微納加工與表征技術(shù)在高性能集成有機(jī)光電器件研究中的應(yīng)用

朱文昌 吳海華

（蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)研究院,江蘇 蘇州 215123）

第三次工業(yè)革命始于20世紀(jì)四五十年代，止于20世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展催生了此次工業(yè)革命。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展帶動(dòng)了微納加工與表征技術(shù)的迅猛發(fā)展[1-2]。隨著計(jì)算機(jī)不斷向微型化和多功能化方向發(fā)展，微納加工與表征技術(shù)愈加重要。在過(guò)去幾十年的發(fā)展中，微納加工技術(shù)（包括光刻技術(shù)、激光直寫(xiě)技術(shù)及電子束曝光技術(shù)）逐漸成為微納加工的主流技術(shù)手段[3-6]。同時(shí)，微納結(jié)構(gòu)的表征手段也必不可少，基于光學(xué)顯微鏡的三維成像技術(shù)、原子力掃描探針技術(shù)及掃描電子顯微鏡技術(shù)等得到不斷發(fā)展[7-10]。經(jīng)過(guò)這些年的高速發(fā)展，目前，工業(yè)上最先進(jìn)的芯片制程可達(dá)3 nm，并還在進(jìn)一步挑戰(zhàn)加工極限。

相比基于硅等無(wú)機(jī)半導(dǎo)體光電器件的成熟發(fā)展，基于有機(jī)半導(dǎo)體的光電器件多數(shù)仍處于科學(xué)研究及應(yīng)用探索階段。然而，基于有機(jī)半導(dǎo)體的光電器件具有獨(dú)特的發(fā)展優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用場(chǎng)景。有機(jī)半導(dǎo)體材料主要分為小分子和高分子聚合物材料，其具有輕量化、低成本、可溶液法制備、可柔性化及分子結(jié)構(gòu)易設(shè)計(jì)等優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)柔性穿戴電子設(shè)備、電子皮膚、柔性顯示等新型應(yīng)用領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景[11-14]。因此，高集成度光電器件的研究對(duì)于未來(lái)有機(jī)光電器件的實(shí)際應(yīng)用尤為重要。

雖然微納加工與表征技術(shù)已在無(wú)機(jī)半導(dǎo)體中得到廣泛應(yīng)用，但是對(duì)于有機(jī)半導(dǎo)體，現(xiàn)有微納加工技術(shù)與高性能集成有機(jī)光電器件制備之間仍存在很大的兼容性問(wèn)題。利用現(xiàn)有的微納加工與表征技術(shù)進(jìn)行高性能集成有機(jī)光電器件的研究，依然面臨較大的困難和挑戰(zhàn)。盡管如此，部分學(xué)者依然通過(guò)現(xiàn)有微納加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高性能集成有機(jī)光電器件的制備，并結(jié)合現(xiàn)有的微納表征技術(shù)對(duì)其光電器件進(jìn)行了研究[11-17]。文章針對(duì)微納加工與表征技術(shù)在高性能集成有機(jī)光電器件研究中的應(yīng)用，對(duì)目前實(shí)驗(yàn)室中主流的微納加工與表征技術(shù)手段進(jìn)行了總結(jié)與分析，并結(jié)合工作實(shí)例，對(duì)比分析了不同微納加工與表征技術(shù)在實(shí)際研究中的優(yōu)劣，并對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 微納加工與表征的主要技術(shù)手段

1.1 光刻技術(shù)

光刻本質(zhì)上是一種圖案轉(zhuǎn)移技術(shù)，是一種將設(shè)計(jì)圖案轉(zhuǎn)移到基底上的過(guò)程。在實(shí)際應(yīng)用中，光刻通常需要結(jié)合鍍膜、刻蝕及去膠的技術(shù)工藝，從而實(shí)現(xiàn)基底上圖案化和陣列化器件的構(gòu)筑[1-2]。在過(guò)去集成電路的飛速發(fā)展中，光刻扮演了比較重要的角色，其決定了單個(gè)器件的極限物理尺寸。光刻的工藝流程主要經(jīng)歷旋膠、烘膠、曝光和顯影等工序。根據(jù)所使用的光刻膠的種類(lèi)。其中，可分為正性光刻和負(fù)性光刻，正性光刻膠曝光部分在顯影的過(guò)程中會(huì)被去除，從而將掩模版上的圖案復(fù)制到基底上，再通過(guò)刻蝕和去膠工藝將圖案完全轉(zhuǎn)移到基底上。負(fù)性光刻膠曝光部分會(huì)發(fā)生交聯(lián)，在顯影過(guò)程中會(huì)被保留，而未曝光部分則會(huì)被顯影液溶解去除，從而將掩模版上相反的圖形復(fù)制到基底表面。

