CN102096334A - 一种基于移相原理提高分辨率的超衍射成像器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于移相原理提高分辨率的超衍射成像器件及其制作方法，该超衍射成像器件相邻的透光区通过交替填充具有正负介电系数的两种材料，分别实现相位延迟和相位超前，大大增强了材料厚度对相位差的调制，使该器件更容易实现π相位差，从而进一步提高其成像分辨率。这一方案解决了传统超衍射成像器件难以实现40nm线宽以下分辨率的技术难题，在超分辨成像和纳米光刻技术中具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于纳米加工技术领域，涉及一种基于移相原理提高分辨率的超衍射成像器件及其制作方法。
技术背景
自2000年Pendry提出“完美透镜”和“超透镜”的概念以后，基于表面等离子体的超分辨成像光刻技术以其低成本、高效率以及高分辨率等优点而受到人们的广泛关注。2005年Xiang.Z.首次从实验上利用“超透镜”在365nm光源下获得60nm的超分辨光刻，新西兰R.J.Blaikie也对超透镜成像光刻做了更深入的研究。然而，尽管“超透镜”可突破衍射极限，但它仍然会由于损耗、散射等因素而限制其分辨率，目前文献所报道的超透镜成像光刻所获得的最小线宽为60nm。
传统成像光刻工艺中，移相掩模技术常被用来提高光刻系统的分辨率，它通过在相邻透光区引入π相位差，在像的边缘部分产生干涉相消的作用，以提高像的对比度，从而提高成像分辨率。根据这一原理可知，若将移相掩模技术应用于超分辨成像光刻中，也将有效提高光刻分辨率。然而，传统移相掩模的加工需要在掩模图形区域沉积约一个波长的移相层，这对于线宽只有20nm～40nm的超分辨光刻掩模来说，要在宽度只有20nm～40nm范围内加工如此厚的移相层显然是不现实的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有超分辨成像光刻难以实现40nm及以下光刻分辨力的问题，提供一种提高分辨率的移相超衍射成像器件及其制作方法，该成像器件具有能有效提高分辨率、容易加工等优点，可以满足40nm以下线宽的超衍射光刻应用需求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于移相原理提高分辨率的超衍射成像器件，其特征在于：最底部的紫外光透明基片和其上带有图形的铬膜组成铬掩模，铬掩模的透光部分交替填充着PMMA和金属银材料，填充的PMMA和金属银材料的厚度与铬膜的厚度相等，保证交替填充材料之后铬掩模的表面平整度，铬掩模及填充材料之上分别为厚度为25nm～55nm PMMA匹配层和厚度为30nm～35nm金属银层。所述铬膜的厚度为50nm，以保证铬膜对波长365nm的紫外光透过率在5％以内，并使填充材料后铬膜上相邻透光区的相位差约为π；；25nm～55nm的PMMA匹配层和30nm～35nm金属银层能够很好的实现表面等离子体的动量匹配，尽可能的传递包含高频信息在内的各种信息，实现超分辨成像。
制作上述用于提高超透镜成像光刻分辨率的移相掩模，步骤如下：
(1)选择石英或氟化钙等材料制作紫外光透明基片；
(2)利用溅射或蒸镀方法在紫外光透明基片一面上加工厚度50nm的铬膜，使铬膜对波长365nm的紫外光透过率在5％以内；
(3)利用聚焦离子束在所述铬膜上加工20nm～40nm的密集纳米图形；
(4)通过电子束诱导沉积，使相互间隔的图形凹槽中填充金属银材料；
(5)利用旋涂的方法在样片上涂上100nm～200nm的PMMA，使PMMA填满剩下的凹糟，并使样片表面粗糙度小于1nm；
(6)利用反应离子刻蚀机将铬膜之上的PMMA刻蚀至25～55nm的厚度；
(7)利用溅射或蒸镀方法在PMMA表面沉积一层30～35nm的金属银膜，即可制成用于提高超透镜成像光刻分辨率的移相掩模。
所述步骤(3)中聚焦离子束加工的图形深度应当大于等于铬膜的厚度，以保证透光区彻底透光。
所述步骤(4)中银的厚度与铬膜的厚度相等，其误差不得大于5％，以保证填充材料后的铬掩模的表面为一个平面。
所述步骤(5)中旋涂PMMA的次数可为2次及以上，使PMMA充分填满凹糟，并保证样片的表面粗糙度小于1nm。
所述步骤(6)中反应离子刻蚀的气体可以为O2。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明在普通铬掩模的相邻透光区交替填充对紫外光分别具有正负介电系数的PMMA和金属银材料，分别对透射光进行相位延迟和相位超前的调制，从而大大增强相邻透光区相位差的调制效率，使移相层在较薄的厚度范围内即可获得π相位差，提高成像分辨率。此外，在紫外光波段，金属银还能对含有亚波长信息的消逝波进行放大，抵消由于吸收所带来的能量损耗，提高光能利用率。
