本发明专利技术提供了一种基于表面等离子体激元（ＳＰＰ）的大面积干涉光刻技术，它是用两宽束光源照射高折射率的介质层，通过衰减全内反射耦合模式激发金属表面的ＳＰＰ，ＳＰＰ之间发生相互干涉，从而在抗蚀剂中形成大面积周期性的纳米图形。由于ＳＰＰ具有近场增强的作用，因此图形具有良好的对比度；与此同时，ＳＰＰ具有波长短的特点，所以能获得非常高的空间分辨率，能实现超衍射极限的纳米线条。相对于传统纳米光刻技术，本发明专利技术技术光刻成本低、可大面积曝光、不需要复杂昂贵的高数值孔径光学成像系统，在极大规模集成电路和新型光、电子纳米结构器件制作上具有广阔的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微纳加工领域，涉及一种用于制作高分辨率周期性纳米图形的光刻技 术。
技术介绍
当前，纳米器件集成与应用技术已成为世界各国尤其是工业发达国家高新技术发 展和研究的主要方向。从2000年以来，美国用于纳米科技研发基金高达60亿美元，欧盟从 2002年到2006年也投入了 13亿欧元来开发纳米技术。纳米技术将成为影响人类未来生活 的三大科技之一。然而，无论是极大规模集成电路，还是新型光、电子纳米结构器件都要求使用高分 辨、高效率、低成本的纳米级加工技术。随着纳米器件尺寸不断缩小，进入到亚波长尺寸，现 有的一些加工技术如投影光刻技术、无掩模光刻技术，纳米压印等各有其优缺点和适用范 围，越来越难以适应新的纳米尺度加工需求。众所周知，投影光刻技术是目前主流的微纳结构加工技术。它是通过缩短曝光波 长和增大成像系统的数值孔径来提高系统的分辨力。自上世纪80年代末以来，通过投影光 刻能实现的光刻线条特征尺寸从2. 5 μ m步入到65nm，投影光刻创造了无数的奇迹。然而， 通过缩短波长来提高分辨力的方法，使得成像系统非常复杂，光刻成本极其昂贵，而且短波 长所对应的光学材料可供选择的范围不大，想进一步提高投影光刻的分辨力遭遇到很大的 挑战。无掩模光刻技术包括电子束直写、离子束曝光、扫描探针光刻等，它们都能获得很 高的分辨率，有的甚至达到原子尺度的分辨率，如探针光刻。但除干涉光刻外都是利用扫描 的方式来加工光刻图案。显而易见，其缺点就是效率低，加工时间周期长，无法大规模生产。纳米压印技术虽然能做到高分辨、低成本的纳米加工，但是它需要在高温高压下 进行，压印过程中的温度和压力都需要一定时间升高或降低，从而降低了压印的加工效率。 此外，该技术还存在多层图形压印对准的问题。众所周知，传统的干涉光刻技术由于其无需掩模加工便能大面积、低成本、快速曝 光，可用于微电子器件、平板显示器件和光子晶体等器件加工。不过，普通的双光束干涉光 刻所能加工的最小特征尺寸大于照明光波长的1/4，对于可见光波段的光子晶体的制作，存 在实际困难。要提高传统干涉光刻的分辨率，以满足全波段的纳米光子器件的加工的要求， 必须采用短波长照明光和浸润技术，而事实上应用新的短波长照明光源尚有许多问题等待 解决。本世纪初，有人采用光照射到亚波长周期结构产生的隐失波实现接触式干涉光刻，以 突破光学分辨率限制。然而理论分析和实验表明，光通过亚波长结构掩模的透射能量小，在 抗蚀剂内的穿透距离短且形成图形的对比度较差，这会导致隐失波干涉光刻过程的曝光效 率低、工艺控制难度大。近年来，国际上表面等离子激元(Surface Plasmon Polaritons，SPP)研究十分活 跃，发展迅速，研究表明其在近场增强方面有独特作用，并可用于高分辨成像和光刻领域。2004年，一些学者提出一种有掩模的SPP干涉实现纳米级图形制作的技术，为解决隐失波 近场光刻曝光场较弱的问题提供了可能性。不过这种方法需要先用其它纳米级光刻工具加 工出周期性金属结构掩模，而有掩模光刻的致命缺陷是对不同的应用需求要加工不同的掩 模图形，应用电子束直写不仅费时而且难以实现大面积纳米图形掩模制作。此外，设计和加 工多种纳米级掩模会导致实验(或产品)的成本大幅上升，这些有着纳米结构的掩模在接 触式曝光过程中容易被污染和损伤，会影响再次光刻图形的质量，造成新的问题。
技术实现思路
