UNIST用飞秒激光开发“下一代大视场光刻技术”

Published 09 Mar.2023 15:47(KST)

Updated 07 Aug.2025 21:01(KST)

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蔚山科学技术院（UNIST）研究团队利用千兆分之一秒激光，开发出了下一代大视场光刻技术。

UNIST化学系Kwon Ohhoon教授团队利用飞秒（femtosecond，10的-15次方秒）激光，在作为半导体材料的黑磷（black phosphorus）上，以纳米级精度形成微细图案，并成功制备出多种形态的纳米结构体。

研究团队还通过透射电子显微镜在真实时空中直接观测整个过程，同时给出了可以解释纳米图案形成物理原因及其基础——光与物质之间强相互作用——的理论背景。

研究团队将波长为515纳米、属于可见光范围的光瞬时照射到黑磷样品上，制备出了宽度为光波长十分之一、间距为百分之一的纳米带阵列。

这一分辨率相当于极紫外光曝光设备所能实现图案的最小线宽。尤其是，无需受黑磷样品晶体结构的限制，仅通过改变照射光的偏振（polarization），就可以改变纳米带形成的方向，并可自由制备立方体、环形等多种形态的纳米结构体。

经飞秒激光照射形成的黑磷（black phosphorus, BP）纳米带。

这一点区别于现有只能制备具有特定晶体取向纳米结构体的合成方法。

目前在器件微细工艺中应用最广泛的电子束光刻（electron-beam lithography），具备高分辨率和高精度加工能力。

但由于需要经历多道工艺流程，耗时且成本高昂。此外，在用电子束扫描基板的过程中，分辨率与信息处理量呈反比，这是其一大缺点。

相比之下，本次研究提出的大视场光刻技术无需预处理工序，还具有一次即可处理相当于分辨率1000倍面积的优势。

研究团队证明，之所以能够利用光在黑磷上形成精细纳米图案，是因为光的调制不稳定性（modulation instability）导致了“孤子（soliton）”的形成。

当光在黑磷等非线性介质中经历扰动运动时，可以在几乎无能量损失的情况下保持波形和速度，形成一种奇异波动，这就是孤子。

也就是说，黑磷在与照射的激光光场相互作用过程中产生了孤子，沿着局部能量升高的波峰，磷（phosphorus）原子被逐步剥离，从而形成了图案。

通过调节飞秒激光的偏振制备出的多种形态黑磷纳米结构体。

第一作者Kim Yejin博士表示：“以往为制备纳米结构，传统光刻技术多采用自上而下方式，而化学合成法则多为自下而上。本次研究在利用光的同时，又诱导了黑磷的特殊物性来生成纳米图案，因此是唯一一项同时从自上而下与自下而上双向切入来构筑纳米结构的研究。”

化学系Kwon Ohhoon教授表示：“这是首次利用透射电子显微镜实现大视场光刻，并实时观测图案形成过程，同时在二维半导体材料上以高分辨率精确实现图案化。该研究拓展了人们对光—物质非线性相互作用的理解，也验证了基于光学现象开发下一代半导体器件制备技术的可能性。”

本研究的理论与计算分析由高丽大学物理学系Park Kyuhwan教授共同完成，延世大学物理学系Kim Kwanpyo教授研究团队也参与其中。

研究工作在三星未来技术育成财团的资助下开展，相关成果已于3月6日发表在纳米化学与材料领域的世界权威期刊《Nano Letters》上。

本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。