Versnellen van 3D-nanofabricage met behulp van een gevoelige kationische fotoresist

Twee-fotonlaser direct-writing lithografie of TPL is een geavanceerde techniek die wordt gebruikt voor het creëren van structuren op nanoschaal. Het werkt door gebruik te maken van specifieke materialen die bekend staan ​​als fotoresisten en die hun chemische eigenschappen veranderen bij blootstelling aan licht. Deze materialen absorberen laserlicht op een unieke manier, waardoor nauwkeurige controle mogelijk is tijdens de blootstelling aan laserstralen.

In tegenstelling tot conventionele ultraviolette (UV) fotolithografie, waarbij licht wordt gebruikt om beelden te creëren, kan TPL direct complexe driedimensionale (3D) vormen bouwen met kenmerken zoals overhangen en hangende elementen met een resolutie die kleiner is dan de breedte van een mensenhaar. De productiesnelheid van TPL kan echter niet tippen aan die van UV-lithografie. Om het TPL-proces te versnellen zijn zeer gevoelige fotoresists essentieel.

Tot op heden blijft de klassieke SU-8 epoxy-fotoresistserie een populaire keuze vanwege de talrijke voordelen, zoals een hoge diepte-breedteverhouding, minimale krimp en geen problemen met zuurstofinterferentie tijdens de verwerking. Kationische fotoresists zoals SU-8 hebben echter over het algemeen meer tijd nodig om te fabriceren en resulteren in minder gedetailleerde structuren vergeleken met op vrije radicalen gebaseerde fotoresists, wat hun toepassingen bij het creëren van ingewikkelde microdevices kan beperken.

Onlangs heeft een onderzoeksteam onder leiding van professor Cuifang Kuang van het Zhejiang Lab van de Zhejiang Universiteit een belangrijke doorbraak bereikt door een nieuw type kationische epoxyfotoresist te ontwikkelen. Dit innovatieve materiaal vertoonde een ongeveer 600 maal grotere gevoeligheid voor laserblootstelling met twee fotonen dan de traditionele SU-8 fotoresist, dankzij een uniek bimoleculair sensibilisatiesysteem.

De bevindingen zijn gepubliceerd in het journaal Geavanceerde functionele materialen.

Professor Kuang legt uit: “We hebben de 3D-gefabriceerde structuren gedemonstreerd met fijne kenmerken van minder dan 200 nanometer (nm) en een hoge schrijfsnelheid van 100 millimeter/seconde (mm/s) met behulp van nanoroosters om potentiële toepassingen voor high-throughput nanofabricage van microscopisch kleine deeltjes te laten zien 3D-apparaten.”

Het bimoleculaire fotosensibiliseerde initiatiesysteem dat in dit onderzoek is ontwikkeld, scheidt op effectieve wijze de processen van lichtabsorptie en energieoverdracht, waardoor het vermogen van het materiaal om licht te absorberen wordt vergroot. De onderzoekers introduceerden 5-nitroacenafteen, een fotosensitizer die het absorptiespectrum verbreedt, waardoor het lichtgolflengten tot 430 nm kan opvangen.

Door deze fotosensibilisator te combineren met op pyrazoline gebaseerd sulfoniumzout als fotozuurgenerator (PAG) en polyfunctionele epoxy als bouwsteen, creëerde het team een ​​nieuwe kationische fotoresist genaamd TP-EO. Dit innovatieve materiaal kan een indrukwekkende lithografiesnelheid van 100 mm/s bereiken en fijne kenmerken produceren met een minimale breedte van ongeveer 170 nm. De prestaties van TP-EO in termen van snelheid en resolutie zijn beter dan die van andere bestaande kationische fotoresists.

Om de potentiële toepassingen van de TP-EO-hars aan te tonen, hebben de onderzoekers met succes een topologische vloeibare diode met kenmerken op nanoschaal gefabriceerd.

Professor Kuang zegt: “Een dergelijke hoogwaardige TP-EO-fotoresist is geschikt voor de schaalbare fabricage van complexe architecturen voor verschillende toepassingen, zoals optische roosters, diffractie-elementen, micro-elektromechanische systemen, microfluïdische apparaten en weefselmanipulatiesteigers.”