納米光刻是芯片制造和微納加工中的一項關(guān)鍵技術(shù)。高性能、小型化、新概念納米器件的研發(fā)對納米光刻技術(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，制備超高長徑比的亞10nm結(jié)構(gòu)一直面臨挑戰(zhàn)。

湖南大學教授段輝高課題組與中國科學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，在光刻負膠HSQ（氫硅倍半環(huán)氧乙烷）中獲得特征尺寸小于5nm的超長徑比納米線結(jié)構(gòu)。這種由單個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)的致密能量沉積達數(shù)千戈瑞，這是HSQ納米光刻結(jié)構(gòu)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(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重離子進行單納米光刻的潛力，證明了無機負膠HSQ具有可靠的亞5nm光刻分辨能力。通過利用先進的重離子微束直寫技術(shù)和單離子輻照技術(shù)，單個重離子曝光技術(shù)有望在極小尺度加工中發(fā)揮獨特作用，并可用于先進光刻膠分辨率極限的評價。

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算及其在探測器中的顯微觀測

研究工作得到國家自然科學基金及大科學裝置聯(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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