一种单向激发表面等离子体波的纳米共振干涉光刻结构的制作方法

本发明涉及微纳电子器件及半导体领域，具体涉及一种单向激发表面等离子体波的纳米共振干涉光刻结构。

背景技术：

目前，微电子器件及半导体产业的快速发展，对获取高分辨力、高质量纳米图形的光刻技术要求越来越高。由于传统的光学成像和微细加工技术受到衍射极限的限制，利用表面等离子体波（surfaceplasmonwaves,spws）的超衍射特性将为获得亚波长、甚至更小纳米尺寸的结构提供了潜在的技术途径。spws的一种显著特点就是其波长比在同频率下的光波要小很多，同时具有近场增强效应的奇异光学特性，能有力地克服倏逝波弱场的缺点，得到尺寸更小的图形。

高质量的纳米光刻图形，除了高的分辨率，图形均匀性也是检验图形制备质量的重要指标。

文献t.xu;l.fang;b.zeng;y.liu;c.wang;q.feng;x.luo,j.opt.a:pureappl.opt.11,085003(2009)公开了一种单向激发表面等离子体的结构，这种结构是两个相邻纳米狭缝填充不同折射率的介质，调控从狭缝出来的表面波相位，实现表面波的单向激发。利用对称的这种单向激发表面波结构可以实现亚波长干涉光刻，并且具有光强增强效果和提高焦深的优点。但在相邻两个狭缝填充不同介质，在实际操作上有很大难度。

文献x.yang;j.wang;x.h.lim;z.xu;j.teng;d.h.zhang;j.phys.d:appl.phys.50(4),045101(2017)公开了另外一种单向激发表面等离子体波的方法。该方法设计一种金属梯形纳米缝结构，根据某一特定工作波长下选择合适的的金属及其尺寸，实现表面等离子体波的单方向激发。采用这种利用单向激发的表面等离子体波干涉光刻方法，虽然可以实现超分辨纳米光刻图形，但光强依然在图形焦深方向呈指数衰减，图形的均匀性还不够好。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提供一种结构简单、低成本的光刻结构以实现高均匀性的超分辨纳米光刻图形。

一种单向激发表面等离子体波的纳米共振干涉光刻结构：

包括金属薄层、光刻胶层、金属梯形薄层和衬底层，所述的光刻胶层和金属梯形薄层构成了单向激发表面等离子体波的耦合器件，所述金属薄层、光刻胶层和金属梯形薄层共同构成了基于表面等离子体的金属波导共振腔结构；

进一步，金属薄层的材料为cr、au、ag或al，厚度为20nm～100nm。

进一步，光刻胶层厚度为20nm～500nm；光刻胶层的厚度由入射光波长及上下两种金属的材料和厚度所决定。

进一步金属梯形薄层的材料为cr、au、ag或al，厚度为20nm～1000nm。

进一步，衬底层是由石英或者聚对苯二甲酸乙二醇酯组成。

有益效果：

本发明提供的基于单向表面等离子体的高均匀性超分辨干涉光刻结构，金属波导结构有金属薄层、光刻胶层、金属梯形薄层等组成，里面的金属梯形薄层提供单向表面等离子体波激发，生成的纳米图形突破了现有的表面等离子体光刻技术。产生的纳米光刻条纹的均匀性相比于现有一般的基于表面等离子体干涉光刻方法提高很多，该光刻技术可以通过调节金属梯形薄层的材料、厚度h和角度θ来调节纳米图形分辨率和均匀性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是实施例1的光刻结构中激发单向表面波的梯形金属纳米缝厚度h和角度θ关系图；

图3是实施例1中激发单向表面等离子体波的电场强度分布图；

图4是实施例1中无金属薄层时，两个对称的单向激发表面等离子体波的结构，表面等离子体波干涉光刻的电场强度分布图；

图5是实施例1中表面等离子体波共振干涉光刻的电场强度分布图；

图6是实施例1的表面等离子体波共振干涉光刻在光刻胶不同位置处（z=20nm,z=40nm和z=60nm）光刻图形电场强度分布图；

图1中的ε1、ε2、ε3分别代表金属、光刻胶和衬底层材料的介电常数。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述：

一种单向激发表面等离子体波的纳米共振干涉光刻结构，依次包括金属薄层1、光刻胶层2、金属梯形薄层3和衬底层4，所述金属薄层1、光刻胶层2、金属梯形薄层3共同构成了金属波导共振腔；

金属薄层1和金属梯形薄层3均采用金属铝（al），衬底层4采用的材料是sio2。入射tm偏振光由下而上垂直入射，波长为365nm，sio2和光刻胶的折射率分别是1.4745和1.7，al的介电常数是εal=﹣18.2212+3.2263i。对上述光刻结构进行模拟计算，在计算过程中y方向被认为是无限长的，计算所采用的方法为有限时域差分法。

图2是本实施例设计结构中的表面等离子体单向激发耦合器，梯形金属纳米缝厚度h和角度θ关系图。图中颜色代表的是本实施例设计结构中，距梯形金属纳米缝中心左右两侧相同距离位置处电场强度的比值，从图2中可以看出，在365nm的光源下，梯形金属薄层厚度h=338nm、缝宽w=200nm和角度θ=80.5º下，可以预判表面等离子体波几乎全部从金属薄层纳米缝的右侧传播。图3是本实施例设计结构中单向激发表面等离子体波的电场分布，证实了图2的结果。图4是本实施例设计结构中两个对称分布单向激发表面等离子体波的光刻电场强度分布。可以看到，生产的纳米光刻图形的半周期约为50nm，光刻条纹的强度随着入射光传播方向衰减，导致光刻图形的均匀性不是很好。

为了提高光刻图形的均匀性，我们在图4的两个对称分布单向激发表面等离子体波的光刻结构基础上在添加一层金属薄层，构成本实施例的共振干涉波导光刻结构。图5是本实施例单向激发表面等离子体波超分辨共振干涉光刻电场分布。干涉区域间距1.64µm，波导结构的光刻胶厚度80nm。可以看到，单向激发耦合器的表面等离子体干涉结合波导共振，得到的纳米光刻图形的均匀性非常的高。图6所示的是分别光刻胶区域z=20nm、40nm和60nm位置的干涉条纹的电场分布，高质量的光刻图形半宽约为50nm，深度为80nm，对比度高于0.9。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种单向激发表面等离子体波的纳米共振干涉光刻结构，具体为基于单向激发表面等离子体波的超分辨纳米波导共振干涉光刻结构，包括金属薄层、光刻胶层、金属梯形薄层和衬底层。光刻胶层和金属梯形薄层构成了单向激发表面等离子体波的耦合器件，金属薄层、光刻胶层和金属梯形薄层共同构成了基于表面等离子体的金属波导共振腔结构。该光刻结构，获得的纳米光刻图形具有高强度、高分辨率和高均匀性的特点，发展了现有的表面等离子体光刻技术。产生的纳米光刻条纹的深宽比和均匀性相比于现有基于表面等离子体光刻方法提高很多，可以通过改变梯形金属层的厚度和角度来调节在不同光源下对应的金属材料获取高均匀性纳米光刻图形的分辨率及深度。

技术研发人员：杨学峰;张书霞;汪舰;鲁忠良;刘振深;贾二广;祝莹莹;凡瑞霞
受保护的技术使用者：河南理工大学
技术研发日：2019.03.21
技术公布日：2019.05.31