专利名称：一种光栅辅助纳米成像的光刻方法
技术领域：
本发明属于超分辨显微成像及光刻领域，涉及ー种利用光学成像镜头组对光场分布投影，利用光栅实现对传输波向倏逝波转化的超分辨成像光刻方法。
背景技术：
随着半导体器件不断小型化的需求，实现纳米尺度的成像光刻已成为信息科学发展的瓶颈。近年来，一种基于人工电磁材料的超分辨成像器件hyperlens被提出，该器件能够实现对倏逝波的传输，从而获得超分辨成像光刻。然而这种器件存在诸多应用问题首先，该器件受限于近场成像，物和像的位置处于近场关系，难以在实际中应用；其次，受限于损耗，这种器件的尺寸在Ium以下，其视场很小，难以应用于大面积图形的光刻；不仅如此，该器件由于涉及复杂的纳米结构，难以加工，损耗以及加工精度的误差都会大幅度降低分 辨力。基于以上原因，一种物像位置处于远场关系，且视场较大，结构简单易于加工的光学成像系统的发明迫在眉睫。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服常规超衍射成像光刻器件物像位置近场限制、视场小、加工困难等缺点，提出利用物方光栅和像方光栅实现传输波与倏逝波之间的转化，利用光学成像镜头组实现对光场分布投影成像光刻方法。照明光从物方光栅ー侧照明，由干物像位置为远场关系，且由于视场仅取决于光学成像镜头组的大小，从而将视场拓展到与传统成像光学系统视场相当的尺寸。不仅如此，该成像光刻系统结构简单，易于加工，且避免了损耗对器件尺寸的限制。本发明解决其技术问题所采用的技术方案为一种光栅辅助纳米成像的光刻方法，在纳米物体或纳米图形掩模下方放置一个用于频谱转换的物方光栅；在物方光栅下安装ー个对光场分布投影成像的光学成像镜头组；在光学成像镜头组下方放置ー个用于频谱转换的像方光柵；所述的物方光栅和所述的像方光栅分别放置在所述的光学成像镜头组的物面和像面处；像方光栅下为像方区域；从而纳米物体或纳米图形掩模与对应的像方区域的成像分别位于物方光栅和像方光栅的远离光学成像镜头组的ー侧，分别对应干物方区域和像方区域，波长为、的照明光从物方区域照射；所述的照明光为偏振光；纳米物体或纳米图形掩模的透射光场与光学成像镜头组之间利用物方光栅进行空间频谱信息转换；在纳米像场和光学成像镜头组之间则利用像方光栅进行空间频谱信息转换；物方光栅周期为‘=4+4=2 JI /kg0=2 JI XM/kgi ;像方光栅周期为dd_=d3+d4=2 n /kgi，其中M为光学成像镜头组的放大倍率；kgi为像方光栅所对应倒格矢，且满足关系NAXkQ+kgi = nXk0 ；kg0为物方光栅所对应倒格矢；NA为光学成像镜头组的数值孔径九为照明光的真空波矢k0=2 / A ；n为物方区域和像方区域材料折射率；纳米物体或纳米图形掩模与物方光栅之间的距离满足A1GtjXtan(NAzT^kgiAkciXM));纳米像场与像方光栅之间的距离满足h4〈SiX tan(NA+kgi/k0)，其中S。和Si分别为物方光栅和像方光栅视场；所述的光学成像镜头组为Otl面和Itl面之间实现光场复函数共轭成像关系的光学成像系统；纳米物体或纳米图形掩模包含有传输波信息和倏逝波信息，倏逝波信息可通过物方光栅衍射后转化为传输波信息并进入物方光栅和光学成像镜头组之间的空气区域，通过光学成像镜头组对光场分布投影后，传输到像方光栅，传输波通过像方光栅衍射后又转化为高频倏逝波，最后在像方区域成像。其中,物方光栅和像方光栅为同一材料，可为金属光栅，或者介质光栅。其中，所述照明光可以为红外光、可见光、或紫外光；其偏振可以为线偏振、自然偏振、椭圆偏振和圆偏振。本发明与现有技术相比具有以下优点①、本发明中物和像的位置关系很灵活，物像之间距离可为远场关系，从而便于实现。②、本发明中成像视场取决于物方光栅和像方光栅之间的光学成像镜头组的尺 寸，从而将视场拓展到与传统成像光学系统视场相当的尺寸。③、本发明结构简单，加工难度低，易于实现，且整个系统中避免了金属带来的损耗问题，从而最大程度提高分辨力，为高分辨成像光刻技术提供了ー种新型、有效的方法。
