CN102621821A - 一种超长工作距表面等离子体超衍射光刻装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超长工作距表面等离子体超衍射光刻装置及方法，该装置包括以下结构，光学棱镜，光学棱镜底面沉积的是一层金属薄膜，金属薄膜下沉积了一层光电转换材料膜层，光学棱镜放置在涂敷有电子光刻胶的光学基片表面上方。该方法采用表面等离子体干涉形成纳米特征尺寸的光场分布，利用光电转换材料，表面等离子体干涉光场转换为低能电子辐射信号，经过磁场和电场的加速和聚焦，电子聚焦投影在光刻胶上实现纳米分辨力光刻。本发明可以有效延伸表面等离子体超衍射干涉光刻所需的工作距。

Description

一种超长工作距表面等离子体超衍射光刻装置及方法

技术领域

本发明涉及超衍射光刻技术领域，尤其涉及一种超长工作距表面等离子体超衍射光刻装置及方法，其为一种表面等离子体转换低能电子的纳米光刻方法。

背景技术

金属表面自由电子与电磁波相互作用，导致自由电子在金属表面发生集群式振荡，形成了特殊形式的电磁波，即表面等离子体。表面等离子体具有超越衍射极限传输的特性。基于该特性，近年来发展出表面等离子体纳米干涉光刻，分辨力突破衍射极限(约1/2波长)，在长波长的曝光光源下，如汞灯i线(365nm)、g线(436nm)等，获得远小于波长的、纳米光刻图形。

该方法的技术难题在于，实现表面等离子体干涉光场作用距离短，表面等离子体激发器件表面，感光材料表面的工作距在近场范围，控制难度极大。若采用器件底面与光刻胶完全接触模式，虽然保证了有效的作用范围，但是必将带来损伤、效率低、对准困难等一系列问题。为此，基于表面等离子体的纳米光刻技术发展，迫切需要一种能够有效延伸器件到光刻胶表面工作距离的技术方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有表面等离子体干涉技术的工作距短的问题，提供一种新颖的纳米光刻方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种超长工作距表面等离子体超衍射光刻装置，该装置包括：石英棱镜、金属薄膜、光电转换材料膜层、产生聚焦磁场的线圈、加载加速电场的金属电极、光刻基片和光刻胶膜层，其中，紧靠石英棱镜的底面依次为10-40nm厚度的金属薄膜和10-50nm厚度的光电转换材料膜层，石英棱镜放置在涂敷有电子光刻胶的光学基片表面上方，石英棱镜与光学基片之间为真空环境，并分布有均匀的恒电场和恒磁场，所述的恒电场由金属薄膜上带的负电荷和加载加速电场的金属电极上带的正电荷共同产生，同时金属薄膜可以实现表面等离子体波干涉，所述的恒磁场由产生聚焦磁场的线圈产生。

进一步的，所述金属薄膜在照明光照射时可以实现表面等离子体波干涉。

进一步的，所述光的波长选择包括汞灯i线、g线、248nm、193nm、157nm紫外光源波长，以及可见光频段的激光光源波长。

进一步的，所述光电转换材料为金属光电材料、或金属化合物光电材料、或复合金属化合物光电材料，要求光电转换材料的电子溢出功小于照明光子能量，同时二者之间的差值在1eV以内。

进一步的，所述静电场和静磁场方向均垂直于电子光刻胶表面，所述光学基片和棱镜之间的空间，电场和磁场分布不均匀性小于5％。

本发明还提供一种超长工作距表面等离子体超衍射光刻装置的制作方法，该方法包括以下步骤：

步骤(1)、在棱镜底面沉积一层金属薄膜，然后在金属薄膜下方沉积一层光电转换材料膜层；

步骤(2)、将涂敷有电子光刻胶的基片放置在金属板表面，基片表面与棱镜底面平行；

步骤(3)、以基片下方的金属板为正电极、棱镜底面的金属薄膜作为负电极，加载直流电压，在棱镜底面和光刻胶上表面之间的空间形成加速电场，电场方向垂直于光刻胶表面；

步骤(4)、在基片和棱镜周围引入电感线圈，在棱镜底面和光刻胶上表面之间的空间产生磁场，磁场方向垂直于光刻胶表面；

步骤(5)、光从棱镜两侧入射照明，在棱镜底面金属薄膜上及金属薄膜表面附近区域形成表面等离子体纳米干涉条纹光场分布；光电转换材料膜层中的干涉光场，转化为溢出电子；

步骤(6)、溢出电子在外加加速电场作用下，获得垂直于光刻胶表面的加速度，在聚焦磁场作用下，电子以螺旋成像运动方式聚焦到电子光刻胶表面，光刻胶感光和显影后，获得周期纳米线条图形。