本专利技术是为了克服目前基于SPP干涉光刻技术需要掩模的缺点，而提供了 一种无 掩模SPP干涉光刻技术来实现超衍射分辨的纳米图形加工。此技术相对于传统的纳米加工 技术来说结构简单、成本低；相对于隐失波干涉光刻技术来说曝光深度大、对比度高；相对 于有掩模的SPP干涉光刻技术来说，无须制作精细的掩模。其特征是包含以下内容参照图1，是本专利技术光刻技术的工作原理示意图。原理示意结构图分为四层第一 层为高折射率介质层，在介质层的下面涂有薄金属层，第三层是抗蚀剂，最后一层是基底。当两束的TM光以一个特殊角度对称入射到高折射率介质层与金属的界面上时， 若满足光与SPP的动量匹配条件(入射光的波矢在水平方向上的分量kx必须和金属表面 SPP的波矢kSP相等)，金属上下表面的等离子体将发生共振。动量匹配条件为kx = k0 np sin θ sp = kSP(1)其中，np为介质层的折射率，θ sp为光波在平板介质下表面的入射角，对应共振的 θ sp也称为共振角。共振时入射光能量将绝大部分传输到下表面，每束TM光将在金属下表面激发 SPP, SPP的色散关系由下式决定，kSP = k01/2(2)其中，kSP为SPP的波矢Λ为入射光在自由空间中的波矢。ε d为光刻胶的介电常 数。ε m为金属在入射光频率下的复介电常数，是一个与频率相关的物理量，常按Drude模 型来处理，计算式为ε m = 1-ωρ2/(ω2+ ω y)(3)这里ω为入射光角频率；、为自由电子的撞击频率，等于驰豫时间的倒数；0^为 表面等离子体的共振频率。由于两束对称光覆盖整个介质层，将在金属下表面将激发多个相应的SPP波，它 们之间发生干涉，引起光场重新排列。由于表面等离子体具有近场增强的能力，在抗蚀剂中 形成穿透深度大的周期性干涉条纹。干涉条纹的周期由下式确定Λ = λ sp/2 = π /kSP = π/kx = λ /2 (np sin θ sp)(4)线条的特征尺寸为R= Λ/2 = λ sp/4 = π /(2kSP) = π/kx = λ /4(ηρ sin θ sp) (5)从(4)或(5)式可以看出，图形分辨率与入射波长、介质层的折射率和共振角，以 此来估算需要制作的纳米图形的分辨率。在入射波长固定时，介质层折射率与共振角正弦 的乘积变化不明显，因此若要获得更高的图形分辨率，可以通过改变入射波长来实现。本专利技术光刻技术可通过传统的Kretschmarm结构装置来实现，如图2所示。传统 的Kretschmarm结构常用于生化传感领域。在本专利技术光刻技术中，用它来实现SPP的干涉， 在抗蚀剂中形成干涉条纹。在图2中，高折射率介质是等边或等腰直角三角形棱镜，棱镜的 下表面覆着一金属薄层。金属层下面为一层薄光刻胶，最下面一层是基底。光源以一个特 殊的角度入射到棱镜上，棱镜两边各有一束，每束都覆盖满棱镜的半边。由于是棱镜两边都 有光源照射，整个金属下表面都有SPP干涉，因此能实现大面积SPP干涉光刻。实际制作纳米线条时，可先设定好结构参数，由(1)、(2)和(3)式计算出共振角 θ sp，然后通过(4)或(5)式估算纳米线条的尺寸R是否满足需要。若没达到要求，则改变 结构参数和入射波长；若满足，再根据角度之间的关系和光学折射定律确定入射光在棱镜 表面的入射角θ”附图说明图1是本专利技术方法工作原理示意图。图2是本专利技术方法实现装置结构1示意图。该结构中的高折射率介质层是一个等 边三角形，其余与工作原理示意图一样。图3是本专利技术方法实现装臂结构2示意图。该结构中的高折射率介质层是一个等 腰直角三角形。在此结构中，光直接垂直入射到棱镜表面，共振时的入射角就是共振角。图4是本专利技术方法实现装置结构1计算光源入射角的示意图。图5是在入射光源波长为436nm，等边三角形棱镜的折射率为1. 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于ＳＰＰ的大面积干涉光刻技术，通过传统衰减全内反射耦合模式的Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ结构装置来加以实现。两宽束ＴＭ光对称地入射到高射率棱镜的表面，进入到棱镜里面后，满足动量匹配条件下，在金属下表面产生ＳＰＰ干涉，形成高分辨率的周期性纳米图形。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：郭小伟，刘永智，于全福，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：90
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