图I是本发明所述的ー种光栅辅助纳米成像及光刻装置的结构示意图；图中1是纳米物体或纳米图形掩模；2是物方区域；3是组成物方光栅的金属或介质材料；4是光学成像镜头组；5是组成像方光栅的金属或介质材料；6是像方区域；7是纳米物体或纳米图形掩模在像方区域的成像；图2是实施例中数值模拟得到的双远心4f成像光学系统以及系统中的电场分布IeI2示意图；图3是实施例中数值模拟得到的像方光栅下2um处电场在水平方向分布的剖面线。
具体实施例方式下面结合附图及具体实施方式
对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。一种光栅辅助纳米成像的光刻方法，其使用的成像装置包括光学成像镜头组；位于光学成像镜头组两侧的物方光栅和像方光栅；用于对光场分布投影成像的光学镜头组。在纳米物体或纳米图形掩模下方制备ー个用于频谱转换的物方光栅；在物方光栅下安装ー个对光场分布投影成像的光学成像镜头组；在光学成像镜头组下方制备ー个用于频谱转换的像方光柵；像方光栅下为像方区域。波长为入的照明光从物方光栅ー侧照明。纳米物体或纳米图形掩模的透射光场与光学成像镜头组之间利用物方光栅进行空间频谱信息转换；在纳米像场和光学成像镜头组之间则利用像方光栅进行空间频谱信息转换。该方法能够提高成像系统分辨力。所述物方光栅的周期为‘=4+4=2 JI /kg0=2 JI XM/kgi ;像方光栅周期为dd_=d3+d4=2 31 /kgi。其中M为光学成像镜头组的放大倍率；kgi为像方光栅所对应倒格矢，且满足关系NAXkQ+kgi = nXkQ ;kg。为物方光栅所对应倒格矢；NA为光学成像镜头组的数值孔径为照明光的真空波矢1^=2 Ji/A ；n为物方区域和像方区域材料折射率。所述纳米物体或纳米图形掩模与物方光栅之间的距离满足=Ii1GtjX tan (NA/M+kgi/(k0XM));纳米像场与像方光栅之间的距离满足^〈SiXtar^NA+kgi/k。)。其中S。和Si分别为物方光栅和像方光栅视场。所述光学成像镜头组为Otl面和Itl面之间实 现光场复函数共轭成像关系的光学成像系统，该系统包括但不限于4f光学成像系统。所述物方光栅和像方光栅在水平方向平行。物方光栅和像方光栅为同一材料，可为金属光栅，或者介质光栅。所述照明光可以为红外光、可见光、或紫外光，其偏振可以为线偏振、自然偏振、椭圆偏振和圆偏振。纳米物体或纳米图形掩模包含有传输波信息和倏逝波信息，倏逝波信息可通过物方光栅衍射后转化为传输波信息并进入物方光栅和光学成像镜头组之间的空气区域，通过光学成像镜头组对光场分布投影后，传输到像方光柵。传输波通过像方光栅衍射后又转化为高频倏逝波，最后在像方区域成像。本发明实施例的具体步骤如下步骤(I)、选择纳米物体为5根2nm宽的线光源，5根线光源与物方光栅之间的距离为1^=211111,5根线光源排列周期为80nm ；步骤(2)、选择5根线光源工作波长入为365nm，TE偏振光照射；步骤(3)、选择光学成像镜头组与物方光栅之间的距离为h2=400nm ;光学成像透镜组与像方光栅之间的距离为h3=400nm ；步骤(4)、选择物方区域和像方区域材料为SiC，其介电常数为8. 2369 ；步骤(5)、选择物方光栅和像方光栅为介质光栅，其组成材料为SiC，其介电常数为 8.2369 ；步骤(6)、选择物方光栅和像方光栅的厚度均为I1=I2=SOnm;步骤(7)、选择组成物方光栅和像方光栅介质材料的宽度均为d2=d3=110nm ；步骤(8)、选择组成物方光栅和像方光栅介质材料之间空气间隔均为Cl1=Ci4=IlOnm ；步骤(9)、选择物方光栅和像方光栅之间为空气；步骤(10)、选择光学成像透镜组的放大倍率为M=l。图2是实施例中数值模拟得到的双远心4f成像光学系统以及系统中的电场分布IeI2示意图，可以清楚看到，在成像区域得到了 5个亮斑的成像。图3是实施例中数值模拟得到的像方光栅下2um处电场在水平方向分布的剖面线，从结果可看到，纳米像场的周期为80nm，和物体周期相同，且分辨カ达到40nm。以上所述，仅为本发明中的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内的局部修改或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。
