CN101846880B

CN101846880B - 激发表面等离子体的纳米光刻方法

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Publication number: CN101846880B
Application number: CN2010101710724A
Authority: CN
Inventors: 李海华; 王庆康; 朱明轩
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2010-05-12
Filing date: 2010-05-12
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2030-05-12
Also published as: CN101846880A

Abstract

一种半导体技术领域的激发表面等离子体的纳米光刻方法，首先利用电子束刻蚀方法将三角形Kretschmann棱镜结构制备成三角形光栅结构的石英模板，然后在石英模板的结构上沉积一层金属膜作为掩模板，最后在基片上甩涂一层光刻胶，并采用平行紫外光透过掩模板，在近场条件下对涂有光刻胶的基片曝光及显影。本发明利用金属膜在特定波长的光激发下可以产生表面等离子体波这一特性，将其作为曝光掩模板，采用光刻技术，得到光栅线宽为几十纳米的光刻结构，大大提高了光刻技术的分辨率。

Description

激发表面等离子体的纳米光刻方法

技术领域

本发明涉及的是一种半导体技术领域的方法，具体是一种采用kretschmann棱镜结构激发表面等离子体的纳米光刻方法。

背景技术

表面等离子体的激发方式有两种，一种是利用光栅衍射获得较大的传播波矢，

式中的k_sp是表面等离子体波的传播波矢常数，k₀是真空中入射光波矢大小，m是衍射级数，a是一维光栅的周期。当a的值小于真空波长的条件下，就可以获得较大表面等离子体波的传播波矢，从而获得增强的透射电场强度。其原理是利用光栅结构获得较大的传播波矢，即得到较小表面等离子体波的波长，从而获得了较小的分辨率。但是，这种方法的缺点是加工工艺的控制十分困难。

激发表面等离子体波的另外一种途径就是利用具有较大折射率的材料激发出表面等离子波，从而获得增强的电磁场，这就是衰减全反射方法获得表面等离子体波的方法。常用的衰减全反射激发表面等离子体波的棱镜结构为Kretschmann棱镜结构，欲激发表面等离子体波，必须满足的动量守恒条件：

式中的k_sp是表面等离子体波的传播波矢常数，k₀是真空中入射光波矢大小，θ₀为入射光在棱镜内入射到玻璃金属界面的入射角，ε₀是玻璃的介电常数。但是，这种方法的缺点是激发的表面等离子体波仅存在于表面，难于用于半导体领域的光刻技术。

自从集成电路发明以来，图形技术是通过可见光曝光技术来实现的。光刻技术是传统的微加工与制造技术的核心之一，是微电子技术的工艺基础。目前，最先进的用于大规模制造集成电路的光刻设备是经过开发更短波长的曝光光源、研制大数值孔径光学透镜0.2-0.85-1.44(浸没光刻)、移相掩模、邻近效应校正、离轴照明、等波前工程等技术的突破，一次又一次突破分辨率极限，微光刻技术把微细加工尺寸从微米级提高到纳米级。大规模集成电路的生产厂商采用的光刻设备需利用更短波长的光源，且搭配复杂周边系统，才能实现100nm以下图案的制作。近几年，EUV电子束(0.1-0.05

)、离子束、X射线等刻蚀术被称为下一代光刻技术(Next Generation Lithography)。X光曝光和电子束曝光等纳米级线宽图形制备技术，需要的设备也非常昂贵，国内至今也只有少数几家科研单位拥有。

经过对现有技术的检索发现，Luo X.，Ishihara T.Surface Plasmon resonant interferencenano-lithography technique[J].Appl.Phys.Lett.2004，84：4780-4782.(Luo X.，Ishihara T.，基于表面等离子体共振干涉的纳米光刻工艺，Appl.Phys.Lett.2004，84：4780-4782)；进一步检索发现，Srituravanich W，etal.Deep subwavelength nanolithography using localized surfaceplasmon modes on planar silver mask[J].J.Vac.Sci.Technol.2005，B 23：2636-2639.(Srituravanich W，etal.，利用平面银模板局域表面等离子体模式深实现亚波长纳米光刻研究，J.Vac.Sci.Technol.2005，B 23：2636-2639.)但是该现有技术是利用金属表面等离子体的局域增强特性来实现亚波长纳米光刻技术，其工艺步骤过于复杂。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种激发表面等离子体的纳米光刻方法，通过能激发表面等离子体波的Kretschmann棱镜结构，并在该结构上均匀沉积一层金属膜，利用该层金属膜在特定波长的光激发下可以产生表面等离子体波这一特性，将其作为曝光掩模板，采用光刻技术，得到光栅线宽为几十纳米的光刻结构，大大提高了光刻技术的分辨率。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下具体步骤：