本发明与现有的方法相比的优点在于：

本发明相对光波长而言，电子波长很短，达到1nm以下，因此电子的作用距离长，结合加速电场和聚焦磁场，从表面等离子体光刻器件底面距离光刻胶表面，其工作距离可以延伸到1微米以上。

附图说明

图1为本发明实施例1中的一种超长工作距表面等离子体超衍射光刻装置光刻结构示意图；

图中：1为照明光；2为表面等离子体光刻器件基底的石英棱镜；3为金属薄膜；4为光电转换材料膜层；5为产生聚焦磁场的线圈；6为加载加速电场的金属电极；7为光刻基片；8为光刻胶膜层；9为电场方向；10为磁场方向。

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对领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

实施例1，如图1所示，一种超长工作距表面等离子体超衍射光刻装置，该装置包括：石英棱镜2、金属薄膜3、光电转换材料膜层4、产生聚焦磁场的线圈5、加载加速电场的金属电极6、光刻基片7和光刻胶膜层8，其中，紧靠石英棱镜2的底面依次为40nm厚度的金属薄膜3和50nm厚度的光电转换材料膜层4，其中，金属薄膜3优选为金膜，石英棱镜2放置在涂敷有电子光刻胶8的光学基片7表面上方，石英棱镜2与光学基片7之间为真空环境，并分布有均匀的恒电场和恒磁场，所述的恒电场由金属薄膜3和加载加速电场的金属电极6产生，所述的恒磁场由产生聚焦磁场的线圈5产生。所述金属薄膜3在照明光1照射时可以实现表面等离子体波干涉。

优选的，所述照明光1的波长选择包括汞灯i线、g线、248nm、193nm、157nm紫外光源波长，以及可见光频段的激光光源波长。

优选的，所述静电场和静磁场方向均垂直于电子光刻胶表面，所述光学基片和棱镜之间的空间，电场和磁场分布不均匀性小于5％。

实施例2，实施例1所述的超长工作距表面等离子体超衍射光刻装置的制作方法如下：

(1)在棱镜底面热蒸镀一层金膜，金膜厚度为40nm，金膜下方采用溅射方式制备Ba光电转换材料膜层，厚度50nm。

(2)涂敷有电子光刻胶的基片放置在金属板表面，基片表面与棱镜底面平行，光刻胶上表面距离光电转换材料膜层下表面为5um。

(3)以基片下方的金属板为正电极、棱镜底面的金膜作为负电极，加载100伏特的直流电压。

(4)在基片和棱镜周围引入电感线圈，在棱镜底面和光刻胶上表面之间的空间产生的磁场强度为2T，磁场方向垂直于光刻胶表面。

(5)紫外激光442nm从棱镜两侧入射照明，在棱镜底面金膜上及金膜表面附近形成表面等离子体纳米干涉条纹光场分布。光电转换材料膜层中的干涉光场，转化为溢出电子。

(6)溢出电子在外加加速电场作用下，获得垂直于光刻胶表面的加速度。在聚焦磁场作用下，电子以螺旋成像运动方式聚焦到电子光刻胶表面。光刻胶感光和显影后，获得周期纳米线条图形。

实施例3，一种超长工作距表面等离子体超衍射光刻装置，该装置包括：石英棱镜2、金属薄膜3、光电转换材料膜层4、产生聚焦磁场的线圈5、加载加速电场的金属电极6、光刻基片7和光刻胶膜层8，其中，紧靠石英棱镜2的底面依次为10nm厚度的金属薄膜3和10nm厚度的光电转换材料膜层4，其中，金属薄膜3可以为银膜，石英棱镜2放置在涂敷有电子光刻胶8的光学基片7表面上方，石英棱镜2与光学基片7之间为真空环境，并分布有均匀的恒电场和恒磁场，所述的恒电场由金属薄膜3和加载加速电场的金属电极6产生，所述的恒磁场由产生聚焦磁场的线圈5产生。所述金属薄膜3在照明光1照射时可以实现表面等离子体波干涉。

