CN102636967B - 表面等离子体纳米光刻结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面等离子体纳米光刻结构，包括上基底层、下基底层、共振腔和金属光栅层，所述共振腔和金属光栅层设于所述上基底层和下基底层之间，所述共振腔包括第一金属层、第二金属层和光刻胶层，所述光刻胶层设于所述第一金属层和第二金属层之间，所述金属光栅层包括第一光栅层和第二光栅层，所述第一光栅层位于所述上基底层和第一金属层之间，所述第二光栅层位于所述下基底层和第二金属层之间。本发明还公开了一种表面等离子体纳米光刻方法。利用第一光栅层和第二光栅层来激发第一金属层与光刻胶层以及第二金属层与光刻胶层界面的表面等离子波，从而可以大大提高光刻技术的分辨率；另外，本发明采用双光束曝光，可以实现良好的曝光深度和可见度。

Description

表面等离子体纳米光刻结构及方法

技术领域

本发明属于半导体光刻领域，具体涉及一种表面等离子体纳米光刻结构及方法。

背景技术

随着科技的不断发展，器件的尺寸越来越小，集成度越来越高，光刻蚀微影法由于其易于复制，制作成本廉价以及适合大区域制作等优点而被广泛应用。但是其加工尺寸受到光学衍射极限的限制，很难突破半波长量级的分辨率。目前提高分辨率的一种主要方法是使用更短波长的光源，如极紫外光，软X光，原子束，但是短波长的光源难于制作，使用寿命短，实验中难以选择相匹配的透镜以及掩模板，同时短波长光源光刻胶的开发比较困难，导致这些方法的成本提高，工艺方法较为复杂，提高分辨率的能力受到一定的制约。其他一些提高分辨率的方法有电子束光刻法，离子束光刻法，蘸笔纳米光刻法以及奈米光刻法，但同样受到制作成本高，工艺复杂等缺点，在应用上受到限制。

最近几年科学家们对表面等离子体激元（SPP）进行了大量的研究，发现在相同光频率下，SPP波矢比普通光源的波矢大很多，因此许多研究小组都致力于将其应用于光刻中，并取得了很好的效果。利用基于表面等离子体激元效应的光刻技术所得到条纹分辨率比传统的衍射极限大很多。此外，利用基于表面等离子激元效益的光刻技术还可以得到超衍射极限的纳米点阵。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明解决的技术问题在于提供一种表面等离子体纳米光刻结构及方法，其分辨率高，且具有良好的曝光深度。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：

一种表面等离子体纳米光刻结构，包括上基底层、下基底层、共振腔和金属光栅层，所述共振腔和金属光栅层设于所述上基底层和下基底层之间，尤其是，所述金属光栅层包括第一光栅层和第二光栅层，所述共振腔位于所述第一光栅层和所述第二光栅层之间，所述共振腔包括光刻胶层。

优选的，在上述表面等离子体纳米光刻结构中，所述共振腔还包括第一金属层和第二金属层，所述光刻胶层设于所述第一金属层和第二金属层之间。

优选的，在上述表面等离子体纳米光刻结构中，所述第一金属层和第二金属层的材料均为银。

优选的，在上述表面等离子体纳米光刻结构中，所述第一金属层和第二金属层的厚度为10nm~80nm。

优选的，在上述表面等离子体纳米光刻结构中，所述第一光栅层和第二光栅层的材料选自铝、铬或硅。

优选的，在上述表面等离子体纳米光刻结构中，所述第一光栅层和第二光栅层的狭缝相垂直。

优选的，在上述表面等离子体纳米光刻结构中，所述光刻胶层的厚度为10nm~60nm。

优选的，在上述表面等离子体纳米光刻结构中，所述第一光栅层和第二光栅层的狭缝的宽度小于80nm。

优选的，在上述表面等离子体纳米光刻结构中，所述第一光栅层和第二光栅层均为一维光栅。

本发明还公开了一种表面等离子体纳米光刻方法，提供上述的表面等离子体纳米光刻结构，入射光分别从上基底层和下基底层进行入射，并在所述光刻胶层上实现曝光。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明中，第一金属层、第二金属层以及光刻胶层构成共振腔，分别利用第一光栅层和第二光栅层来激发第一金属层与光刻胶层以及第二金属层与光刻胶层界面的表面等离子波，从而可以大大提高光刻技术的分辨率；另外，本发明采用双光束曝光，可以实现良好的曝光深度和可见度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明实施例所提供的表面等离子体纳米光刻结构的示意图；

