納米光刻是晶片製造和微納加工中的一項關鍵技術。高性能、小型化、新概念納米器件的研發對納米光刻技術提出了越來越高的要求。傳統的粒子束光刻工藝採用聚焦的光子束、電子束、keV離子束曝光產生高分辨納米結構，但是受資料特性、粒子散射和非限域能量沉積等影響，製備超高長徑比的亞10nm結構一直面臨巨大挑戰。
近日，湖南大學段輝高教授課題組與中科院近代物理研究所杜廣華研究員課題組合作，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，在光刻負膠HSQ（氫矽倍半環氧乙烷）中獲得了特徵尺寸小於5nm的超長徑比納米線結構。
這種由單個的高能氪離子曝光製備納米結構的方法，既不同於傳統微納加工中的聚焦粒子束曝光方法，也不同於快重離子徑跡蝕刻的微納加工技術。通過離子在光刻膠中的徑向能量沉積分佈類比計算，研究人員發現離子徑跡中心納米尺度內的緻密能量沉積達數千戈瑞，這是HSQ納米光刻結構形成的根本機制。此外，對比曝光實驗證明該方法得到的納米結構極限尺寸與離子徑向能量沉積和資料類型直接相關，這為利用重離子精確製備微納光刻結構提供了理論基礎。
該項工作不僅首次展示了利用單個重離子進行單納米光刻的潜力，也證明了無機負膠HSQ具有可靠的亞5nm光刻分辨能力。利用先進的重離子微束直寫科技和單離子輻照科技，單個重離子曝光科技有望在極小尺度加工中發揮獨特的作用，同時可用於先進光刻膠分辯率極限的評估。
該工作得到國家自然科學基金及大科學裝置聯合基金（#U1632271等）支持，相關成果以“Sub-5 nm Lithography with Single GeV Heavy Ions Using Inorganic Resist”為題，於2021年3月8日發表在納米科技頂級期刊Nano Letters上。
文章連結：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c04304
圖1：利用氪離子束曝光製備的HSQ納米線結構
圖2：氪離子徑跡中心能量沉積類比計算及其在探測器中的顯微觀測
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