CN102880010A

CN102880010A - 基于金属—介质—探针结构的表面等离子体超衍射光刻方法

Info

Publication number: CN102880010A
Application number: CN2012103253597A
Authority: CN
Inventors: 罗先刚; 王长涛; 赵泽宇; 王彦钦; 陶兴; 胡承刚; 高平; 黄成�; 姚纳; 刘凯鹏
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2012-09-05
Filing date: 2012-09-05
Publication date: 2013-01-16

Abstract

本发明提供一种基于金属—介质—探针（Tip-Insulator-Metal,TIM）结构的表面等离子体超衍射光刻方法，其特征是由金属—介质—探针构成TIM共振腔结构，光从包含有所述共振腔的基底正入射，在所述探针的针尖激发局域表面等离子体（LSP），激发的局域表面等离子体波在向下衰减传播的过程中被金属反射层反射耦合，并经多次反射引起共振，使得夹在所述金属反射层和探针中间的介质记录层中形成纵向分布相对均匀的规则圆形光斑模式。该方法克服了传统探针直写光刻深度浅的问题，使得所述介质记录层不同深度处的光斑大小（FWHM）一致，能量均匀。本发明极大的改善了传统直写探针光刻的光斑质量。并且该方法所用结构简单。可以大大降低光刻线宽。

Description

基于金属—介质—探针结构的表面等离子体超衍射光刻方法

技术领域

本发明涉及近场直写光刻技术，具体涉及一种基于金属—介质—探针（Tip-Insulator-Metal，TIM）结构的表面等离子体超衍射光刻方法，能够有效的改善光斑质量和提高光刻深度

背景技术

随着信息领域的飞速发展，光电子器件结构尺寸不断缩小，从而迫切需求光刻分辨率能够突破衍射极限的限制。近场光刻是近年来这方面研究的重要领域之一，其通过激发金属表面的等离子激元（SPPs），利用激发的SPP波矢大于光在真空中的波矢，来达到突破衍射极限的目的。其中探针直写光刻，由于无需制造高精度掩膜，并且刻写结构灵活有望提供一种成本低，分辨率高，刻写速度快的纳米加工手段。直写光刻中，光刻分辨率受探针针尖的影响巨大，最早使用的SNOM光纤探针（Antosiewicz,T.J.&Szoplik,T.Enhanced energythroughput in corrugated,tapered,metal-coated SNOM probes.Proc.of SPIE 6987,698705-698711），由于耦合传输效率太低而难以推广使用。美国的张翔课题组用哑铃状的天线孔径做探针（zhang,x.Maskless Plasmonic Lithography at 22nm Resolution.scientific reports,1-6）。在355nm的脉冲光源下，通过合理控制光功率和脉冲延时得到了22nm的线宽。虽然天线孔径在一定程度上提高了光的耦合透射率。然而，天线孔径探针随着结构尺寸的减小，其制作难度将会成倍增加。并且其刻出的线条深度也才1-2个纳米。上海光机所提出一种探针诱导表面等离子体光刻，利用纯金属探针二次诱导表面等离子体增强来实现光刻（Xiaogang Hong,Wendong Xu et al.Field enhancement effect of metal probe in evanescent field.CHINESE OPTICS LETTERS.Vol.7,No.1(2009)）。然而其存在首次激发的表面等离子光场构成背景干扰，对比度太低的缺点。另外其使用的倾斜照明激发SP，存在光斑不对称，背景光强高、需要使用棱镜照明，样品移动容易导致照明变化等问题。

发明内容

本发明考虑的上述存在的不足，目的在于提供一种基于金属—介质探针（TIM）结构的表面等离子体超衍射光刻方法，进一步缩小光斑尺寸，增大光刻深度，改善光斑质量。

本发明采用的技术方案是：一种基于金属—介质探针（TIM）结构的表面等离子体超衍射光刻方法，激光从基底下方正入射，基底上方是由金属反射层，介质记录层和金属探针构成的TIM结构的谐振腔，所述的基底的材料为对所选波长透明的玻璃，所述的金属反射层材料为能够共振激发表面等离子体的金属或掺杂合成金属膜层材料，要求其介电常数实部的绝对值与介质记录层介质的介电常数实部的数值大小相差小于10％，所述的介质记录层为有机或无机感光材料，其厚度范围1nm～50nm，所述的金属探针为无孔金属探针或有孔探针，所述的金属探针尖端到记录介质层上表面的距离范围为0～10nm，入射光在所述金属探针针尖激发局域表面等离子体（LSP），该LSP波在所述金属探针针尖近场衰减传播过程中被所述金属反射层反射耦合，在所述TIM谐振腔中产生共振增强，从而使得中间的所述介质记录层中产生规则圆形对称分布的纳米光斑。