图2a~2c所示分别为本发明光刻胶层于5nm、15nm、25nm深度的平面内的电场强度分布图；

图3a~3c所示为本发明光刻胶层的厚度分别为40nm、30nm、20nm时的电场分布图；

图4a所示为SPP波矢在不同的光刻胶层厚度下与入射光波长的色散关系；

图4b所示为纳米点阵周期在不同的光刻胶层厚度下与入射光波长的色散关系；

图5a~5c所示为不同光栅材料下光刻胶层中电场的分布情况；

图6a~6e所示为在不同光栅狭缝宽度时光刻胶层中电场的分布；

图7a~7e所示为在不同入射光波长下光刻胶层中电场的分布；

图8a~8d所示为第一金属层和第二金属层为不同厚度时光刻胶层中电场的分布情况；

图9所示为图8b中虚线处电场强度的分布图。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明实施例公开了一种表面等离子体纳米光刻结构，包括上基底层、下基底层、共振腔和金属光栅层，所述共振腔和金属光栅层设于所述上基底层和下基底层之间，所述共振腔包括第一金属层、第二金属层和光刻胶层，所述光刻胶层设于所述第一金属层和第二金属层之间，所述金属光栅层包括第一光栅层和第二光栅层，所述第一光栅层位于所述上基底层和第一金属层之间，所述第二光栅层位于所述下基底层和第二金属层之间。

上基底层和下基底层的材料优选自玻璃板或二氧化硅；第一金属层和第二金属层的材料优选为银；第一光栅层和第二光栅层的材料优选自铝、铬或硅，更优选为铝；光刻胶层为金属光刻胶、半导体光刻胶或绝缘体光刻胶。

本发明实施例还公开了一种表面等离子体纳米光刻方法，提供上述的表面等离子体纳米光刻结构，入射光分别从上基底层和下基底层进行入射，并在所述光刻胶层上实现曝光。

第一金属层、第二金属层以及光刻胶层构成共振腔，分别利用第一光栅层和第二光栅层来激发第一金属层与光刻胶层以及第二金属层与光刻胶层界面的表面等离子波，从而可以大大提高光刻技术的分辨率；本发明采用双光束曝光，可以实现良好的曝光深度和可见度。

第一光栅层和第二光栅层均为一维光栅。其周期可以做的比较大，因此掩模板易于制作。

易于想到，在其他实施例中，也可不设置第一金属层和第二金属层。第一金属层和第二金属层的设置可以更好地提高纳米点阵的分辨率和改善光栅狭缝的边缘效应。

下面结合附图对本发明实施方案的原理进行描述。

由图1可以看出，表面等离子体纳米光刻结构10自上而下分别为上基底层11、第一光栅层15、第一金属层13、光刻胶层17、第二金属层14、第二光栅层16和下基底层12。

第一金属层13（Ag层）-光刻胶层17-第二金属层14（Ag层）组成的共振腔，Al光栅（第一光栅层15、第二光栅层16）用来激发Ag层与光刻胶层17界面的表面等离子波。第一光栅层15、第二光栅层16相互垂直，入射光分别从共振腔结构顶部和底部入射，当仅有上入射光入射时，会激发出沿x方向的SPP波，仅有下入射光入射时，会激发出沿y方向的SPP波，从在双光束入射下SPP波相互干涉进而在光刻胶中得到纳米点阵图案。模拟软件使用FDTD Solutions。在其他实施例中，第一金属层13和第二金属层14的材质还可以为Al。

对于图1中的结构，表面等离子被激发在第一金属层13、第二金属层14和光刻胶层17表面，为了简化起见，我们试着用金属-介质-金属（MIM）模型来近似地描述图1的结构。在以下的讨论中，我们发现MIM模型分析结果与用FDTD方法严格计算的结果相一致。

对于双光束表面等离子模型，我们可以先对单入射光分析。当仅有上入射光入射时，得到的SPP色散关系：

$e^{-2k_1{d}_1}=\frac{k_1/{\mathrm{\ϵ}}_1+k_2/{\mathrm{\ϵ}}_2}{k_1/{\mathrm{\ϵ}}_1-k_2/{\mathrm{\ϵ}}_2}\frac{k_1/{\mathrm{\ϵ}}_1+k_3/{\mathrm{\ϵ}}_3}{k_1/{\mathrm{\ϵ}}_1-k_3/{\mathrm{\ϵ}}_3}$

$k_i^2=k_x^2-k_0^2{\mathrm{\ϵ}}_i,i=\mathrm{1,2,3}$

其中下标i=1,2,3分别代表了光刻胶层17、第一金属层13和第二金属层14。d1为光刻胶层17的厚度，k0为入射光波长的波矢。Drude模型

用来描述Ag的介电常数，ε_∞=3.7，ω_p＝1.38×10¹⁶rad/s，V_c=2.73×10¹³rad/s。本发明实施例中，光刻胶层17的折射率为1.7。

