专利名称：基于表面等离子体共振腔的超深亚波长可调谐纳米光刻结构与方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米量级器件的光刻制作方法，具体涉及一种基于表面等离子体 效应的纳米光刻方法。
背景技术：
随着纳米科技的快速发展，纳米量级器件的制作显得异常重要。光蚀刻微影法由 于其易于复制、制作成本低以及适合大区域的制作等优点而被广泛应用。但是该光刻技术 的加工尺寸受到光学衍射极限的限制，很难突破半波长量级的分辨率。目前提高分辨率的 一种主要方法是使用更短波长的光源，如极紫外光源(EUV)、软X光、原子束，但是短波长的 光学曝光光源难于制作，使用寿命短，配套的透镜材料和掩模版难以选择，同时相应匹配的 光阻剂(光刻胶)的开发困难，导致这些方法的成本高，工艺方法复杂，进一步提高分辨率的 能力受到制约。文献Luo, X. ； Ishihara, T. Opt. Exp. 2004，12，3058.中公开了一种基于 金属和电解质表面等离子体(SPPs)效应的新型光刻方法，设置一层金属薄膜层，在金属薄 膜层上设有远小于入射光波长的狭缝，形成金属光栅层，由此在金属光栅层与光刻胶之间 产生了基于金属和电解质的表面等离子体(SPPs)效应，由于在相同光频率下，SPP的波矢 比普通光源大很多，这就出现了“可见光频率，X光量级的波长”，利用该表面等离子体的光 刻法所得到的分辨率比传统的衍射极限大很多。如入射光波长为436nm，采用一维银光栅， 光栅周期为300nm，可以得到周期为IOOnm的条纹；入射波长为365nm，二维Ag光栅周期为 200nm，可以得到周期为IOOnm的点阵。文献中也公开了类似的方法。采用上述方法可以实现较高分辨率的光刻，但是，在入射光波长确定后，改变光刻 胶厚度对刻蚀光栅周期没有影响，改变金属光栅的厚度对光栅周期的影响也很小，因此，用 该方法进行刻蚀时，所刻蚀的光栅的周期可调范围小，即刻蚀条纹的分辨率几乎不可调。一 个金属光栅模板只能产生一个固定周期的光栅结构。因此，如何克服现有技术在分辨率、可调谐性及曝光深度方面的局限性，是纳米器 件制作中需要解决的一个问题。
发明内容
本发明目的是提供一种基于表面等离子体效应的超深亚波长纳米光刻方法，所产 生的纳米光栅分辨率高于现有传统表面等离子技术，同时，刻蚀纳米光栅的分辨率可以方 便地调节；本发明同时提供一种实现上述方法的结构。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是一种基于表面等离子体效应的超深 亚波长纳米光刻结构，所述光刻结构依次包括透明的上基底层、金属光栅层、光刻胶层和下 基底层，在所述光刻胶层和下基底层之间设置有金属薄膜层，所述金属光栅层、光刻胶层和 金属薄膜层一起构成表面等离子体的共振腔结构。
上述技术方案中，所述金属光栅层的周期不超过3000nm，厚度为不超过500nm。金 属光栅周期越大，越容易制作；但如果光栅周期过大，则相邻两缝中央处的条纹强度比靠近 两缝处的条纹强度低，不利于在光刻胶中形成强度均勻的条纹。所述光刻胶层的厚度不超过80nm。光刻胶层的厚度决定了上金属光栅层/光刻胶 层界面发生的表面等离子体效应与下金属层/光刻胶层界面发生的表面等离子体效应进 行有效耦合的厚度，如果光刻胶太厚，两者就不能有效耦合。所述金属薄膜层的厚度不小于5nm。如金属膜厚度太薄，下金属层/光刻胶层界面 发生的表面等离子体效应太弱，以至于上金属光栅层/光刻胶层界面发生的表面等离子体 效应与下金属层/光刻胶层界面发生的表面等离子体效应没有共振耦合。