(2)与传统的超衍射成像器件相比，本发明中的移相超衍射成像器件可有效提高成像分辨率，实现40nm及以下密集线条的光刻。在制作方法上，本发明中的移相超衍射成像器件无需在宽度只有20nm～40nm范围内沉积约一个波长的移相层，而只需在图形透光区中交替填充约50nm厚的PMMA和金属银即可。该移相超衍射成像器件不仅有效的提高了超分辨成像光刻的分辨率，而且还可以增加光刻的焦深，为40nm以下线宽图形的超衍射光刻应用提供了一种新型、有效的移相掩模和制作方法。
附图说明
图1为本发明移相超衍射成像器件制作方法的流程图；
图2为本发明移相超衍射成像器件结构示意图；
图3为本发明的步骤3在石英基片加工一定厚度铬膜后的移相超衍射成像器件结构示意图；
图4为本发明的步骤4在铬膜图形凹槽中填充金属银后的移相超衍射成像器件结构示意图；
图5为本发明的步骤5在铬膜图形剩下的凹槽中填充PMMA后的移相超衍射成像器件结构示意图；
图6为本发明的步骤6经反应离子束刻蚀PMMA后的移相超衍射成像器件结构示意图；
图7为本发明的步骤7在PMMA上沉积金属银后的移相超衍射成像器件结构示意图；
图8a和图8b分别为超透镜成像光刻中分别使用普通掩模和移相掩模时的光场分布，其中照明光波长为365nm，掩模图形线宽为20nm周期为40nm；
图9a和图9b分别为超透镜成像光刻中分别使用普通掩模和移相掩模时的光场分布，其中照明光波长为365nm，掩模图形线宽为30nm周期为60nm；
图10a和图10b分别为超透镜成像光刻中分别使用普通掩模和移相掩模时的光场分布，其中照明光波长为365nm，掩模图形线宽为40nm周期为80nm。
图中1为掩模石英基片，2为铬膜，3为填充的银，4为填充的PMMA，5为沉积的银层。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例本领域技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
本发明的实施例1，是制作周期为40nm、线宽为20nm的周期线条的移相掩模，曝光波长为365nm，该掩模包括透明石英基底、铬膜图形以及透光区填充的PMMA和金属银。
该掩模的制作步骤如图2所示：
(1)选择石英制作紫外光透明基片；
(2)利用磁控溅射在紫外光透明基片一面上加工厚度为50nm的铬膜，使铬膜对波长365nm的紫外光透过率在5％以内；
(3)利用聚焦离子束在所述铬膜上加工周期为40nm、线宽为20nm的密集型纳米图形；
(4)通过电子束诱导沉积，使相互间隔的图形凹槽中填充金属银，银的厚度与铬膜的厚度相等，其误差不得大于5％；
(5)利用旋涂的方法在样片上涂上100nm的PMMA，使PMMA填满剩下的凹糟，并使样片表面粗糙度小于1nm；
(6)利用反应离子刻蚀机将铬膜之上的PMMA刻蚀至25nm厚；
(7)利用磁控溅射在PMMA上沉积一层厚度为30nm的金属银层，即可制成实现20nm分辨力的移相超衍射成像器件。
通过数值计算可知，50nm厚的铬膜和移相填充材料即可获得20nm的光刻分辨率。如图8所示，图8a和8b分别为超透镜成像光刻中分别使用常规超衍射成像器件和移相超衍射成像器件时的光场分布，其中照明光波长为365nm，掩模图形线宽为20nm周期为40nm。显然，使用常规超衍射成像器件无法将20nm的密集线条分辨开来，而使用实施例1中所述的移相超衍射成像器件却可清晰的分辨出20nm的密集线条。
本发明的实施例2，是制作周期为60nm、线宽为30nm的周期线条的移相掩模，曝光波长为365nm，该掩模包括透明石英基底、铬膜图形以及透光区填充的PMMA和金属银。
该掩模的制作步骤如图2所示：
(1)选择石英制作紫外光透明基片；
(2)利用磁控溅射在紫外光透明基片一面上加工厚度为50nm的铬膜，使铬膜对波长365nm的紫外光透过率在5％以内；
(3)利用聚焦离子束在所述铬膜上加工周期为60nm、线宽为30nm的密集型纳米图形；
(4)通过电子束诱导沉积，使相互间隔的图形凹槽中填充金属银，银的厚度与铬膜的厚度相等，其误差不得大于5％；
(5)利用旋涂的方法在样片上涂上150nm的PMMA，使PMMA填满剩下的凹糟，并使样片表面粗糙度小于1nm；
(6)利用反应离子刻蚀机将铬膜之上的PMMA刻蚀至50nm厚；