光刻機(jī)是光刻工藝的核心，從曝光方式來(lái)看，光刻機(jī)可以分為：接觸式光刻機(jī)、接近式光刻機(jī)和投影式光刻機(jī)3種。其中，接觸式光刻機(jī)是集成電路發(fā)展早期所使用的主流設(shè)備，在該種曝光模式下，掩模版與涂覆光刻膠的基底表面直接接觸，從而將掩模版上的圖案直接轉(zhuǎn)移到基底光刻膠上，該模式可以有效降低曝光過(guò)程中衍射效應(yīng)造成的影響，但是掩模版與基底光刻膠直接接觸，會(huì)不可避免地產(chǎn)生污染，從而縮短掩模版的使用壽命，而且也會(huì)對(duì)光刻膠產(chǎn)生損傷，易形成圖案缺陷，影響最終器件良率。接近式光刻機(jī)在此基礎(chǔ)上，在光刻掩模版和光刻膠之間留有微小的間隙，避免因相互接觸造成的掩模版和光刻膠層損傷，但受光學(xué)衍射效應(yīng)的影響，會(huì)降低分辨率精度，導(dǎo)致其最高分辨率僅約3 μm。1973年，美國(guó)的珀金埃爾默公司（Perkin Elmer）推出了首臺(tái)投影式光刻機(jī)，其可以利用光學(xué)投影系統(tǒng)將掩模版上的圖案投影至基底上。此后，投影式光刻機(jī)成為集成電路制造的主流設(shè)備機(jī)型，結(jié)合各種分辨率提升工藝，目前可將關(guān)鍵尺寸減小至3 nm左右。

由于投影式光刻機(jī)構(gòu)造復(fù)雜，價(jià)格昂貴，目前主要應(yīng)用于工業(yè)化量產(chǎn)領(lǐng)域，在科研領(lǐng)域應(yīng)用較少。目前實(shí)驗(yàn)室研究階段的光刻工藝主要采用早期的接觸式光刻機(jī)，曝光光源為常用的汞燈光源，光刻分辨率為2 μm 左右。

1.2 激光直寫(xiě)技術(shù)

激光直寫(xiě)技術(shù)是一種具有高度靈活性的可定制化的微納加工方式。相比于上述的光刻過(guò)程中必要的圖案化掩模版，激光直寫(xiě)技術(shù)能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)直接進(jìn)行圖案化設(shè)計(jì)，并將設(shè)計(jì)圖案輸出。這使得激光直寫(xiě)技術(shù)具有更高的圖案設(shè)計(jì)靈活性，在新型結(jié)構(gòu)器件和圖案電路的設(shè)計(jì)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

激光直寫(xiě)技術(shù)實(shí)現(xiàn)基底的圖案化有兩種方式，一種是通過(guò)高能量脈沖或連續(xù)激光直接對(duì)基底進(jìn)行刻蝕，從而實(shí)現(xiàn)基底圖案化[3]；另一種類(lèi)似于光刻過(guò)程，需要先在基底上旋涂光刻膠，之后在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)圖案并生成可執(zhí)行文件，通過(guò)微透鏡陣列結(jié)合步進(jìn)位移平臺(tái)，將設(shè)計(jì)圖案轉(zhuǎn)移到涂覆光刻膠的基底上，再通過(guò)顯影實(shí)現(xiàn)基底上光刻膠的圖案化，最后進(jìn)一步結(jié)合濕法或干法刻蝕工藝實(shí)現(xiàn)基底圖案化[4]。

