CN102981371A - 一种基于表面等离子体干涉的可重构亚波长光栅光刻机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于表面等离子体干涉的可重构亚波长光栅光刻机，该光刻机包括：激光光源，光电快门，起偏器，分束镜，平面反射镜A，平面反射镜B，棱镜，匹配油，玻璃基底，金属薄膜，偶氮苯聚合物薄膜。激光光源发出的光束经起偏器后呈TM偏振，并经分束镜分成强度相等的两束，经平面反射镜后，以表面等离子体的激发角辐照到金属薄膜上，并激发多层结构中的表面等离子体波，两束波的干涉导致偶氮苯聚合物的质量迁移，从而刻写出亚波长光栅，且其周期可通过偶氮苯聚合物薄膜的厚度调节。本发明基于表面等离子体干涉场，偶氮苯聚合物薄膜，实现了大面积亚波长光栅的刻写，光刻工艺简单，无需显影、定影，且刻写的光栅可擦除和重构。
Description
技术领域
本发明涉及微电子、光电子器件制备等微纳加工领域的光刻机技术领域，特别涉及一种基于表面等离子体干涉的可重构亚波长光栅光刻机。
背景技术
光刻技术是一种精密的微细加工技术。现有的表面等离子体光刻技术均采用传统的光刻胶，表面等离子体的激发采用高折射率棱镜，或亚波长金属光栅掩模版，光源则大多采用紫外光源。上述光刻手段在实际应用中都有着局限性。其主要存在的问题为：
1、光刻工艺复杂：光刻采用传统的光刻胶，曝光后，需要对光刻胶在暗室进行显影、定影等化学处理工艺，工艺复杂、耗时，如果其中某一环节出错，则需重头再来。
2、成本高，现有的基于表面等离子体的光刻技术，光源大多为紫外光，紫外光源其成本比可见光波段的光源价格昂贵，如果采用亚波长金属光栅掩模版，其制作成本也很高，而采用高折射率棱镜的成本显然高于使用低折射率棱镜。
3、周期变化困难，现有的采用高折射率棱镜激发表面等离子体的光刻机，一般采用棱镜、金属、匹配油、光刻胶、光刻胶基底的结构，刻写光栅的周期单一，如需刻写不同周期的光栅，则需要新折射率棱镜或光刻胶。采用亚波长金属光栅掩模版的光刻机要改变其刻写周期也需重新设计掩模版。
4、样品容易污染，现有的采用高折射率棱镜激发表面等离子体的光刻机，需要在金属薄膜层和光刻胶层之间加折射率匹配油，该匹配油很容易污染样品表面，甚至会溶解光刻胶。
5、难以实现大面积刻写，采用亚波长金属光栅掩模版的表面等离子体光刻机很难实现大面积光刻。
发明内容
本发明的目的是克服现有表面等离子体光刻技术的不足，提出一种基于可见光或紫外激光激发的表面等离子体干涉和偶氮苯聚合物薄膜的可重构亚波长光栅光刻机。是一种工艺简单、成本低、周期可调、刻写结构可重构的大面积亚波长光栅光刻机。
实现上述目的的技术方案如下：
一种基于表面等离子体干涉的可重构亚波长光栅光刻机，该光刻机包括：激光光源，光电快门，起偏器，分束镜，平面反射镜A，平面反射镜B，棱镜，匹配油，玻璃基底，金属薄膜，偶氮苯聚合物薄膜；其中，
所述的激光光源，为可见光或紫外光波段的激光，用于激发多层结构中的表面等离子体波，所述激光光源所发射的激光，经过光电快门控制曝光时间，通过起偏器后形成TM偏振光，再经分束镜分成强度相同的两束光，两束光分别被平面反射镜A、平面反射镜B反射后，以相同的激发表面等离子体的入射角辐照到金属薄膜上，从而激发金属薄膜，偶氮苯聚合物薄膜和空气多层结构中的两束表面等离子体波，该两束表面等离子体波的相互干涉导致偶氮苯聚合物的质量迁移，从而在金属薄膜上的偶氮苯聚合物薄膜层刻写出大面积亚波长光栅，光栅的面积与激发光源的光斑面积相当，光栅的周期可以通过偶氮苯聚合物薄膜的厚度来调节，所刻写的光栅可通过加热或圆偏振光辐照来擦除，进而进行重新刻写。