其中，所述的基底的材料为透明玻璃上再加一层介电常数大于4的高折射率介质层。

其中，所述的金属反射层材料为金、银、铝。

其中，所述的介质记录层具体为光刻胶或氧化碲，并且选择不同介质记录层厚度时，金属探针下方的金属反射层厚度尺寸相应调整。

其中，所述的金属探针为无孔金属探针时，其为镀金属膜的实心探针或实心金属探针；所述的金属探针为有孔探针时，其为纳米圆孔或蝴蝶结型结构产生纳米透射光斑的开孔形状。

其中，所述的无孔金属探针，其针尖形状为圆柱形，球形或椭球形；或者所述的无孔金属探针直接用纳米小球代替探针。

其中，所述的金属探针，其金属材料为能够激发局域表面等离子体的Pt，Ag或Au这样的贵金属材料。

其中，所述的金属探针为无孔金属探针时，其尖端曲率半径要求在10～50nm；所述的金属探针为有孔探针时，其最小特征尺寸在10～50nm。

其中，照明方式为正入射照明，为平行光或聚焦光束照明；当金属探针为无孔探针时，照明从基底一侧正入射照明；当探针为开孔探针时，照明可以从基底一侧正入射照明，或者通过连接探针的光纤照明，或者小孔上方正入射照明；照明光波长选择范围为紫外、可见或红外，要求照明光能够对记录介质感光。

其中，所述的金属反射层厚度根据记录介质层厚度优化选择。

其中，金属探针和照明光场位置固定，记录介质层和基底通过纳米位移台相对运动，通过控制照明光场的开关，实现不同位置处的记录介质感光，从而实现任意纳米图形光刻。

本发明与先前的技术相比的技术效果为：

一，本发明产生的焦斑均匀性好，表现在深度可达几十纳米的范围内，光斑尺寸一致，能量均匀。从而可以有效的增加刻蚀深度。

二，本发明光斑的尺寸受探针针尖控制，而纯金属探针相对孔径探针不仅容易做的很尖，而且激发的局域场能量更高。理论上可以达到几个纳米的刻蚀宽度。

三，本发明由于激发的SPP在谐振器中多次反射共振产生光刻，并且入射光从底面正入射进谐振器，避免了斜入射产生的背景干涉场，对比度大。有利于扩展成探针阵列式光刻。

附图说明

图1为本发明基于TIM结构的表面等离子体超衍射光刻方法原理图。

图2为本发明的一个实施案例。

图3为本发明的一个三维仿真计算的光强分布图。

图4为图3虚线处的截面图。

图5为图4虚线处的截面曲线图。

具体实施方式

下面参照附图说明对本发明的实施案例进行介绍，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。

图1为本发明基于金属—介质—探针（TIM）结构的表面等离子超衍射光刻方法原理图，其中TIM结构由金属反射层3，介质记录层2和金属探针1构成。基底则可以为透明玻璃5，或者透明玻璃5加高介质材料4构成。入射光从基底底面正入射进TIM结构，在探针1的针尖激发局域表面等离子体，该局域表面等离子体局域在针尖表面，并且沿纵向指数衰减。所以没有加金属反射层3的情况下，导致记录层2中的刻蚀深度浅，并且光斑随深度迅速发散。本发明由于增加了金属反射层3使得衰减的局域表面等离子场被反射回TIM结构，在探针1与金属反射层3之间形成共振耦合，不仅能够有效的补偿能量衰减，而且可以抑制光斑的发散。从而使得介质记录层2中形成大小一致，能量均匀的规则圆形光斑。

图2为本发明的一个实施案例光路图，所选入射光可以为汞灯I线（波长365nm）。激光器6发出的激光光束经聚焦透镜7和扩束透镜8准直扩束后，再经反射镜9反射，垂直入射到待刻样品12上，样品12放置在承载台10上。利用AFM系统11控制探针移动到与待刻样品接触，从而形成一个纳米量级的TIM谐振腔。我们利用AFM系统11既能够控制探针1的移动，也可以控制样品承载台10的移动实现任意结构的刻蚀。

图3、4、5为利用商用软件COMSOL Multiphysics4.2a对本发明进行三维仿真的光强分布结果。

所使用的探针1为实心锥形金属探针，针尖呈半球形，半径在25nm左右，其作用是有效的激发局域表面等离子体，并且与金属反射层3形成共振耦合，材料可以用金属Ag，其在所述波长的下的介电常数为ε_Ag＝-2.4012+0.2448*i。

所述的介质记录层2为感光效率良好的光刻胶聚合物，例如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），供参考之用，在365nm波长下，其介电常数约为2.56。厚度在1-50nm之间。当介质记录层2的厚度不同，耦合进的光斑腰板尺寸不同，甚至可达几个纳米的半高宽。图3、4、5仿真的介质记录层厚度为5纳米。在介质记录层下界面得到FWHM=8纳米的光斑。