對(duì)于上述第一種直寫(xiě)方式，其核心包括3個(gè)部分：激光光源、光束傳輸系統(tǒng)及平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。可采用的激光光源包括飛秒脈沖激光器、固態(tài)連續(xù)激光器、光纖激光器及半導(dǎo)體激光器等。對(duì)于光束傳輸系統(tǒng)，需要考慮工作距離、激光焦點(diǎn)大小及能量大小等，這決定了直寫(xiě)圖案的分辨率和質(zhì)量。對(duì)于第二種激光直寫(xiě)光刻技術(shù)，其光源一般采用固定波長(zhǎng)的激光光源或LED光源，其核心是微透鏡陣列曝光系統(tǒng)與步進(jìn)位移平臺(tái)。數(shù)字微透鏡陣列類(lèi)似于傳統(tǒng)光刻過(guò)程中的掩模版作用，其優(yōu)勢(shì)是可通過(guò)計(jì)算機(jī)靈活設(shè)計(jì)曝光圖案，但其整體尺寸很小，需要結(jié)合步進(jìn)位移平臺(tái)進(jìn)行滾動(dòng)式圖案曝光，才能最終實(shí)現(xiàn)大面積圖案轉(zhuǎn)移。相比于傳統(tǒng)光刻過(guò)程，其缺點(diǎn)是大面積圖案化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，效率較低，因此該技術(shù)通常被用于光刻掩模版的制備。對(duì)于科研領(lǐng)域而言，由于其圖案設(shè)計(jì)的靈活性，被廣泛用于集成器件的微納加工制備。

1.3 電子束曝光技術(shù)

電子束曝光技術(shù)與激光直寫(xiě)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)類(lèi)似，也可以通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)圖案進(jìn)行高度定制化的設(shè)計(jì)，除此之外，由于電子束曝光技術(shù)中所使用的電子束（曝光光源）波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于常用激光器的紫外激光波長(zhǎng)，大幅減小了光學(xué)衍射效應(yīng)的影響，使分辨率得到顯著提升，可用于曝光200 nm以下線寬的圖案[5]。電子束曝光系統(tǒng)主要由電子束光路控制系統(tǒng)、載物樣品臺(tái)及控制元件構(gòu)成[6]。其中，核心光路系統(tǒng)元件由電子束源、磁性透鏡、電子束偏轉(zhuǎn)裝置及電子束阻斷裝置組成。電子束源的產(chǎn)生可由熱離子陰極或者熱場(chǎng)發(fā)射，電子束能量最大可達(dá)200 keV。

雖然電子束曝光技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于原型器件制備及高精度掩模版制備，但是其曝光效率低的問(wèn)題依然存在。由于在進(jìn)行高精度圖案化的過(guò)程中需要使用很細(xì)的電子束流及較大的放大倍數(shù)，這使得刻蝕的視場(chǎng)變得很小，進(jìn)而使得步距變小，最終導(dǎo)致曝光所需時(shí)間大幅延長(zhǎng)，降低基底圖案化的速率。因此，電子束曝光技術(shù)目前只適合于制備高精度、小尺寸的微納器件，對(duì)于大面積高集成度的圖案化來(lái)講，則顯得制備效率過(guò)低，不適合于未來(lái)大規(guī)模的工業(yè)化量產(chǎn)。除此之外，電子束曝光過(guò)程中的鄰近效應(yīng)會(huì)對(duì)其成像分辨率造成很大影響。在電子束曝光的過(guò)程中，轟擊在光刻膠的電子會(huì)有一定小角度地向前散射及被基底反射回來(lái)的背散射作用，前散射電子會(huì)導(dǎo)致電子束直徑變寬，而背散射電子會(huì)在光刻膠中傳遞，導(dǎo)致發(fā)生鄰近效應(yīng)。目前，鄰近效應(yīng)通?？梢酝ㄟ^(guò)減小電子束流大小及通過(guò)軟件計(jì)算校正方式得到緩解。

1.4 三維光學(xué)顯微鏡技術(shù)

三維光學(xué)顯微鏡技術(shù)是一種非接觸式的三維光學(xué)表面測(cè)量技術(shù)[7]。該技術(shù)具有測(cè)量速度快、對(duì)樣品表面無(wú)損傷、測(cè)量范圍大及圖像可拼接的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于微納圖案化結(jié)構(gòu)的表征和測(cè)量領(lǐng)域。該技術(shù)一般使用干涉法、共聚焦法等。干涉法是利用光波干涉原理，根據(jù)干涉條紋在不同厚度或起伏度的樣品表面上的微小變化，再通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行讀取和處理后，提取得到樣品表面的高度差信息。共聚焦法是利用在垂直方向上的連續(xù)光學(xué)切片方法，掃描得到不同位置的圖像信息，并進(jìn)行疊加運(yùn)算后，得到樣品表面微納結(jié)構(gòu)的三維圖像。