进一步的，所述的激光光源可采用可见光波段或紫外波段的激光，如：532nm激光，442nm激光或355nm激光。
进一步的，所述的偶氮苯聚合物薄膜厚度为10nm~60nm。
本发明技术方案的原理为：
所述激光光源，通过所设计的光路，可以激发两束表面等离子体波，其亚波长周期的干涉场诱导偶氮苯聚合物产生质量迁移，从而直接刻写亚波长光栅。此过程无需掩模，且无需显影、定影等后续工艺，且刻写光栅可通过加热和圆偏振光辐照来擦除，进而进行重写刻写。由于偶氮苯聚合物薄膜的光谱响应范围宽，故刻写亚波长光栅的光源选择性较宽，即可以使用紫外激光，也可以使用可见光波段的激光。通过棱镜、匹配油、玻璃基底、金属薄膜、偶氮苯聚合物薄膜、空气这种设计结构，只要偶氮苯聚合物薄膜在一定厚度范围内，均可激发表面等离子体波，且偶氮苯聚合物薄膜越厚，激发的表面等离子体波的波长越短，从而可通过改变偶氮苯聚合物薄膜的厚度实现对亚波长光栅周期的控制。由于光路设计的等光程特点，从而降低了对激光光源相干长度的要求。金属薄膜蒸镀在玻璃基底上，其与棱镜具有相同的折射率，金属薄膜的厚度控制在几十纳米。利用旋涂法制备偶氮苯聚合物薄膜，通过溶液的浓度，旋涂速度等参数控制薄膜的厚度。
本发明和传统技术相比的优势为：
1、结构简单：通过改变偶氮苯聚合物薄膜的厚度，利用表面等离子体干涉实现不同周期的亚波长光栅刻写。此种方法无需制作光刻掩模板，只需通过激发光的近场效应压缩波长并干涉实现亚波长周期光场，进而刻写亚波长周期光栅。
2、工艺简化：光刻采用新型光刻介质偶氮苯聚合物薄膜，表面等离子体的干涉场诱导偶氮苯聚合物薄膜发生质量迁移，一次性刻写亚波长光栅，曝光后，无需在暗室进行显影、定影等化学处理工艺。
3、刻写结果可重构：如果刻写的光栅达不到要求，只需通过加热或圆偏振光辐照对其擦除，从而进行重新刻写。而采用传统光刻胶光刻时，如果刻写结构达不到要求，则需要重头再来。
4、成本低：该光刻方案无需光刻掩模板，光路简单，光源及各种光学元件的成本均较低，从而实现了低成本的亚波长光栅刻写。
5、样品无污染：棱镜、匹配油、玻璃基底、金属薄膜、偶氮苯聚合物薄膜、空气这种结构的设计，偶氮苯聚合物薄膜的上层为空气，故不会对其造成污染。
6、用低折射率棱镜：棱镜、匹配油、玻璃基底、金属薄膜、偶氮苯聚合物薄膜、空气这种结构的设计，由于偶氮聚合物薄膜的厚度在十几至几十纳米，故可以采用低折射率棱镜，如普通的石英玻璃、BK7玻璃等即可激发表面等离子体。
7、大面积刻写：由于采用棱镜结构激发表面等离子体干涉光刻，刻写光栅的面积与激光表面等离子体的激光光源光斑相当，故实现了大面积光刻。
附图说明
图1为本发明一种基于表面等离子体干涉的可重构亚波长光栅光刻机结构示意图；
图2为偶氮苯聚合物薄膜厚度为15nm时，刻写的亚波长光栅的原子力显微镜图；
图3为偶氮苯聚合物薄膜厚度为55nm时，刻写的亚波长光栅的原子力显微镜图；
其中，1、激光光源，2、光电快门，3、起偏器，4、分束镜，5、平面反射镜A，6、平面反射镜B，7、棱镜，8匹配油，9、玻璃基底，10、金属薄膜，11、偶氮苯聚合物薄膜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描叙，附图中相同的标号始终表示相同的部件。
