納米光刻是芯片制造和微納加工中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。高性能、小型化、新概念納米器件的研發(fā)對(duì)納米光刻技術(shù)提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的粒子束光刻工藝采用聚焦的光子束、電子束、keV離子束曝光產(chǎn)生高分辨納米結(jié)構(gòu)，但是受材料特性、粒子散射和非限域能量沉積等影響，制備超高長(zhǎng)徑比的亞10nm結(jié)構(gòu)一直面臨挑戰(zhàn)。

湖南大學(xué)教授段輝高課題組與中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所研究員杜廣華課題組合作，利用蘭州重離子加速器高能微束裝置提供的2.15 GeV 氪離子作為曝光源，在光刻負(fù)膠HSQ（氫硅倍半環(huán)氧乙烷）中獲得特征尺寸小于5nm的超長(zhǎng)徑比納米線結(jié)構(gòu)。這種由單個(gè)的高能氪離子曝光制備納米結(jié)構(gòu)的方法，既不同于傳統(tǒng)微納加工中的聚焦粒子束曝光方法，也不同于快重離子徑跡蝕刻的微納加工技術(shù)。通過離子在光刻膠中的徑向能量沉積分布模擬計(jì)算，研究人員發(fā)現(xiàn)離子徑跡中心納米尺度內(nèi)的致密能量沉積達(dá)數(shù)千戈瑞，這是HSQ納米光刻結(jié)構(gòu)形成的根本機(jī)制。此外，對(duì)比曝光實(shí)驗(yàn)證明，該方法得到的納米結(jié)構(gòu)極限尺寸與離子徑向能量沉積和材料類型直接相關(guān)，為利用重離子精確制備微納光刻結(jié)構(gòu)提供了理論基礎(chǔ)。

該工作首次展示了利用單個(gè)重離子進(jìn)行單納米光刻的潛力，證明了無機(jī)負(fù)膠HSQ具有可靠的亞5nm光刻分辨能力。通過利用先進(jìn)的重離子微束直寫技術(shù)和單離子輻照技術(shù)，單個(gè)重離子曝光技術(shù)有望在極小尺度加工中發(fā)揮獨(dú)特作用，并可用于先進(jìn)光刻膠分辨率極限的評(píng)價(jià)。

圖1 利用氪離子束曝光制備的HSQ納米線結(jié)構(gòu)

圖2 氪離子徑跡中心能量沉積模擬計(jì)算及其在探測(cè)器中的顯微觀測(cè)

研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金及大科學(xué)裝置聯(lián)合基金的支持，相關(guān)研究成果以Sub-5 nm Lithography with Single GeV Heavy Ions Using Inorganic Resist為題，發(fā)表在Nano Letters上。

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