利用高双折射电纺纤维，以电磁相位调制为基础的简易光刻平台

　　ACS Appl. Mater. Interfaces：纤维光刻技术：利用高双折射电纺纤维，以电磁相位调制为基础的简易光刻平台
　　DOI:10.1021/acsami.0c01314
　　光刻技术在推动制造业以及半导体行业发展方面发挥着关键作用。但是，当前可用的最新光刻方法仍然需要使用昂贵的工具和设备。在此，研究者提出了一种新型基于电磁相位调制的紫外光刻方法，该方法使用高双折射电纺纤维来克服这些局限性。光学双折射效应与使用近场静电纺丝以可编程形式图案化的半结晶聚环氧乙烷（PEO）-聚乙二醇（PEG）聚合微纤维相结合，其通过光学各向异性介质时，入射紫外电磁场的相位被延迟。通过将掩模放置在彼此垂直的两个线性偏振器之间，只有通过纤维的紫外波才能被选择性地用于显示光刻特性。因此，光致抗蚀剂（PR）表面上的紫外强度遵循纤维图案的形状，从而可以精确地控制光致抗蚀剂的图案。实现了光刻的零到二维关键特征，包括直线、弯曲、阵列和孤立的图案。成功演示了无需使用专用对准标记的简易光学对准及其各种应用，包括柔性基板上的微型到大型蛇形、树形和天线电路图。所提出的方法以桌面大小的规格进行包装，通过利用聚合物的直接写入能力、可调谐光学功能、可伸缩性和简单的光学对准方法，有望提供一种实用且价格合理的光刻解决方案。
　　图1.纤维光刻原理。（a）紫外电磁波传播的示意图；随机取向的紫外电磁波通过偏振器＃1过滤；穿过光学各向异性纤维的偏振线性波被转换成旋转波。该波再次被2号偏振器偏振；线性波光刻曝光，作为纤维书写的复制品；第二个偏振片（电荷耦合器件（CCD）视图中的暗区）阻挡了未遇到纤维的电磁波。（b）波的电场和磁场之间的相对延迟（δ）将线性波转换为旋转波，该旋转波与纤维的双折射（Δn）和厚度（tfiber）成比例。（c）近场静电纺丝（NFES）产生各种可编程的直接写入纤维图案。可提供多种纤维图案，包括0-D到2-D形状。使用聚乙二醇化的侧链分子组装策略增强了纤维的半结晶各向异性，从而改善了纤维光刻的对比度和分辨率。
　　图2.使用近场电纺模式产生紫外线。（a）直写近场静电纺丝示意图。微纤维图案是在各向同性的透明盖玻片上创建的。纤维被弹出，其中分布着最强的电场。由偏置电压控制的电场可以有效地调节纤维的尺寸。机动化移动平台按程序路径运行。（b）半圆柱形纤维落在盖玻片上，当溶剂蒸发时提供牢固的附着。（c）扫描电子显微镜（SEM）图像显示表面不规则排列的皱纹和横截面中不均匀拉伸的结构。（d）制备的纤维图案。亮区表示UV发生光学延迟的位置。（e）桌面规模的定制光刻系统。（f）通过近场电纺纤维的各种暴露。（g）PEO-PEG共轭策略称为PEG化，表现出较强的光刻曝光性。
　　图3.紫外波前分析。（a）纤维的圆柱轮廓形成圆柱波阵面，并以橙色点标记为曲线。通过数字图像处理量化的测量传输与计算结果吻合。（b）纤维的宽度和厚度随电场的增加而增加，而电场又随施加电压的变化而变化。子集光学图像直接反映了纤维的相对延迟能力，表明纤维越大，延迟曝光越高。（c）在0.5-1.3 W的施加功率下，实际辐照度约为0.2-1.3%。增加输入功率会增加辐照度，为测定合适的能量密度提供了预测工具。（d-f）波阵面和坡度的分析。通过图像处理定量比较各种尺寸的纤维和入射强度。波侧的斜率在较粗的纤维和更强的入射强度中更加突出，这意味着可以在光刻中获得更好的对比度。（g）将强度与位于0、45和90°的纤维进行比较。纤维方向无差异。（h，i）由于UV热能的作用，分子相变会降低延迟，并且可以通过散热来维持。
　　图4.使用一维纤维进行的零至二维光刻。（a）只有穿过纤维的紫外线才能到达目标PR平面。（b）通过各种一维线曝光和显影获得的图案化的p型旋涂PR的显微图像。（c）PR的激光扫描轮廓。刻蚀谷下硅片的平坦表面表明纤维光刻技术的有效性。（d，e）堆叠的纤维比单根纤维产生更高的紫外点强度。利用点曝光、显影和剥离技术创建了一个10×10 Cr/Au点阵列。（f）强度分析验证了有效的尖峰波阵面。（g）通过光的相长干涉制备的使用一维纤维光刻的二维特征。（h）当纤维平行放置时，会由于相邻的紫外波重叠而产生相长干涉，从而导致纤维之间的有效紫外强度高。（i）随着输入功率的增加，构造强度也相应增加。（j）放大技术在密集排列的纤维中生成孤立的二维图案。（k）制备了间隙减小的方形螺旋结构。随着输入功率的增加，正方形的强度比单根纤维尾部的强度增加更多，从而产生了正常蚀刻的正方形和蚀刻不足的尾部。制备了一个独立的Cr/Au岛。（l）密集排列的纤维的波前强度要大于单纤维的波前强度。
　　图5.没有对齐标记的多层。（a）仅通过旋转偏振片进行对准而没有对准标记。仅涉及纤维掩模和目标图案。（b）用于俄罗斯方块演示的不带对准标记的多重对准图案序列。首先，通过剥离工艺将L形纤维图案化。接下来，在按需位置的两个偏振片之间插入第二个T形纤维。然后，当顶部偏振器以除90°以外的任何角度旋转时，基板上的现有图案将变得不可见。紫外延迟曝光可在PR上完成图案化。（c）第一图案、操纵杆和按钮是通过单步纺丝和Cr/Au沉积制成的。（d）通过隔离曝光和Ti/Cu沉积来制造L形四格方块。（e）通过使用第三个T形纤维证明了多重对准。结果，在没有对齐标记的情况下，两个四格方块被对准在一起。图案中的每种颜色代表不同的层。比例尺为2毫米。（f，g）按需Cr/Au电极的实际制备情况。
　　图6.各种基板上的可扩展电路。在不同的基底上制备了高导电性的金电路，并将其作为潜在的用户场景融入电子应用中。（a）大规模印刷电路板。具有相长干涉和无痕对准的纤维光刻技术会产生迹线和焊盘。所有的甜甜圈纤维都在一个纺丝步骤中制备。曝光后，轨道在PR上形成了完全蚀刻的环，而桥也未充分蚀刻。（b）在聚酰亚胺纤维膜上构图的半径为500μm的可拉伸微蛇形电路。（c）在聚酰亚胺带上制备了微螺旋天线。（d）易弯曲的透明塑料基板上的大型树形电极。子集图像显示了LED的集成，并且在弯曲薄膜时测试了开/关。比例尺为1毫米。
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　　文章来源：易丝帮