(7)利用磁控溅射在PMMA上沉积一层厚度为35nm的金属银层，即可制成实现30nm分辨力的移相超衍射成像器件。
通过数值计算可知，50nm厚的铬膜和移相填充材料即可获得30nm的光刻分辨率。如图9所示，图9a和9b分别为超透镜成像光刻中分别使用常规超衍射成像器件和移相超衍射成像器件时的光场分布，其中照明光波长为365nm，掩模图形线宽为30nm周期为60nm。显然，使用常规超衍射成像器件无法将30nm的密集线条分辨开来，而使用实施例2中所述的移相超衍射成像器件却可清晰的分辨出30nm的密集线条。
本发明的实施例3，是制作周期为80nm、线宽为40nm的周期线条的移相掩模，曝光波长为365nm，该掩模包括透明石英基底、铬膜图形以及透光区填充的PMMA和金属银。
该掩模的制作步骤如图2所示：
(1)选择石英制作紫外光透明基片；
(2)利用磁控溅射在紫外光透明基片一面上加工厚度为50nm的铬膜，使铬膜对波长365nm的紫外光透过率在5％以内；
(3)利用聚焦离子束在所述铬膜上加工周期为80nm、线宽为40nm的密集型纳米图形；
(4)通过电子束诱导沉积，使相互间隔的图形凹槽中填充金属银，银的厚度与铬膜的厚度相等，其误差不得大于5％；
(5)利用旋涂的方法在样片上涂上200nm的PMMA，使PMMA填满剩下的凹糟，并使样片表面粗糙度小于1nm；
(6)利用反应离子刻蚀机将铬膜之上的PMMA刻蚀至55nm厚；
(7)利用磁控溅射在PMMA上沉积一层厚度为30nm的金属银层，即可制成实现40nm分辨力的移相超衍射成像器件。
通过数值计算可知，50nm厚的铬膜和移相填充材料即可获得40nm的光刻分辨率。图10a和10b分别为超透镜成像光刻中分别使用常规超衍射成像器件和移相超衍射成像器件时的光场分布，其中照明光波长为365nm，掩模图形线宽为40nm周期为80nm。显然，使用常规超衍射成像器件无法将40nm的密集线条分辨开来，而使用实施例3中所述的移相超衍射成像器件却可清晰的分辨出40nm的密集线条。
Claims (8)
1.一种基于移相原理提高分辨率的超衍射成像器件，其特征在于：最底部的紫外光透明基片和其上带有图形的铬膜组成铬掩模，铬掩模的透光部分交替填充着PMMA和金属银材料，填充的PMMA和金属银材料的厚度与铬膜的厚度相等，保证交替填充材料之后铬掩模的表面平整度，铬掩模及填充材料之上分别为厚度为25nm～55nm的PMMA匹配层和厚度为30nm～35nm的金属银层。
2.根据权利要求1所述的基于移相原理提高分辨率的超衍射成像器件，其特征在于：所述紫外光透明基片为石英或氟化钙紫外透明材料。
3.根据权利要求1所述的基于移相原理提高分辨率的超衍射成像器件，其特征在于：所述加工有图形的铬膜的厚度为50nm，使铬膜对波长365nm的紫外光透过率在5％以内，并使填充材料后铬膜上相邻透光区的相位差约为π。
4.制作如权利要求1所述的基于移相原理提高分辨率的超衍射成像器件的制作方法，其特征在于步骤如下：
(1)选择石英或氟化钙等材料制作紫外光透明基片；
(2)利用溅射或蒸镀方法在紫外光透明基片一面上加工厚度50nm的铬膜，使铬膜对波长365nm的紫外光透过率在5％以内；
(3)利用聚焦离子束在所述铬膜上加工20nm～40nm的密集纳米图形；
(4)通过电子束诱导沉积，使相互间隔的图形凹槽中填充金属银材料；
(5)利用旋涂的方法在样片上涂上100nm～200nm的PMMA，使PMMA填满剩下的凹糟，并使样片表面粗糙度小于1nm；
(6)利用反应离子刻蚀机将铬膜之上的PMMA刻蚀至25～55nm的厚度；
(7)利用溅射或蒸镀方法在PMMA表面沉积一层30～35nm的金属银膜，即可制成基于移相原理提高分辨率的超衍射成像器件。
5.根据权利要求4所述的制作超衍射成像器件的方法，其特征在于：所述步骤(3)中聚焦离子束加工的图形深度应当等于铬膜的厚度，其误差不得大于5％，以保证透光区彻底透光。
6.根据权利要求4所述的制作超衍射成像器件的方法，其特征在于：所述步骤(4)中金属银的厚度与铬膜的厚度相等，其误差不得大于5％，以保证填充材料后的铬掩模的表面为一个平面。
7.根据权利要求4所述的制作超衍射成像器件的方法，其特征在于：所述步骤(5)中旋涂PMMA的次数可为2次及以上，使PMMA充分填满凹糟，并保证样片的表面粗糙度小于1nm。
8.根据权利要求4所述的制作超衍射成像器件的方法，其特征在于：所述步骤(6)中反应离子刻蚀的气体可以为O2。
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