1.5 原子力掃描探針技術(shù)

原子力掃描探針技術(shù)屬于應(yīng)用最廣泛的一種探針成像方法[8]，該技術(shù)的工作原理是利用一根帶有納米針尖的懸臂梁，其中一端固定，帶有針尖的另一端與基底輕輕接觸或保持一定微小距離。由于針尖尖端原子與待測(cè)樣品表面存在相互作用力，在掃描樣品表面時(shí)，保持該相互作用力恒定，即針尖與樣品表面的相對(duì)距離保持恒定，懸臂梁會(huì)隨著樣品表面的形貌起伏而不斷變化，在探針的懸臂梁上會(huì)被投射一束激光，該激光被懸臂梁反射到特定位置并被探測(cè)器探測(cè)，懸臂梁的微小變化會(huì)引起激光位置的較大變化，并被探測(cè)器探知，回饋到計(jì)算電路中，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得到樣品的表面形貌。

利用原子力掃描探針技術(shù)，可以獲得很高的表面分辨率，適合于分析高精度的微納結(jié)構(gòu)，但是其掃描速率較慢，不適合于大面積微納結(jié)構(gòu)的圖像采集與分析。另外，該掃描技術(shù)由于探針的磨損和消耗，表征成本較高。該技術(shù)與適合大面積微納結(jié)構(gòu)分析的三維光學(xué)顯微鏡技術(shù)構(gòu)成互補(bǔ)。

1.6 掃描電子顯微鏡技術(shù)

掃描電子顯微鏡技術(shù)是利用電子與物質(zhì)之間的相互作用所產(chǎn)生的二次電子和背散射電子進(jìn)行成像，掃描電子顯微鏡的核心部件包括電子槍、電磁透鏡、掃描線圈、探測(cè)器等[9]。在分辨率方面，掃描電子顯微鏡與原子力顯微鏡都具有較高的橫向分辨率，掃描電子顯微鏡除了能夠分析樣品的表面形貌外，還可以分析樣品的成分與元素分布[10]。但是在縱向分辨率方面，其不如原子力顯微鏡，而且對(duì)于具有較高縱橫比的微納結(jié)構(gòu)表面樣品來(lái)講，采用掃描電子顯微鏡無(wú)法得到其具體的高度信息，需要進(jìn)一步將樣品沿截面切開(kāi)表征。除此之外，掃描電子顯微鏡掃描樣品需要其具有較好的導(dǎo)電性，否則樣品在測(cè)試過(guò)程中會(huì)發(fā)生局部充電現(xiàn)象，從而影響對(duì)于形貌的觀察。

2 微納加工與表征技術(shù)在高集成度和高性能光電器件研究中的進(jìn)展

由于有機(jī)半導(dǎo)體材料在降低器件生產(chǎn)制造成本、柔性化及光電特性調(diào)控等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)基于有機(jī)材料的光電器件得到了廣泛且深入的研究。為了將有機(jī)光電器件進(jìn)一步向?qū)嵱没?、產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)高性能集成有機(jī)光電器件成為其必須要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。前文主要介紹了目前主流的微納加工與表征技術(shù)，下文將主要概述以上微納加工和表征技術(shù)在高性能集成有機(jī)光電器件研究中的最新進(jìn)展。

微納加工的主要目的在于實(shí)現(xiàn)器件的分立與互聯(lián)，使得每個(gè)器件在既不發(fā)生相互串?dāng)_的情況下，又可以聯(lián)系在一起工作從而實(shí)現(xiàn)特定功能。微納表征技術(shù)主要用于表征加工后的圖案與參數(shù)規(guī)格滿(mǎn)足器件構(gòu)筑的需求，指導(dǎo)調(diào)節(jié)微納加工的具體參數(shù)以滿(mǎn)足器件正常工作要求。除此之外，微納表征技術(shù)還可用于器件性能提升的研究，用于分析影響器件性能的主要因素。