权利要求
1.一种光栅辅助纳米成像的光刻方法，其特征在于在纳米物体或纳米图形掩模下方放置一个用于频谱转换的物方光栅；在物方光栅下安装一个对光场分布投影成像的光学成像镜头组；在光学成像镜头组下方放置一个用于频谱转换的像方光栅；所述的物方光栅和所述的像方光栅分别放置在所述的光学成像镜头组的物面和像面处；像方光栅下为像方区域；从而纳米物体或纳米图形掩模与对应的像方区域的成像分别位于物方光栅和像方光栅的远离光学成像镜头组的一侧，分别对应于物方区域和像方区域，波长为λ的照明光从物方区域照射；所述的照明光为偏振光；纳米物体或纳米图形掩模的透射光场与光学成像镜头组之间利用物方光栅进行空间频谱信息转换；在纳米像场和光学成像镜头组之间则利用像方光栅进行空间频谱信息转换；物方光栅周期为(^=4+4=2 π /kg0=2 π XM/kgi ;像方光栅周期为ddOTn=d3+d4=2 3i /kgi，其中M为光学成像镜头组的放大倍率；kgi为像方光栅所对应倒格矢，且满足关系NAXkQ+kgi = nXk0 ；kg0为物方光栅所对应倒格矢；NA为光学成像镜头组的数值孔径Aci为照明光的真空波矢1^=2 / λ ;n为物方区域和像方区域材料折射率；纳米物体或纳米图形掩模与物方光栅之间的距离满足^〈S。X tan (NA/M+kgi/ (k0XM));纳米像场与像方光栅之间的距离满足AfSi X tan (NA+kgi/k0)，其中S。和Si分别为物方光栅和像方光栅视场；所述的光学成像镜头组为Otl面和Itl面之间实现光场复函数共轭成像关系的光学成像系统；纳米物体或纳米图形掩模包含有传输波信息和倏逝波信息，倏逝波信息可通过物方光栅衍射后转化为传输波信息并进入物方光栅和光学成像镜头组之间的空气区域，通过光学成像镜头组对光场分布投影后，传输到像方光栅，传输波通过像方光栅衍射后又转化为高频倏逝波，最后在像方区域成像。
2.根据权利要求I所述的光栅辅助纳米成像的光刻方法，其特征在于物方光栅和像方光栅为同一材料，可为金属光栅，或者介质光栅。
3.根据权利要求I所述的光栅辅助纳米成像的光刻方法，其特征在于所述照明光可以为红外光、可见光、或紫外光；其偏振可以为线偏振、自然偏振、椭圆偏振和圆偏振。
全文摘要
本发明提供一种光栅辅助纳米成像的光刻方法，纳米物体或纳米图形掩模位于物方区域，在纳米物体或纳米图形掩模前放置一物方光栅，该光栅作用在于将高频倏逝波转化为传输波；在物方光栅外的远场区域放置一光学成像镜头组，利用该镜头组实现对光场分布投影成像。在光学成像镜头组另一侧放置一像方光栅，将传输波转化为高频倏逝波，最后在像方光栅下的成像区域成像。本发明利用两个光栅对传输波和倏逝波进行转化，同时利用光学成像镜头组实现对光场分布投影成像，得到了亚波长尺度的成像，突破了常规超衍射材料近场限制，物像空间位置关系可处于远场范围，且视场不受限于超衍射材料的损耗、加工困难等因素，拓展到与传统成像光学系统视场相当的尺寸。
文档编号G02B5/18GK102866594SQ20121036597
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月27日 优先权日2012年9月27日
发明者罗先刚, 王长涛, 赵泽宇, 王彦钦, 黄成 , 陶兴, 刘玲, 杨磊磊, 蒲明薄, 杨欢 申请人:中国科学院光电技术研究所