CN101551596A

CN101551596A - 超分辨干涉光刻的波导器件

Info

Publication number: CN101551596A
Application number: CNA2009100593792A
Authority: CN
Inventors: 王景全; 牛晓云; 杜惊雷; 郭永康
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2009-05-22
Publication date: 2009-10-07

Abstract

超分辨干涉光刻的波导器件是带有三明治波导层的底部镀有纳米厚度金属膜的梯形棱镜。其中波导层是由折射率不同的介质构成，数十纳米厚度的折射率为n₂的介质和折射率为n₃的介质嵌套在棱镜(折射率为n₁)下部。在相向的两束特定条件的光照下，波导与棱镜下表面所镀的金属膜构成多重表面等离子激元(SPP)激发结构，从而在棱镜下表面获得纳米量级的干涉光场。本发明通过减薄金属膜的厚度来有效提高SPP的穿透深度，使干涉场的曝光深度大于1.2μm。

Description

超分辨干涉光刻的波导器件

技术领域

本发明是一种基于表面等离子体的波导干涉光刻器件，属于干涉曝光纳米加工的技术领域。

背景技术

为了提高纳米结构制作技术的分辨率，可以通过减小入射光波长来实现，如极紫外、X射线、离子束投影、电子束光刻等光刻技术，但是这些方法都需要极短波长光源电磁辐射系统及光刻系统，不仅结构复杂而且造价昂贵；浸没式光刻技术是目前提高光刻分辨率的最简单的方法，但该技术由于材料选择的限制而很难有效地提高分辨率。近年来，SPP光刻技术因其物理本质带来的超高分辨率和曝光场的局域增强性得到了广泛的关注。但是，由于SPPs是表面电磁波，且强度随传播深度的增加呈指数衰减，金属材料的吸收特性会影响SPPs的传播深度。目前已提出的大面积SPPs干涉光刻结构不能够很好地解决SPPs的能量损失的问题，该结构的曝光场最大穿透深度为250nm，在实验上获得理想的干涉光刻图形非常困难，不利于SPPs干涉光刻技术推广应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题：克服上述现有技术的不足，提供一种基于表面等离子体的波导干涉光刻器件，使光刻系统在不需要复杂的光学结构的前提下，便可缓解SPPs传输能量损失过大的问题，制作出纳米量级的周期性图形。

本发明的技术方案：超分辨干涉光刻的波导器件，它是带有三明治波导层的底部镀有纳米厚度金属膜的梯形棱镜，其特征在于：所述的波导器件是由折射率不同的介质构成，将折射率n₂的介质和折射率n₃的介质依次嵌套在棱镜(折射率为n₁)下部，形成三明治波导层，并在该棱镜的下表面镀上金属膜。

如上所述的波导器件，其特征在于梯形棱镜为对称结构，底角60度，且该棱镜的底部刻蚀出沿中心轴对称的长方体凹槽，该凹槽的纵向高度为200nm左右，该棱镜的折射率n₁≥1.8，且对于在可见光范围内，该棱镜介质为透明的。

如上所述的波导器件，其特征在于介质n₂为长方体形状，该介质层蒸镀在棱镜底部的凹槽内，纵向高度与凹槽高度一致，介质折射率n₂≤1.53。

如上所述的波导器件，其特征在于介质n₃为长方体形状，该介质层蒸镀在棱镜的下表面，其厚度为10～45nm，介质折射率n₃与n₁相同。

如上所述的波导器件，其特征在于所述的金属膜为银膜，金属银的介电常数在入射光波长为441nm的TM波照射时为-8.917+0.230i，所述银膜的厚度在10～20nm之间。