實(shí)現(xiàn)高性能集成有機(jī)光電器件的關(guān)鍵在于無(wú)損地實(shí)現(xiàn)有機(jī)材料的圖案化。目前，實(shí)現(xiàn)有機(jī)材料圖案化的路徑主要有兩種，即“自上而下”與“自下而上”?！白陨隙隆笔侵冈诨咨仙L(zhǎng)大面積完整的有機(jī)材料，之后采用圖案化刻蝕的方式將多余的材料去除，從而實(shí)現(xiàn)集成器件制備?！白韵露稀笔侵咐梦⒓{加工技術(shù)首先在基底上形成圖案化結(jié)構(gòu)，之后在圖案化的基底上生長(zhǎng)材料，得到圖案化的有機(jī)材料，最終實(shí)現(xiàn)集成器件構(gòu)筑。2015年，揭建勝課題組發(fā)展了一種光刻輔助旋涂的材料生長(zhǎng)策略，可以實(shí)現(xiàn)有機(jī)單晶納米陣列的晶圓級(jí)精確圖案化（見(jiàn)圖1）[11]。他們首先采用光刻在基底上構(gòu)筑了圖案化的光刻膠作為有機(jī)單晶半導(dǎo)體材料自組裝生長(zhǎng)的模板，然后再通過(guò)旋涂的方式進(jìn)行材料生長(zhǎng)。該方法有以下4方面優(yōu)勢(shì)：一是確保了制備得到的大面積有機(jī)單晶陣列具有基本相同的均勻性、可靠性與柔性；二是有機(jī)單晶材料的位置和形狀可以在亞微米級(jí)別進(jìn)行控制，將集成器件的集成水平提升到一個(gè)新的高度；三是晶圓級(jí)有機(jī)材料的生長(zhǎng)、陣列化及圖案化可以同時(shí)在1 min內(nèi)完成，展現(xiàn)了該策略制備材料的高效性；四是通過(guò)該策略制備得到了高性能的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其遷移率高達(dá)3.4 cm2/（v·s），高于多晶薄膜的遷移率。2019年，該課題組又發(fā)展了一種極性表面限制結(jié)晶的策略實(shí)現(xiàn)陣列化有機(jī)單晶半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)（見(jiàn)圖2）[12]，他們首先采用光刻方式，在涂覆有聚合物絕緣層材料的基底上得到圖案化的光刻膠，之后利用光刻膠作為掩膜，將樣品進(jìn)行等離子體轟擊處理，以此來(lái)改變基底的極性，之后再將光刻膠去除，得到具有不同極性的基底，隨后采用溶液法刮涂的方式在聚合物絕緣層上生長(zhǎng)有機(jī)半導(dǎo)體材料，研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)溶液優(yōu)先在等離子體處理過(guò)的絕緣層基底上成核生長(zhǎng)，最終實(shí)現(xiàn)了圖案化的有機(jī)單晶陣列，并以此制備了高性能的柔性場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件，器件遷移率最高可達(dá)2.25 cm2/（v·s）。光刻輔助微溝道限域策略具有良好的普適性。2020年，該課題組在此基礎(chǔ)上，采用光刻微溝道輔助，生長(zhǎng)得到陣列化的鈣鈦礦微米線，并構(gòu)筑了高性能集成光電探測(cè)器件，器件在光探測(cè)成像方面展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景（見(jiàn)圖3）[13]。除此之外，微納加工技術(shù)在集成器件性能提升研究方面也展現(xiàn)出了其優(yōu)勢(shì)[14-15]，Jun Takeya等利用光刻等微納加工技術(shù)，對(duì)基于有機(jī)半導(dǎo)體材料的器件進(jìn)行選擇性摻雜，從而實(shí)現(xiàn)高遷移率、低接觸電阻及高工作頻率的場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件（見(jiàn)圖4）[15]，這對(duì)遠(yuǎn)距離無(wú)線通信具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。2017年，宋清海課題組發(fā)展了一種“自上而下”的半導(dǎo)體微納加工工藝，用來(lái)制備圖案化的鈣鈦礦材料，從而實(shí)現(xiàn)激光器件的制備[16]。他們首先通過(guò)電子束曝光技術(shù)制備掩模版，接著采用電感耦合等離子體刻蝕鈣鈦礦材料，最終將掩膜圖案轉(zhuǎn)移至生長(zhǎng)得到的片狀鈣鈦礦材料上。采用該策略可以輕松實(shí)現(xiàn)一些通過(guò)直接合成難以得到的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而有利于激光器件的構(gòu)筑。此外，該課題組采用電子束曝光結(jié)合剝離工藝，制備得到了基于TiO2的元表面（見(jiàn)圖5）[17]，最終可以實(shí)現(xiàn)高空間分辨率的全色結(jié)構(gòu)。以上的研究進(jìn)展說(shuō)明微納加工與表征技術(shù)在高性能集成光電器件研究方面已經(jīng)成為一種強(qiáng)有力的研究工具與手段。