考虑仅有下入射光照射到共振腔结构上，同理可知，所激发的SPP波沿着y方向传播。最后我们考虑SPP干涉类似于四光束以相同角度θ=90°干涉，因此所得到的纳米点阵周期为：λ_sp为SPP波波长。

通过FDTD数值模拟，我们分析了在共振腔电场分布情况。

图2a~图2c展示了在光刻胶层17不同深度（距离光刻胶层17的上表面）的平面（x-y）内电场分布情况。第一光栅层15和第二光栅层16的周期和厚度分别为1000nm和25nm，光栅狭缝为30nm，第一金属层13和第二金属层14的厚度均为25nm，光刻胶层17的厚度为30nm。入射光波长为436nm，上入射光偏振方向沿x方向，下入射光方向沿着y方向。上基底层11和下基底层12均采用二氧化硅（SiO₂），SiO₂和光刻胶层17的介电常数分别为2.25和2.89，在此波长下，Ag的介电常数为ε_Ag＝-6.489+0.064i，Al的介电常数为ε_Al＝-27.566+0.213i。

由图2a~图2c可知，在光刻胶层17中的点阵周期（沿对角线方向）约为88nm（约等于λ/5，λ为入射光波长），突破了衍射极限的限制。在不同深度的光刻胶层17的平面内能保持均匀的点阵分布，而且具有相同的电场分布，这说明了本发明的双光束共振腔结构具有很好的曝光深度。在如图2b虚线所对应的位置处可见度，

可以达到0.954，很好地满足了正常负光刻胶所需求的最小可见度（0.2）。即利用双光束表面等离子体共振腔获得的纳米点阵具有很高的可见度。

表面等离子体纳米光刻结构10的制备方法如下：

（a）、在熔融石英基底（下基底层12）利用物理溅射方法沉积25nm厚的金属铝，再在其上旋涂30nm厚的光刻胶层，通过平行紫外光透过以制作好的掩模板（周期为1000nm，占空比为0.03），在近场条件下对其进行接触式曝光，显影去除非聚合的光刻胶，利用离子刻蚀光刻胶层直至低凹处露出石英基底，去除光刻胶，便得到了铝光栅（第二光栅层16，周期为1000nm，占空比为0.97），然后再其上沉积25nm厚的银层（第二金属层14）；

（b）、同步骤（a）再制作同样一个掩模板；

（c）、选择做好的掩模板（步骤（a）或（b）中的掩模板），在其金属层上旋图30nm厚的光刻胶层17，将另一掩模板压在光刻胶层17上；

（d）、通过平行光透过上下两掩模板，对光刻胶进行接触式曝光。

图3a-3c所示为本发明光刻胶层的厚度分别为40nm、30nm、20nm时的电场分布图。

图3a、图3b和图3c中光刻胶层17的厚度依次为40nm、30nm和20nm，相应的纳米点阵周期为101nm、88nm和70nm。随着光刻胶层17厚度的减小，获得的纳米点阵周期逐渐减小。利用双光束表面等离子共振腔，可以通过调节共振腔的长度灵活改变纳米点阵周期。同时通过对光刻胶层不同厚度的理论模拟，在实验时选择光刻胶层的厚度在10nm~60nm区域内。

图4a所示为SPP波矢在不同的光刻胶层厚度下与入射光波长的色散关系；图4b所示为纳米点阵周期在不同的光刻胶层厚度下与入射光波长的色散关系。

从图4a和图4b中可以看出，SPP波矢以及纳米点阵周期随着光刻胶厚度的变化而变化是比较明显的，在入射波长为436nm，光刻胶层厚度分别取40nm、30nm和20nm，所得到的SPP波矢分别为0.0474nm^-1、0.0539nm^-1和0.0674nm^-1，相应的纳米点阵周期分别为94nm、83nm和66nm。如图4b,这和从软件模拟得到的点阵周期101nm、88nm和70nm基本吻合。

图5a~5c所示为不同光栅材料下光刻胶层中电场的分布情况。

图5a、图b以及图5c中光栅（第一光栅层15、第二光栅层16）的材料分别为Cr、Al和Si。设定光栅周期为1000nm，狭缝宽度为30nm,厚度为25nm，Ag层（第一金属层13、第二金属层14）厚度为25nm，光刻胶层厚度为30nm。由图中我们可以看到，在光刻胶层（距上银层15nm处）中，随着光栅材料的改变，并没有显著改变电场的分布。由此，我们可知光栅结构是用于激发Ag层与光刻胶层表面等离子波，与其材料没有太大的关系，但是我们也可看出用Al光栅得到的纳米在均匀性上要优于其他光栅材料得到的点阵。

