基于表面等離子干涉原理的周期減小光刻技術(shù)研究.pdf

1、隨著微納米加工技術(shù)和納米光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，加工周期性光學(xué)結(jié)構(gòu)的方法在向著高精度、高分辨率和低成本的方向發(fā)展。其中，基于表面等離子干涉原理的微納米加工技術(shù)發(fā)展迅速，擁有很大的應(yīng)用潛力。運(yùn)用該原理實(shí)現(xiàn)大面積、高深度、周期減小的光刻技術(shù)和加工工藝意義重大，是制造納米級(jí)特征尺寸光學(xué)元件領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
　　本課題“基于表面等離子干涉原理的周期減小光刻技術(shù)研究”，對(duì)該技術(shù)領(lǐng)域存在的主要技術(shù)問題與科學(xué)問題進(jìn)行了深入地理論分析、仿真模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)

2、證。主要完成的工作如下：
　　1.針對(duì)傳統(tǒng)等離子干涉光刻時(shí)由于入射波與干涉波的重疊，無法實(shí)現(xiàn)周期減小光刻的問題，設(shè)計(jì)了一種基于雙曲線超材料結(jié)構(gòu)與表面等離子干涉效應(yīng)的光刻方法。該方法利用雙曲線超材料結(jié)構(gòu)對(duì)透過光柵掩膜板的波段進(jìn)行頻率選擇，屏蔽掉入射波對(duì)光刻圖案的影響，從而實(shí)現(xiàn)周期減小光刻。根據(jù)該方法，設(shè)計(jì)含有鋁-氧化鋁雙曲線超材料結(jié)構(gòu)和700nm周期鋁光柵的掩膜板，搭建曝光平臺(tái)。利用405nm波長的UV激光光源對(duì)涂覆在彈性基底上的光

3、刻膠進(jìn)行曝光，得到了周期350nm（掩膜板周期1/2）、線寬100nm、區(qū)域面積15mm×15mm的均勻光柵圖案。實(shí)驗(yàn)表明：使用該結(jié)構(gòu)進(jìn)行光刻不需要EUV光源和減震平臺(tái)，利用普通UV光源就可以制作大面積的亞波長周期的光柵。
　　2.為了提高基于等離子干涉原理的周期減小光刻的生產(chǎn)效率，優(yōu)化超材料結(jié)構(gòu)，提出了一種用近零折射率（ENZ）超材料多層膜結(jié)構(gòu)與表面等離子干涉相結(jié)合的方法。通過對(duì)金屬-非金屬構(gòu)成的多層膜在UV波段產(chǎn)生ENZ超材料

4、特性和等離子干涉波在ENZ超材料中的傳播進(jìn)行分析，提出針對(duì)不同曝光波長和光柵掩膜周期實(shí)現(xiàn)周期減小光刻的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；設(shè)計(jì)了SPP干涉激發(fā)結(jié)構(gòu)，通過有限元仿真，分析了隔離層的厚度對(duì)干涉波的共振強(qiáng)度和波長的影響；計(jì)算得到掩膜板光柵周期與SPP干涉波周期的匹配條件，利用該方法可以實(shí)現(xiàn)1/n倍（n為偶數(shù)）掩膜板光柵周期的周期減小光刻；對(duì)多層膜擁有超材料特性所需層數(shù)的極限條件進(jìn)行分析；計(jì)算入射光激發(fā)的表面等離子干涉波在垂直方向的波矢，根據(jù)波矢調(diào)節(jié)

5、ENZ多層膜結(jié)構(gòu)的透射波段實(shí)現(xiàn)頻率選擇；對(duì)構(gòu)成ENZ雙曲線超材料的條件進(jìn)行了分析，給出了適合光刻結(jié)構(gòu)的多層膜材料組合；對(duì)220nm周期的鋁光柵掩膜和405nm波長的UV光源，通過建立的優(yōu)化理論設(shè)計(jì)光刻結(jié)構(gòu)，得到周期為掩膜板周期1/2（110nm）的光柵圖案。
　　3.設(shè)計(jì)了一種可以在高空間頻率下得到超大曝光深度圖案的等離子光刻方法，克服了傳統(tǒng)等離子光刻中，由于表面等離子波離開金屬表面后成指數(shù)衰減所導(dǎo)致的光刻圖案淺的缺點(diǎn)。該結(jié)構(gòu)利用

6、了光柵的一階衍射、表面等離子干涉和多層波導(dǎo)疊加的復(fù)合作用：利用空間頻率選擇原理設(shè)計(jì)光柵和多層波導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)帶通濾波的功能，只將金屬光柵激發(fā)的一階衍射光引入波導(dǎo)中，并在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生諧振，使原本傳播距離很短的倏逝波增強(qiáng)為傳遞波，實(shí)現(xiàn)周期減小的超大曝光深度光刻。由于受到一階衍射光的限制，該方法只能產(chǎn)生1/2掩膜板周期的圖案。使用周期為245nm的鋁光柵掩膜板進(jìn)行光刻實(shí)驗(yàn)，曝光顯影后得到了周期122.5nm（掩膜板周期的1/2）、線寬55nm