊上發(fā)表論文240余篇，總引14000余次，H因子為66，申請和授權(quán)發(fā)明專利60余項(xiàng)。擔(dān)任《International Journal of Extreme Manufacturing》共主編，《Research》（AAAS/Science旗下期刊）、《IEEE Transactions on Nanotechnology》、《Microelectronic Engineering》、《光學(xué) 精密工程》等5本行業(yè)知名期刊編委或副主編，中國工程院院刊《Engineering》青年通訊專家。

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關(guān)于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(中文《極端制造》），簡稱IJEM，致力于發(fā)表極端制造領(lǐng)域相關(guān)的高質(zhì)量最新研究成果。自2019年創(chuàng)刊至今，期刊陸續(xù)被SCIE、EI、Scopus等20余個國際數(shù)據(jù)庫收錄。2023年JCR最新影響因子14.7，位列工程/制造學(xué)科領(lǐng)域第一。中科院分區(qū)工程技術(shù)1區(qū)，TOP期刊。

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撰稿: 作者 編輯：范珂艷 審核：關(guān)利超

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