第一步、利用电子束刻蚀方法将三角形Kretschmann棱镜结构制备成三角形光栅结构的石英模板。

所述的三角形Kretschmann棱镜结构具体为三角形棱柱结构的基板，该三角形棱柱结构具体为等腰三角形，其底角角度为：45-65度。

第二步、在石英模板的底面沉积一层金属膜作为掩模板。

所述的金属膜为金、银或铝，该金属膜的厚度为：20-100纳米。

第三步、在基片上甩涂一层光刻胶，并采用平行紫外光透过掩模板，在近场条件下对涂有光刻胶的基片曝光及显影，实现纳米光刻。

所述的基片为半导体、金属或绝缘体，所述的光刻胶的厚度为：50-200纳米。

所述的对涂有光刻胶的基片曝光及显影是指：采用接触式曝光，曝光时间为：30-90秒，显影时间为：20-60秒。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、将光栅衍射激发表面等离子体和kretschmann棱镜结构激发表面等离子体二者有机结合，可以实现纳米尺度的光刻，大大提高了光刻技术的分辨率。

在Kretchmann结构中，玻璃中光的入射角满足动量守恒条件下，就会在另一侧的金属膜和空气界面上产生表面等离子体波，从而在紧挨着金属空气界面的空气中获得增强的电磁场；同样道理，如果使用的模板结构的入射光垂直模板入射，在三角形中玻璃和银的界面上，入射光满足Kretschmann结构的角度要求，就会在三角形金属层和空气接触的一侧产生表面等离子体波，从而获得增强的电磁场，该发明就是利用了这种增强的电磁场在近场获得曝光的能量的；同时，在银和玻璃水平接触面上，由于入射光垂直入射分界面，不满足波矢的守恒条件，所以在空气一侧没有电磁场的增强效应，相反，由于银对于光的损耗很大，所以透过水平部分的电磁波强度很弱。突起的三角形部分的电磁场增强，然而水平部分电磁场极弱，这样，与三角形部分接触的光刻胶可以充分曝光，水平部分对应的光刻胶得不到充分曝光，因此，就可以将模板的图案转移到光刻胶上。此技术不受衍射极限的限制，可以制作出纳米结构。

2、具有制作简便、快速等特点。

与使用光栅结构激发表面等离子体波的方法相比，该发明专利的工艺条件更加简单，仅仅是预先设计并且加工好玻璃模板结构，再在玻璃上镀一层金属膜即可。制作工艺过程非常简便、大面积、快速。

3、本发明与传统光刻工艺相结合。

采用表面等离子体纳米光刻技术不仅继承了现有半导体微加工的主体技术路线，更容易纳入现有半导体微加工的主体技术路线。由于表面等离子体的亚波长纳米曝光技术比较深紫外曝光和浸没式曝光技术的设备要低廉得多，是一项易于实现开展纳米科学技术研究的科学手段。

附图说明

图1为三角形Kretschmann棱镜结构示意图。

图2为表面等离子体光刻工艺示意图。

图3为电场分量分布图的模拟情况。

图4为是电场振幅透射率与位置关系图。

图5为曝光结果示意图；

其中：1基板、2金属膜、3介质空气、4UV紫外光、5石英模板、6光刻胶、7基片、a光栅结构周期、b三角形光栅底边长度、d所镀金属膜厚度、θ三角形光栅底角角度。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