一种基于表面等离子体效应的超深亚波长纳米光刻方法，采用上述的光刻结构进 行光刻，入射光通过上基底层和金属光栅层后，在光刻胶层上曝光，获得光刻图像。由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点1.本发明的共振腔由金属光栅、光刻胶层、金属薄膜层组成，所产生的纳米条纹分辨率 高于现有传统表面等离子体技术，同时可以通过调节光刻胶的厚度来改变条纹的分辨率， 突破了传统利用表面等离子体光刻技术在分辨率、调谐性以及曝光深度方面的局限性。2.本发明的结构器件由五层结构组成，所产生的光刻条纹的分辨率相比于传统 基于表面等离子体效应光刻法提高了很多，在模拟过程中利用436nm波长的激光，周期为 600nm的金属光栅，可以得到最小条纹宽度为16. 5nm的条纹，而在以往此尺寸的条纹需要 利用193nm入射光照射几十层金属-非金属介质的多层结构才能够得到；该结构器件可通 过改变光刻胶的厚度来调节分辨率，也即利用一个金属光栅模板可制作不同周期的纳米结 构光栅，而现有传统的技术只能靠改变金属光栅模板来改变条纹分辨率；而且该结构可以 得到更加均勻，更好可见度以及更深的曝光深度的干涉条纹，相比于固定的金属光栅，该新 颖的基于表面等离子体共振腔的超深亚波长纳米光刻技术对可调谐、超深曝光深度、大区 域以及任意形状的二维光刻开辟了新的道路。
图1是本发明实施例一的结构示意图。图2是实施例一的电场分布图。图3是传统的表面等离子极元(SPP)光刻法(即无SPP共振腔)的电场分布图。图4是本实施例的表面等离子体共振腔(SPReC)结构对于不同光刻胶厚度的电场 分布对比示意图。图5是有无SPP共振腔时SPP波矢和入射波波长之间的色散关系对比图。图6是在不同光刻胶厚度时SPP波矢和入射光的色散关系比较图。图7是条纹周期和光刻胶厚度关系的理论结果和模拟结果比较图。图8是不同厚度的金属光栅SPP波矢与入射光的色散关系比较图。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述实施例一参见图1所示，为本实施例的超深亚波长纳米光刻结构示意图，SPP共振腔由三部分组成。由上而下为=SiO2构成的上基底层、金属光栅层、光刻胶层、金属薄膜层、 SiO2构成的下基底层，上面的金属光栅层以及下面的金属薄膜层都采用材料银(Ag)制备， 入射P偏振光由上而下垂直射入，波长为436nm，SiO2和光刻胶的折射率分别为1. 5和1. 7， Ag的介电常数为-6.489 + 0.064i，对上述结构进行模拟实验，在模拟过程中Y方向 被认为是无限长的，模拟所采用的软件为FDTD Solutions。图2和图3所示分别为本实施例设计的SPReC以及传统的SPP光刻法(即无SPP 共振腔)的电场分布图。在图2中，金属光栅的周期和厚度分别为600nm和50nm，光栅缝宽 度为60nm，光刻胶的厚度为50nm，下面的金属薄膜层的厚度为50nm ；图3中没有金属薄膜 层，其它结构相同。入射波长为436nm。从图2和图3中可以看出，两种方法在光刻胶中所 得的纳米条纹在分辨率以及曝光深度都有所不同，在图2中SPReC结构光刻胶中有8条干 涉条纹，而在图3中传统的SPP光刻中只有6条干涉条纹，而且可以看到SPReC中光刻胶中 的曝光深度也比传统的光刻要深很多。