如前所述，原有技术很难在实现SPPs大面积超分辨光刻的同时又能有效地提高SPPs的穿透深度。因为普通的衰减全反射SPPs干涉光刻装置，虽然会在金属表面激发SPPs形成干涉场分布，但除传输损耗外，大部分光能量仍将返回光密媒介，这将造成干涉图形的曝光深度较浅。本发明利用光在覆有金属膜的波导结构上下表面多次反射不断激发SPPs，从而增强了金属膜下表面的SPPs效应，有效地提高SPPs的穿透深度。此外，不同于一般的衰减全反射激发SPPs结构的金属膜层厚度，本发明通过优化计算，减薄了波导结构下表面所覆盖的金属膜厚度，这样可减少金属膜对光能量的吸收损耗，并有助于光能量从波导结构中耦合出来，提高干涉曝光场的穿透深度。理论上，使用本发明进行干涉光刻，可获得周期为140～160nm，最小特征尺寸为70～80nm的图形，且曝光深度超过1.2μm。

主要技术手段是设计由不同折射率的介质构成的三明治波导器件(折射率小的介质镶嵌在折射率大的介质中)，选取适合的金属种类和金属膜厚度，从而设计出超分辨干涉光刻的波导器件，使曝光深度得到显著增加，在曝光实验上更易实现。

附图说明

图1：(a)本发明的超分辨干涉光刻的波导器件的三视图，其中h为介质n₃在z方向上的的高度，w为介质层n₂在z方向上的高度，d为金属银膜在z方向上的高度；(b)本发明的超分辨干涉光刻的波导器件的原理图，其中1为介质n₁，2为介质n₂，3为介质n₃，4为金属膜。

图2：本发明的超分辨干涉光刻的波导器件的结构示意图，其中，1为介质n₁，2为介质n₂，3为介质n₃，4为金属膜，且n₁＝n₃＞n₂。

图3：本发明的超分辨干涉光刻的波导器件的制作流程方法一。(a)加工完好的高折射率的棱镜；(b)棱镜的底部镀上了金属膜；(c)在镀了金属膜的棱镜上刻蚀矩形孔；(d)在矩形孔中填充介质。

图4：本发明的超分辨干涉光刻的波导器件的制作流程方法二。(a)加工完好的高折射率的梯形棱镜；(b)在棱镜底部刻蚀一个矩形凹槽；(c)在凹槽内镀上介质膜，并使凹槽填平；(d)在棱镜底部再次镀介质膜；(e)在棱镜底部蒸镀金属膜。

图5：本发明用于超分辨干涉光刻的实验装置图。其中，1为反光镜，2为光阑，3为透镜，4为均匀器，5为偏振片，6为光阑，7为He-Cd激光器，8为分束器件，9为反射镜，10为SPP波导器件，11为抗蚀剂，12为硅片。

具体实施方法

本发明是一种超分辨干涉光刻波导器件。在器件中，我们要求介质n₂的折射率小于等于1.53，可知其涵盖了气体、液体和固体材料。然而介质n₂的折射率的不同则需要采取不同的制作方案。下面分两种情况进行讨论。

当介质为气体或液体时，我们采用的元件的制作流程如图3所示。第一步，选择一个合适的棱镜，如图3(a)所示。图中是一个加工完好的高折射率的宏观的梯形棱镜，我们要求其折射率大于1.8，并对所选用的TM入射光波(我们采用的波长为441nm)具有高的透射性。第二步，在棱镜的底部镀一层金属膜，如图3(b)所示。在我们的设计中金属膜为银膜，膜厚的范围为10～20nm，并且金属膜要求有较高的均匀性。第三步，在金属膜上方25～45nm(根据介质n₂的折射率不同有所扰动)的位置刻蚀一个矩形孔，如图3(c)所示。矩形孔的纵向高度适宜即可，宽度可以根据理论上计算出的干涉区域确定。如果介质n₂是气体，矩形孔可以刻穿也可以不刻穿；如果介质n₂是液体，则矩形孔不必刻穿，可以形成一个矩形容器以便注入液体。最后，矩形孔填充介质n₂后则形成预期的干涉光刻波导器件，如图3(d)所示。

