DOI:10.1021/acsami.0c01314
光刻技術在推動制造業以及半導體行業發展方面發揮著關鍵作用。但是，當前可用的最新光刻方法仍然需要使用昂貴的工具和設備。在此，研究者提出了一種新型基于電磁相位調制的紫外光刻方法，該方法使用高雙折射電紡纖維來克服這些局限性。光學雙折射效應與使用近場靜電紡絲以可編程形式圖案化的半結晶聚環氧乙烷（PEO）-聚乙二醇（PEG）聚合微纖維相結合，其通過光學各向異性介質時，入射紫外電磁場的相位被延遲。通過將掩模放置在彼此垂直的兩個線性偏振器之間，只有通過纖維的紫外波才能被選擇性地用于顯示光刻特性。因此，光致抗蝕劑（PR）表面上的紫外強度遵循纖維圖案的形狀，從而可以精確地控制光致抗蝕劑的圖案。實現了光刻的零到二維關鍵特征，包括直線、彎曲、陣列和孤立的圖案。成功演示了無需使用專用對準標記的簡易光學對準及其各種應用，包括柔性基板上的微型到大型蛇形、樹形和天線電路圖。所提出的方法以桌面大小的規格進行包裝，通過利用聚合物的直接寫入能力、可調諧光學功能、可伸縮性和簡單的光學對準方法，有望提供一種實用且價格合理的光刻解決方案。
圖1.纖維光刻原理。（a）紫外電磁波傳播的示意圖；隨機取向的紫外電磁波通過偏振器＃1過濾；穿過光學各向異性纖維的偏振線性波被轉換成旋轉波。該波再次被2號偏振器偏振；線性波光刻曝光，作為纖維書寫的復制品；第二個偏振片（電荷耦合器件（CCD）視圖中的暗區）阻擋了未遇到纖維的電磁波。（b）波的電場和磁場之間的相對延遲（δ）將線性波轉換為旋轉波，該旋轉波與纖維的雙折射（Δn）和厚度（tfiber）成比例。（c）近場靜電紡絲（NFES）產生各種可編程的直接寫入纖維圖案。可提供多種纖維圖案，包括0-D到2-D形狀。使用聚乙二醇化的側鏈分子組裝策略增強了纖維的半結晶各向異性，從而改善了纖維光刻的對比度和分辨率。
圖2.使用近場電紡模式產生紫外線。（a）直寫近場靜電紡絲示意圖。微纖維圖案是在各向同性的透明蓋玻片上創建的。纖維被彈出，其中分布著最強的電場。由偏置電壓控制的電場可以有效地調節纖維的尺寸。機動化移動平臺按程序路徑運行。（b）半圓柱形纖維落在蓋玻片上，當溶劑蒸發時提供牢固的附著。（c）掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示表面不規則排列的皺紋和橫截面中不均勻拉伸的結構。（d）制備的纖維圖案。亮區表示UV發生光學延遲的位置。（e）桌面規模的定制光刻系統。（f）通過近場電紡纖維的各種暴露。（g）PEO-PEG共軛策略稱為PEG化，表現出較強的光刻曝光性。
圖3.紫外波前分析。（a）纖維的圓柱輪廓形成圓柱波陣面，并以橙色點標記為曲線。通過數字圖像處理量化的測量傳輸與計算結果吻合。（b）纖維的寬度和厚度隨電場的增加而增加，而電場又隨施加電壓的變化而變化。子集光學圖像直接反映了纖維的相對延遲能力，表明纖維越大，延遲曝光越高。（c）在0.5-1.3 W的施加功率下，實際輻照度約為0.2-1.3%。增加輸入功率會增加輻照度，為測定合適的能量密度提供了預測工具。（d-f）波陣面和坡度的分析。通過圖像處理定量比較各種尺寸的纖維和入射強度。波側的斜率在較粗的纖維和更強的入射強度中更加突出，這意味著可以在光刻中獲得更好的對比度。（g）將強度與位于0、45和90°的纖維進行比較。纖維方向無差異。（h，i）由于UV熱能的作用，分子相變會降低延遲，并且可以通過散熱來維持。
圖4.使用一維纖維進行的零至二維光刻。（a）只有穿過纖維的紫外線才能到達目標PR平面。（b）通過各種一維線曝光和顯影獲得的圖案化的p型旋涂PR的顯微圖像。（c）PR的激光掃描輪廓。刻蝕谷下硅片的平坦表面表明纖維光刻技術的有效性。（d，e）堆疊的纖維比單根纖維產生更高的紫外點強度。利用點曝光、顯影和剝離技術創建了一個10×10 Cr/Au點陣列。（f）強度分析驗證了有效的尖峰波陣面。（g）通過光的相長干涉制備的使用一維纖維光刻的二維特征。（h）當纖維平行放置時，會由于相鄰的紫外波重疊而產生相長干涉，從而導致纖維之間的有效紫外強度高。（i）隨著輸入功率的增加，構造強度也相應增加。（j）放大技術在密集排列的纖維中生成孤立的二維圖案。（k）制備了間隙減小的方形螺旋結構。隨著輸入功率的增加，正方形的強度比單根纖維尾部的強度增加更多，從而產生了正常蝕刻的正方形和蝕刻不足的尾部。制備了一個獨立的Cr/Au島。（l）密集排列的纖維的波前強度要大于單纖維的波前強度。
圖5.沒有對齊標記的多層。（a）僅通過旋轉偏振片進行對準而沒有對準標記。僅涉及纖維掩模和目標圖案。（b）用于俄羅斯方塊演示的不帶對準標記的多重對準圖案序列。首先，通過剝離工藝將L形纖維圖案化。接下來，在按需位置的兩個偏振片之間插入第二個T形纖維。然后，當頂部偏振器以除90°以外的任何角度旋轉時，基板上的現有圖案將變得不可見。紫外延遲曝光可在PR上完成圖案化。（c）第一圖案、操縱桿和按鈕是通過單步紡絲和Cr/Au沉積制成的。（d）通過隔離曝光和Ti/Cu沉積來制造L形四格方塊。（e）通過使用第三個T形纖維證明了多重對準。結果，在沒有對齊標記的情況下，兩個四格方塊被對準在一起。圖案中的每種顏色代表不同的層。比例尺為2毫米。（f，g）按需Cr/Au電極的實際制備情況。
圖6.各種基板上的可擴展電路。在不同的基底上制備了高導電性的金電路，并將其作為潛在的用戶場景融入電子應用中。（a）大規模印刷電路板。具有相長干涉和無痕對準的纖維光刻技術會產生跡線和焊盤。所有的甜甜圈纖維都在一個紡絲步驟中制備。曝光后，軌道在PR上形成了完全蝕刻的環，而橋也未充分蝕刻。（b）在聚酰亞胺纖維膜上構圖的半徑為500μm的可拉伸微蛇形電路。（c）在聚酰亞胺帶上制備了微螺旋天線。（d）易彎曲的透明塑料基板上的大型樹形電極。子集圖像顯示了LED的集成，并且在彎曲薄膜時測試了開/關。比例尺為1毫米。
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