图4表示的是本实施例的SPReC结构对于不同光刻胶厚度的电场分布对比示意 图，Ag光栅的周期和厚度分别为600nm和50nm，光栅缝的宽度为60nm，Ag层厚度为50nm，图 3中的(a)、(b)、(c)、(d)区域分别对应于光刻胶的厚度为50nm,30nm,20nmU0nmo随着光 刻胶厚度的减小，两个相邻缝之间的光刻胶中的条纹数逐渐增多，从(a)中8条依次增加到 (b)中的10条，(c)中的12条以及(d)中的16条，可以看出这种简单的结构对于产生条纹 曝光深度以及分辨率的提高都有极大的好处。利用SPReC，入射光为436nm，当光刻胶的厚 度为lOnm，条纹的分辨率可以提高到16. 5nm,相当于传统SPP光刻法分辨率的3倍，而此分 辨率在以往的光刻方需利用193nm光通过30对金属一电解质的多层结构才能达到。所以， 这种结构所产生的条纹的分辨率可以直接通过改变光刻胶的厚度来进行调节，而不需要改 变金属光栅的周期，厚度等，这就克服了传统SPP光刻法仅仅只能通过改变金属光栅模板 来改变条纹的分辨率的局限，而且通过改变光刻胶厚度调节条纹分辨率范围要比改变金属 光栅带来的范围要宽得多。本实施例的STOeC相比于传统SPP光刻法分辨率大得多的原因可以通过多层结构 的色散关系进行解释。如图1所示，SPPeC由五部分组成，由上而下分别是电解质1 (介电 常数为ε》，金属光栅(介电常数为ε2，厚度为4)，光刻胶(介电常数为￡3，厚度为(13)，金 属薄膜层(介电常数为￡4，厚度为(14)，电解质2 (介电常数为ε 5)，本文中金属光栅层和金 属薄膜层材料均为金属Ag，电解质1、2均为SiO2，在入射光为P偏振光条件下，在各个介质 分界面上应用电磁场边界条件(电场向分量连续，磁场法向分量连续)，SPReC结构的色散关 系如下
权利要求
1.一种基于表面等离子体效应的超深亚波长纳米光刻结构，所述光刻结构依次包括 透明的上基底层、金属光栅层、光刻胶层和下基底层，其特征在于在所述光刻胶层和下基 底层之间设置有金属薄膜层，所述金属光栅层、光刻胶层和金属薄膜层一起构成表面等离 子体的共振腔结构。
2.根据权利要求1所述的基于表面等离子体效应的超深亚波长纳米光刻结构，其特 征在于所述金属光栅层的周期不超过3000nm，厚度不超过500nm。
3.根据权利要求1所述的基于表面等离子体效应的超深亚波长纳米光刻结构，其特 征在于所述光刻胶层的厚度不超过80nm。
4.根据权利要求1所述的基于表面等离子体效应的超深亚波长纳米光刻结构，其特 征在于所述金属薄膜层的厚度不小于5nm。
5.一种基于表面等离子体效应的超深亚波长纳米光刻方法，其特征在于采用权利要 求1所述的光刻结构进行光刻，入射光通过上基底层和金属光栅层后，在光刻胶层上曝光， 获得光刻图像。
全文摘要
本发明公开了一种基于表面等离子体共振腔的超深亚波长纳米光刻结构，所述光刻结构依次包括透明的上基底层、金属光栅层、光刻胶层和下基底层，其特征在于在所述光刻胶层和下基底层之间设置有金属薄膜层，所述金属光栅层、光刻胶层和金属薄膜层一起构成表面等离子体的共振腔结构。本发明可以通过调节光刻胶的厚度来改变条纹的分辨率，突破了传统利用表面等离子体光刻技术在分辨率、调谐性以及曝光深度方面的局限性，为可调谐、超深曝光深度、大区域以及任意形状的二维光刻开辟了新的道路。
文档编号G03F7/00GK102053491SQ201010585229
公开日2011年5月11日 申请日期2010年12月13日 优先权日2010年12月13日
发明者曹冰, 王钦华, 葛伟豪 申请人:苏州大学