圖1 光刻輔助旋涂的材料生長(zhǎng)策略實(shí)現(xiàn)有機(jī)單晶納米陣列的晶圓級(jí)精確圖案化

圖2 極性表面限制結(jié)晶策略實(shí)現(xiàn)陣列化有機(jī)單晶半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)

圖3 基于圖案化鈣鈦礦微米線陣列制備光電探測(cè)器性能與成像應(yīng)用

圖4 利用光刻技術(shù)選擇性摻雜提升有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件性能

圖5 電子束曝光技術(shù)制備具有微納結(jié)構(gòu)的TiO2表面

3 微納加工與表征技術(shù)在科學(xué)研究中的應(yīng)用實(shí)例

為了更清晰地對(duì)比不同微納加工與表征技術(shù)的優(yōu)劣，下文將結(jié)合研究單位現(xiàn)有條件，以應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 實(shí)例研究中采用的微納加工與表征設(shè)備型號(hào)

光刻曝光系統(tǒng)采用德國(guó)SUSS MicroTec公司的MJB4手動(dòng)型接觸式曝光系統(tǒng)。該光刻曝光系統(tǒng)主要包括勻膠機(jī)、烘烤機(jī)、曝光系統(tǒng)及顯影機(jī)。曝光光源采用350 W汞燈光源，曝光面積最大100 mm，最高分辨率優(yōu)于0.8 μm，曝光模式支持硬接觸、軟接觸、接近式及真空4種模式。激光直寫(xiě)曝光系統(tǒng)采用蘇大維格公司生產(chǎn)的Microlab 4A-100-H激光直寫(xiě)系統(tǒng)。曝光光源包括可選的405 nm LED和激光光源，擁有固定點(diǎn)陣、直寫(xiě)光刻和干涉光刻3種曝光模式。三維光學(xué)顯微鏡采用德國(guó)徠卡DCM8共聚焦干涉顯微鏡，該系統(tǒng)融合了共聚焦和干涉光學(xué)測(cè)量?jī)x，可獲得亞納米級(jí)的垂直分辨率。掃描電子顯微鏡系統(tǒng)采用日立公司的SU5000熱場(chǎng)式場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡。

3.2 不同微納加工與表征手段對(duì)比——以硅基底圖案化為例

采用手動(dòng)接觸式光刻曝光系統(tǒng)對(duì)硅片基底進(jìn)行圖案化工藝。主要步驟包括：正性光刻膠旋涂、烤膠、曝光及顯影過(guò)程。在旋膠過(guò)程中，光刻膠的厚度會(huì)受到光刻膠的黏度及旋涂轉(zhuǎn)速的影響，光刻膠的厚度選擇需要根據(jù)后續(xù)的刻蝕工藝來(lái)合理確定。在此實(shí)例中，采用兩步分段旋涂，第一步轉(zhuǎn)速設(shè)置為500 rpm，保持時(shí)間為8 s，該步驟可以將光刻膠均勻鋪開(kāi)并覆蓋整個(gè)基底，第二步轉(zhuǎn)速設(shè)置為3 500 rpm，保持30 s，該步驟可將多余的光刻膠去除，并使得光刻膠中多余的溶劑揮發(fā)，使之成膜。之后將覆蓋有光刻膠的硅片基底放置在烤膠機(jī)上進(jìn)行烘烤，烤膠參數(shù)為100 ℃下保持3 min，該步驟為了確保光刻膠中的溶劑充分揮發(fā)，以防止在后續(xù)曝光過(guò)程中對(duì)掩模版造成污染。曝光過(guò)程采用軟接觸模式，先將基底與掩模版上的圖案進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，之后調(diào)節(jié)曝光參數(shù)，該實(shí)例中采用的曝光光源功率為350 W，曝光時(shí)間為1.6 s，曝光模式為陣列式曝光。再將曝光之后的基片依次放置到顯影液和定影液中浸泡，可得到圖案化的硅基底。