所述的金属反射层3为与金属探针相同材料的金属，目的在于能够反射耦合倏逝波。厚度存在一个与光刻胶的最佳匹配厚度，当光刻胶的厚度选取5nm 时，其厚度优化为5nm。

所述的基底5选用对365纳米波长透明的玻璃，如SiO₂等材料，介电常数在2.13左右。其上可以加一层高折射率介质4，如Si₃N₄材料，介电常数为4.36。目的在于增大光的透射率，使得更多入射光进入到TIM谐振腔中。

本发明之所以选择从底端正入射，一方面考虑使得入射光能够均匀的照射到探针针尖上，激发的局域表面等离子体对称分布在针尖的下底面，避免因照射不均匀导致光斑形状不对称。另一方面，由于金属Ag层的吸收，可以有效的隔开入射场和激发场，避免入射场干涉产生的背景光。以此提高对比度。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内的局部修改或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims

1.一种基于金属—介质—探针结构的表面等离子体超衍射光刻方法，其特征在于：激光从基底下方正入射，基底上方是由金属反射层（3），介质记录层（2）和金属探针（1）构成的TIM结构的谐振腔，所述的基底的材料为对所选波长透明的玻璃，所述的金属反射层材料为能够共振激发表面等离子体的金属或掺杂合成金属膜层材料，要求其介电常数实部的绝对值与介质记录层（2）介质的介电常数实部的数值大小相差小于10％，所述的介质记录层（2）为有机或无机感光材料，其厚度范围1nm～50nm，所述的金属探针（1）为无孔金属探针或有孔探针，所述的金属探针（1）尖端到记录介质层（2）上表面的距离范围为0～10nm，入射光在所述金属探针（1）针尖激发局域表面等离子体（LSP），该LSP波在所述金属探针（1）针尖近场衰减传播过程中被所述金属反射层（3）反射耦合，在所述TIM谐振腔中产生共振增强，从而使得中间的所述介质记录层（2）中产生规则圆形对称分布的纳米光斑。

2.根据权利要求1所述的基于金属—介质—探针结构的表面等离子体超衍射光刻方法，其特征在于：所述的基底的材料为透明玻璃上再加一层介电常数大于4的高折射率介质层。

3.根据权利要求1所述的基于金属—介质—探针结构的表面等离子体超衍射光刻方法，其特征在于：所述的金属反射层（3）材料为金、银、铝。

4.根据权利要求1所述的基于金属—介质探针结构的表面等离子体超衍射光刻方法，其特征在于：所述的介质记录层（2）具体为光刻胶或氧化碲，并且选择不同介质记录层（2）厚度时，金属探针（1）下方的金属反射层（3）厚度尺寸相应调整。

5.根据权利要求1所述的基于金属—介质—探针结构的表面等离子体超衍射光刻方法，其特征在于：所述的金属探针（1）为无孔金属探针时，其为镀金属膜的实心探针或实心金属探针；所述的金属探针（1）为有孔探针时，其为纳米圆孔或蝴蝶结型结构产生纳米透射光斑的开孔形状。

6.根据权利要求5所述的基于金属—介质探针结构的表面等离子体超衍射光刻方法，其特征在于：所述的无孔金属探针，其针尖形状为圆柱形，球形或椭球形；或者所述的无孔金属探针直接用纳米小球代替探针。

7.根据权利要求5所述的基于金属—介质探针结构的表面等离子体超衍射光刻方法，其特征在于：所述的金属探针（1），其金属材料为能够激发局域表面等离子体的Pt，Ag或Au这样的贵金属材料。

8.根据权利要求5所述的基于金属—介质探针结构的表面等离子体超衍射光刻方法，其特征在于：所述的金属探针（1）为无孔金属探针时，其尖端曲率半径要求在10～50nm；所述的金属探针（1）为有孔探针时，其最小特征尺寸在10～50nm。

9.根据权利要求1所述的基于金属—介质—探针结构的表面等离子体超衍射光刻方法，其特征在于：照明方式为正入射照明，为平行光或聚焦光束照明；当金属探针为无孔探针时，照明从基底一侧正入射照明；当探针为开孔探针时，照明可以从基底一侧正入射照明，或者通过连接探针的光纤照明，或者小孔上方正入射照明；照明光波长选择范围为紫外、可见或红外，要求照明光能够对记录介质感光。

10.根据权利要求1所述的基于金属—介质—探针结构的表面等离子体超衍射光刻方法，其特征在于：所述的金属反射层厚度根据记录介质层厚度优化选择。

11.根据权利要求1所述的基于金属—介质—探针结构的表面等离子体超衍射光刻方法，其特征在于：金属探针和照明光场位置固定，记录介质层和基底通过纳米位移台相对运动，通过控制照明光场的开关，实现不同位置处的记录介质感光，从而实现任意纳米图形光刻。