另外，当紧靠石英棱镜2的底面依次为20nm厚度的金属薄膜3和25nm厚度的光电转换材料膜层4时，均能实现本发明，即可以实现表面等离子体波干涉。

优选的，所述照明光1的波长为365nm激光。

优选的，所述静电场和静磁场方向均垂直于电子光刻胶表面，所述光学基片和棱镜之间的空间，电场和磁场分布不均匀性小于5％。

实施例4，实施例3所述的超长工作距表面等离子体超衍射光刻方法如下：

(1)在棱镜底面热蒸镀一层银膜，银膜厚度为10nm。

(2)涂敷有电子光刻胶的基片放置在金属板表面，基片表面与棱镜底面平行，光刻胶上表面距离光电转换材料膜层下表面为20um。

(3)以基片下方的金属板为正电极、棱镜底面的银膜作为负电极，加载200伏特的直流电压。

(4)在基片和棱镜周围引入电感线圈，在棱镜底面和光刻胶上表面之间的空间产生的磁场强度为1T，磁场方向垂直于光刻胶表面。

(5)紫外激光365nm从棱镜两侧入射照明，在棱镜底面银膜上及银膜表面附近形成表面等离子体纳米干涉条纹光场分布。光电转换材料膜层中的干涉光场，转化为溢出电子。

(6)溢出电子在外加加速电场作用下，获得垂直于光刻胶表面的加速度。在聚焦磁场作用下，电子以螺旋成像运动方式聚焦到电子光刻胶表面。光刻胶感光和显影后，获得周期纳米线条图形。

其中，本实施例步骤(1)中在棱镜底面热蒸镀一层银膜，银膜厚度为30nm，银膜下方采用蒸镀方式制备ZnO光电转换材料膜层，厚度20nm时可以实现本发明。同时本领域技术人员也可以根据实际需要选择为棱镜底面热蒸镀其他金属薄膜，以及选择金属膜厚度以及金属膜下方ZnO光电转换材料膜层的厚度。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (6)

1.一种超长工作距表面等离子体超衍射光刻装置，其特征在于：该装置包括：石英棱镜(2)、金属薄膜(3)、光电转换材料膜层(4)、产生聚焦磁场的线圈(5)、加载加速电场的金属电极(6)、光刻基片(7)和光刻胶膜层(8)，其中，紧靠石英棱镜(2)的底面依次为10-40nm厚度的金属薄膜(3)和10-50nm厚度的光电转换材料膜层(4)，石英棱镜(2)放置在涂敷有电子光刻胶(8)的光学基片(7)表面上方，石英棱镜(2)与光学基片(7)之间为真空环境，并分布有均匀的恒电场和恒磁场，所述的恒电场由金属薄膜(3)上带的负电荷和加载加速电场的金属电极(6)上带的正电荷共同产生，同时金属薄膜(3)可以实现表面等离子体波干涉，所述的恒磁场由产生聚焦磁场的线圈(5)产生。

2.根据权利要求1所述的超长工作距表面等离子体超衍射光刻装置，其特征在于：所述金属薄膜(3)在照明光照射时可以实现表面等离子体波干涉。

3.根据权利要求4所述的超长工作距表面等离子体超衍射光刻装置，其特征在于：所述光的波长选择包括汞灯i线、g线、248nm、193nm、157nm紫外光源波长，以及可见光频段的激光光源波长。

4.根据权利要求1所述的超长工作距表面等离子体超衍射光刻装置，其特征在于：所述光电转换材料为金属光电材料、或金属化合物光电材料、或复合金属化合物光电材料，要求光电转换材料的电子溢出功小于照明光子能量，同时二者之间的差值在1eV以内。

5.根据权利要求2所述的超长工作距表面等离子体超衍射光刻装置，其特征在于：所述静电场和静磁场方向均垂直于电子光刻胶表面，所述光学基片和棱镜之间的空间，电场和磁场分布不均匀性小于5％。

6.一种超长工作距表面等离子体超衍射光刻装置的制作方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤(1)、在棱镜底面沉积一层金属薄膜，然后在金属薄膜下方沉积一层光电转换材料膜层；

步骤(2)、将涂敷有电子光刻胶的基片放置在金属板表面，基片表面与棱镜底面平行；

步骤(3)、以基片下方的金属板为正电极、棱镜底面的金属薄膜作为负电极，加载直流电压，在棱镜底面和光刻胶上表面之间的空间形成加速电场，电场方向垂直于光刻胶表面；

步骤(4)、在基片和棱镜周围引入电感线圈，在棱镜底面和光刻胶上表面之间的空间产生磁场，磁场方向垂直于光刻胶表面；

步骤(5)、光从棱镜两侧入射照明，在棱镜底面金属薄膜上及金属薄膜表面附近区域形成表面等离子体纳米干涉条纹光场分布；其中在光电转换材料膜层中的干涉光场，转化为溢出电子；

步骤(6)、溢出电子在外加加速电场作用下，获得垂直于光刻胶表面的加速度，在聚焦磁场作用下，电子以螺旋成像运动方式聚焦到电子光刻胶表面，光刻胶感光和显影后，获得周期纳米线条图形。

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