实施例1：
参照图1所示的一种基于表面等离子体干涉的可重构亚波长光栅光刻机，包括：激光光源1，光电快门2，起偏器3，分束镜4，平面反射镜A 5，平面反射镜B 6，棱镜7，匹配油8，玻璃基底9，金属薄膜10，偶氮苯聚合物薄膜11；其中，在玻璃基底9上蒸镀一层金属薄膜10（39nm厚的银膜），进而旋涂含偶氮苯聚合物的有机溶液，得到15nm厚的偶氮苯聚合物薄膜10，烘干后通过与棱镜7折射率相近的匹配油8置于棱镜7（折射率为1.52）上。激光光源1选用可见光波段的532nm激光器，其所发射激光，经控制曝光时间的光电快门2后，通过起偏器3成为TM偏振光，再经分束镜分成强度相等的两束光，两束光分别经平面反射镜A5、平面反射镜B6反射后，经激发表面等离子体结构的棱镜7、匹配油8和玻璃基底10后，两束光以相同的激发表面等离子体的入射角48.11°辐照在金属薄膜10上，从而激发金属薄膜10、偶氮苯聚合物薄膜11和空气多层结构中的表面等离子体波，表面等离子体波的干涉诱导偶氮苯聚合物产生质量迁移，从而刻写出亚波长光栅。上述方法刻写的亚波长光栅的周期为243nm，其原子力显微镜照片见图2。
实施例2：
通过改变偶氮苯聚合物薄膜的厚度，可实现不同周期的亚波长光栅的刻写。偶氮苯聚合物薄膜厚度为55nm时，激发表面等离子体的入射角为76.96°，刻写亚波长光栅的周期为190nm，其原子力显微镜照片见图3。
其它结构同实施例1。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
Claims (3)
1.一种基于表面等离子体干涉的可重构亚波长光栅光刻机，该光刻机包括：激光光源（1），光电快门（2），起偏器（3），分束镜（4），平面反射镜A（5），平面反射镜B（6），棱镜（7），匹配油（8），玻璃基底（9），金属薄膜（10），偶氮苯聚合物薄膜（11）；其中：
所述的激光光源（1），为可见光或紫外光波段的激光，用于激发多层结构中的表面等离子体波；所述激光光源（1）所发射激光经过光电快门（2）控制曝光时间，然后通过起偏器（3）后形成TM偏振光，再经分束镜（4）分成强度相同的两束光，该两束光分别被平面反射镜A（5）、平面反射镜B（6）反射后，以相同的激发表面等离子体的入射角辐照到金属薄膜（10）上，从而激发金属薄膜（10）、偶氮苯聚合物薄膜（11）、空气多层结构中的两束表面等离子体波，该两束表面等离子体波的相互干涉导致偶氮苯聚合物的质量迁移，从而在金属薄膜（10）上的偶氮苯聚合物薄膜（11）层刻写出大面积亚波长光栅，光栅的面积与激发光源的光斑面积相当，光栅的周期可以通过偶氮苯聚合物薄膜（11）的厚度来调节，所刻写的光栅可通过加热或圆偏振光辐照来擦除，进而进行重新刻写。
2.根据权利要求1所述的基于表面等离子体干涉的可重构亚波长光栅光刻机，其特征在于，所述的激光光源（1）可采用可见光波段或紫外波段的激光，如：532nm激光，442nm激光或355nm激光。
3.根据权利要求1或2所述的基于表面等离子体干涉的可重构亚波长光栅光刻机，其特征在于，所述的偶氮苯聚合物薄膜（11）厚度为10nm~60nm。
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