采用激光直寫(xiě)曝光系統(tǒng)對(duì)硅片基底進(jìn)行圖案化工藝。主要步驟包括：正性光刻膠旋涂、烤膠、直寫(xiě)曝光以及顯影過(guò)程。其中光刻膠旋涂、烤膠及顯影步驟與光刻曝光中基本一致。在曝光過(guò)程中，首先，需要在計(jì)算機(jī)繪制需要曝光的圖案，之后使用專(zhuān)業(yè)軟件將宏觀的圖案轉(zhuǎn)化為符合數(shù)字微透鏡陣列（DMD）尺寸的圖像，再進(jìn)行執(zhí)行文件的轉(zhuǎn)化，最終生成儀器可執(zhí)行的任務(wù)文件。其次，將烘烤后的覆蓋有光刻膠的基底放置在位移平臺(tái)上，移動(dòng)位移平臺(tái)進(jìn)行聚焦，之后執(zhí)行任務(wù)文件，進(jìn)行直寫(xiě)曝光。最后，將曝光完成的基底進(jìn)行顯影。

從兩種微納加工工藝實(shí)例的具體操作中，對(duì)比分析了兩種曝光模式的優(yōu)劣。光刻曝光系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于圖案化基片加工速度快，可在幾秒內(nèi)完成曝光過(guò)程，適合于制備大批量實(shí)驗(yàn)樣品。而激光直寫(xiě)曝光系統(tǒng)加工相同精度和大小的圖案化基片，則需要半個(gè)小時(shí)，加工速率大幅降低。但是對(duì)于激光直寫(xiě)曝光系統(tǒng)，其加工圖案的靈活性更好，可直接在計(jì)算機(jī)上繪制圖案，并轉(zhuǎn)化成任務(wù)文件進(jìn)行曝光，對(duì)于實(shí)驗(yàn)性研究，具有很大的優(yōu)勢(shì)。總之，在以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的研究中，可以先采用激光直寫(xiě)曝光系統(tǒng)來(lái)驗(yàn)證提出想法的可行性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)對(duì)圖案的形狀與大小進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，在確定最優(yōu)化的基底圖案之后，可制作掩模版，采用光刻曝光來(lái)快速、大批量制備實(shí)驗(yàn)所用圖案化基底，為進(jìn)一步調(diào)控器件性能及器件集成奠定基礎(chǔ)。

在微納結(jié)構(gòu)表征方法方面，采用DCM8和SU5000分別對(duì)圖案化基底進(jìn)行表征，得到如圖6和圖7所示的結(jié)果。從表征結(jié)果來(lái)看，對(duì)于分辨率要求不高的微納圖案，采用三維光學(xué)顯微鏡表征可直接得到圖案化基底表面的三維形貌，在樣品的快速、無(wú)損表征方面具有很大優(yōu)勢(shì)，而掃描電子顯微鏡無(wú)法在不破壞基底的情況下得到實(shí)例所示圖案的高度信息。但是如果對(duì)于更高精度的微納結(jié)構(gòu)表征，光學(xué)顯微鏡由于光學(xué)衍射現(xiàn)象，其極限分辨率會(huì)受到限制，采用掃描電子顯微鏡則更具優(yōu)勢(shì)。

圖6 圖案化Si基底的掃描電子顯微鏡圖像

圖7 圖案化Si基底的三維光學(xué)顯微鏡圖像

4 展望

綜上所述，隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步與發(fā)展，高性能有機(jī)集成光電器件將會(huì)在光電探測(cè)、光通信、顯示、激光器件及健康監(jiān)測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出其較大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。微納加工與表征技術(shù)在其發(fā)展進(jìn)程中也展現(xiàn)出了不可或缺的重要性。目前，主流微納加工與表征技術(shù)都是基于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體發(fā)展起來(lái)的，與有機(jī)半導(dǎo)體材料的兼容性問(wèn)題還需要進(jìn)一步解決，這也是有機(jī)光電器件走向?qū)嶋H產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)與應(yīng)用的必經(jīng)之路。在科研方面，需要合理利用現(xiàn)有不同微納加工與表征技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，加快高性能有機(jī)集成光電器件的研發(fā)進(jìn)度，進(jìn)而加快建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)。