如果介质n₂是固体(一般指晶体)，则需要采取与上述不同的制作方案，这是因为固体一般情况下无法注入矩形孔槽。我们将采取多次镀膜的方法解决这一问题。其具体的制作流程如图4所示。第一步，仍然选择一个合适的棱镜，如图4(a)所示，其要求与上述方案中相同。第二步，在棱镜的底部刻蚀一个矩形凹槽，如图4(b)所示。其深度(纵向)大于几百纳米即可，宽度(横向)要求与上述方案中矩形孔的要求相同。第三步，对棱镜底部的矩形孔槽进行镀膜，使其填平，如图4(c)所示。要求镀完介质n₂后，对棱镜底部进行处理，使其具有良好的平整度。第四步，对棱镜底部再一次镀膜，如图4(d)所示。镀膜的材料的折射率要求与棱镜相同或近似，膜的厚度约10～25nm，并要求镀的介质膜有很好的平整度。最后，在两次镀介质膜的棱镜的底部再镀一层金属膜，则形成我们预期的干涉光刻波导器件，如图4(e)所示。假设金属膜为银，则要求银膜的厚度约为10～20nm，并且其具有高的平整度。

本发明可用于的干涉曝光实验装置如图5所示。由反射镜1，He-Cd激光器7，光阑2和6，偏振片5，均匀器4和透镜组3组成均匀照明系统。由光源7发出的波长为441nm ，通过偏振片5使入射光变为TM波，该TM波充满射入均匀器4的入射端，由均匀器4出射的光通过透镜组3和光阑2聚光，再通过反射镜使光均匀照明了分束器件8，通过分束器件8分束出两束均匀的光，这两束均匀的光通过反射镜9均匀照射在本发明所设计的波导器件10的入射面上。这里均匀器4和透镜组3都起了均匀照明作用；透镜组3的焦距与口径需和均匀器4，以及需均匀照明的面积相匹配。被均匀照明的波导器件，由于这两束波长为441nm的入射光均以全反射角入射，在该波导器件的波导腔内发生干涉并在金属膜的下表面产生表面等离子体波，且由于该波导器件的特殊构造(三明治波导层结构)，在腔内发生多次全反射并再次激发表面等离子体波，表面等离子体波在金属膜的下表面射出，使在金属膜下方紧密接触放置的硅片11上涂的抗蚀剂图层12感光，光刻出超高分辨率的纳米量级图形，其中该抗蚀剂的厚度在200～800nm之间。金属膜的下表面与安放在其下方的高分辨率抗蚀剂图层12之间为无间隙紧密接触。

Claims

1.超分辨干涉光刻的波导器件，它是带有三明治波导层的底部镀有纳米厚度金属膜的梯形棱镜，其特征在于：所述的波导器件是由折射率不同的介质构成，将折射率n₂的介质和折射率n₃的介质依次嵌套在棱镜(折射率为n₁)下部，形成三明治波导层，并在该棱镜的下表面镀上金属膜。

2.如权利要求1所述的波导器件，其特征在于梯形棱镜为对称结构，底角60度，且该棱镜的底部刻蚀出沿中心轴对称的长方体凹槽，该凹槽的纵向高度为200nm左右，该棱镜的折射率n₁≥1.8，且对于在可见光范围内，该棱镜介质为透明的。

3.如权利要求1所述的波导器件，其特征在于介质n₂为长方体形状，该介质层蒸镀在2所述的凹槽内，纵向高度与凹槽高度一致，介质折射率n₂≤1.53。

4.如权利要求1所述的波导器件，其特征在于介质n₃为长方体形状，该介质层蒸镀在3所述的介质层下面，其厚度为10～45nm，介质折射率n₃与n₁相同。

5.如权利要求1所述的波导器件，其特征在于所述的金属膜为银膜，金属银的介电常数在入射光波长为441nm的TM波照射时为-8.917+0.230i，所述银膜的厚度在10nm～20nm之间。