制作一个30纳米线宽的光刻胶线条阵列。

如图1所示，利用电子束刻蚀方法将三角形Kretschmann棱镜结构制备成等腰三角形光栅结构的石英模板，该等腰三角形的底角为65度。

选择石英模板作为基板，在该石英模板表面溅射一层银作为金属膜，金属膜厚为20纳米，制成曝光掩模板。

选择硅作为基片，并在基片上旋涂光刻胶S1805，厚度50纳米，并在温度110度，时间30分钟下预烘。

将预烘好的基片，放入光刻机(中心波长365纳米)，采用接触式曝光，它应具有恒定发光强度的曝光光源，曝光时间为30秒。

对基底上的光刻胶用碱性溶液进行显影，显影浓度为2％，显影时间为20秒，得到30纳米的光刻胶线条，如图5所示。

实施例2

制作一个40纳米线宽的光刻胶线条阵列。

利用电子束刻蚀方法将三角形Kretschmann棱镜结构制备成等腰三角形光栅结构的石英模板，该等腰三角形的底角为45度，底边边长50纳米。

选择石英模板作为基板，在该石英模板表面溅射一层银作为金属膜，金属膜厚为100纳米，制成曝光掩模板。

选择硅作为基片，并在基片上旋涂光刻胶S1805，厚度100纳米，并在温度110度，时间30分钟下预烘。

将预烘好的基片，放入光刻机，采用接触式曝光，它应具有恒定发光强度的曝光光源(中心波长365纳米)，曝光时间为90秒。

对基底上的光刻胶用碱性溶液进行显影，显影浓度为2％，显影时间为30秒，得到光刻胶线宽40纳米，如图5所示。

实施例3

制作一个80纳米线宽的光刻胶线条阵列。

利用电子束刻蚀方法将三角形Kretschmann棱镜结构制备成等腰三角形光栅结构的石英模板，该等腰三角形的底角为52度。

选择石英模板作为基板，在该石英模板表面溅射一层银作为金属膜，金属膜厚为60纳米，制成曝光掩模板。

将预烘好的基片，放入光刻机(中心波长365纳米)，采用接触式曝光，它应具有恒定发光强度的曝光光源，曝光时间为60秒。

对基底上的光刻胶用碱性溶液进行显影，显影浓度为2％，显影时间为30秒，得到80纳米的光刻胶线条，如图5所示。

实施例4

制作一个100纳米线宽的光刻胶线条阵列。

利用电子束刻蚀方法将三角形Kretschmann棱镜结构制备成等腰三角形光栅结构的石英模板，该等腰三角形的底角为60度。

选择石英模板作为基板，在该石英模板表面溅射一层银作为金属膜，金属膜厚为50纳米，制成曝光掩模板。

选择硅作为基片，并在基片上旋涂光刻胶S1805，厚度200纳米，并在温度110度，时间30分钟下预烘。

将预烘好的基片，放入光刻机(中心波长365纳米)，采用接触式曝光，它应具有恒定发光强度的曝光光源，曝光时间为90秒。

对基底上的光刻胶用碱性溶液进行显影，显影浓度为2％，显影时间为60秒，得到100纳米的光刻胶线条，如图5所示。

使用FDTD方法模拟了周期结构的电场场强振幅的分布，如图2所示，365纳米波长的入射光从上面照射，光栅结构周期b为150纳米，三角形底角角度为61°。基底材料上覆盖一层均匀的20纳米厚银(即d＝20nm)，银膜外侧覆盖光刻胶。内侧三角形底边的长度a为42纳米，从上而下材料的介电常数分别为：模板材料5.8564、银-4.3994+i0.0152、光刻胶3.9。银的介电常数是根据Drude模型计算得到。光刻胶分为两个部分，上面的部分作为银膜外侧介质起到激发表面等离子体的作用，下面的部分起到曝光转移模板结构的作用。

如图3所示，为图2中与银膜三角形尖端接触的光刻胶平面上电场振幅的分布情况。可以看出，在三角形尖端附近的光刻胶上光强较强，透射振幅是入射光的3.7倍，光强增强了13.7倍；水平位置对应的光刻胶平面上的光强较弱，只有原来的0.3倍，这样就可以实现强弱分明的场强分布，从而，能够将模板上的图案转移到光刻胶上。如图4所示，由透射率峰值的70％的场强范围确定出分辨率的大小为32纳米。

Claims

1.一种激发表面等离子体的纳米光刻方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

第一步、利用电子束刻蚀方法将三角形Kretschmann棱镜结构制备成三角形光栅结构的石英模板；

第二步、在石英模板的底面沉积一层金属膜作为掩模板，所述的金属膜为银；

2.根据权利要求1所述的激发表面等离子体的纳米光刻方法，其特征是，所述的三角形Kretschmann棱镜结构具体为三角形棱柱结构的基板。

3.根据权利要求2所述的激发表面等离子体的纳米光刻方法，其特征是，所述的三角形棱柱结构具体为等腰三角形。

4.根据权利要求3所述的激发表面等离子体的纳米光刻方法，其特征是，所述的等腰三角形的底角为：45-65度。

5.根据权利要求1所述的激发表面等离子体的纳米光刻方法，其特征是，所述的金属膜的厚度为：20-100纳米。

6.根据权利要求1所述的激发表面等离子体的纳米光刻方法，其特征是，所述的基片为半导体、金属或绝缘体，所述的光刻胶的厚度为：50-200纳米。

7.根据权利要求1所述的激发表面等离子体的纳米光刻方法，其特征是，所述的对涂有光刻胶的基片曝光及显影是指：采用接触式曝光，曝光时间为：30-90秒，显影时间为：20-60秒。