图6a~6e所示为在不同光栅狭缝宽度时光刻胶层中电场的分布。

Al光栅（第一光栅层15、第二光栅层16）周期为1000nm，厚度为25nm，Ag层（第一金属层13、第二金属层14）厚度为25nm，光刻胶层17厚度为30nm。图6a~6e中光栅（第一光栅层15、第二光栅层16）狭缝的宽度依次为80nm、60nm、40nm、30nm和20nm。我们可以看到在光刻胶层17中电场的分布情况（距上银层15nm处），随着狭缝宽度的变化，点阵图形基本不变，只是对点阵的均匀性有所影响，也即是说狭缝的宽度对点阵的分布影响不大。但是从图6a、6b中可得看出，随着狭缝的增大，点阵也变得不均匀，特别是在狭缝处，所以在对于狭缝的选取最好不要超过80nm。

图7a~7e所示为在不同入射光波长下光刻胶层中电场的分布。

设定Al光栅（第一光栅层15、第二光栅层16）周期1000nm，光栅（第一光栅层15、第二光栅层16）狭缝宽度为30nm，厚度25nm，银层厚度为25nm，光刻胶层厚度为30nm。

从图7a~7e可以看出，随着入射波长的增大，在光刻胶层（距上银层15nm处）中所得到的点阵周期是越来越大的。表明随着波长的增大光刻胶层中的点阵周期也越来越大，即点阵周期对入射光波长比较敏感的。入射光波长分别为436nm、520nm和710nm时所对应的纳米点阵周期为88nm、118nm和177nm,与理论计算的相应点阵周期83nm、116nm和175nm基本吻合。但在入射波长为480nm和632.8nm时，边缘效应比较明显以致不能形成较均匀的点阵图案。这表明了我们设定的这个结构对入射波长是有选择性的，只有特定的一些波长才能形成均匀的点阵图形。

图8a~8d所示为第一金属层和第二金属层为不同厚度时光刻胶层中电场的分布情况。图9所示为图8b中虚线处电场强度的分布图。

设定Al光栅（第一光栅层15、第二光栅层16）周期1000nm，光栅（第一光栅层15、第二光栅层16）狭缝宽度为30nm，厚度25nm，光刻胶层厚度为30nm，图8a~图8d中金属层（第一金属层、第二金属层）的厚度分别为15nm、25nm、35nm和50nm。如图9所示，当金属层比较厚时，所得到的纳米点阵的强度比较弱，而当金属层比较薄时，所得到的纳米点阵不够均匀，特别是在光栅狭缝对应的对方，边缘效应比较明显。因此在实验中选择金属层厚度时，不宜太厚也不宜太薄，厚度优选在10nm~80nm区域内选择，更优选地，该厚度为25nm。

综上所述，第一金属层、第二金属层以及光刻胶层构成共振腔，分别利用第一光栅层和第二光栅层来激发第一金属层与光刻胶层以及第二金属层与光刻胶层界面的表面等离子波，从而可以大大提高光刻技术的分辨率；另外，本发明采用双光束曝光，可以实现良好的曝光深度。第一光栅层和第二光栅层均为一维光栅。其周期可以做的比较大，因此掩模板易于制作。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种表面等离子体纳米光刻结构，包括上基底层、下基底层、共振腔和金属光栅层，所述共振腔和金属光栅层设于所述上基底层和下基底层之间，其特征在于：所述金属光栅层包括第一光栅层和第二光栅层，所述共振腔位于所述第一光栅层和所述第二光栅层之间，所述共振腔包括光刻胶层，所述共振腔还包括第一金属层和第二金属层，所述光刻胶层设于所述第一金属层和第二金属层之间。

2.根据权利要求1所述的表面等离子体纳米光刻结构，其特征在于：所述第一金属层和第二金属层的材料均为银。

3.根据权利要求1所述的表面等离子体纳米光刻结构，其特征在于：所述第一金属层和第二金属层的厚度为10nm～80nm。

4.根据权利要求1所述的表面等离子体纳米光刻结构，其特征在于：所述第一光栅层和第二光栅层的材料选自铝、铬或硅。

5.根据权利要求1所述的表面等离子体纳米光刻结构，其特征在于：所述第一光栅层和第二光栅层的狭缝相垂直。

6.根据权利要求1所述的表面等离子体纳米光刻结构，其特征在于：所述光刻胶层的厚度为10nm～60nm。

7.根据权利要求1所述的表面等离子体纳米光刻结构，其特征在于：所述第一光栅层和第二光栅层的狭缝的宽度小于80nm。

8.根据权利要求1所述的表面等离子体纳米光刻结构，其特征在于：所述第一光栅层和第二光栅层均为一维光栅。

9.一种表面等离子体纳米光刻方法，其特征在于：提供权利要求1所述的表面等离子体纳米光刻结构，入射光分别从上基底层和下基底层进行入射，并在所述光刻胶层上实现曝光。

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