CN104614949B - 高深宽比超分辨纳米光刻结构和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳米光刻结构和方法，具体为高深宽比超分辨纳米光刻结构，依次包括透明的上基底层、金属光栅层、光刻胶层、增益介质层、金属薄膜层和下基底层，所述金属光栅层、光刻胶层、增益介质层和金属薄膜层共同构成了基于表面等离子体的四层金属波导共振腔结构。本发明提供的高深宽比超分辨纳米光刻结构，金属波导结构有金属光栅、光刻胶层、增益介质和金属薄膜层等四层金属波导组成，生成的纳米图形的深宽比，突破了现有的表面等离子体光刻技术。产生的纳米光刻条纹的深宽比相比于现有基于表面等离子体光刻方法提高很多，该光刻技术方法可以通过调节增益介质的材料和厚度来调节纳米图形分辨率和深宽比。

Description

高深宽比超分辨纳米光刻结构和方法

技术领域

本发明涉及一种纳米光刻结构和方法，具体为高深宽比超分辨纳米光刻结构和方法。

背景技术

随着微电子及半导体产业的不断发展，获得高分辨力、高质量纳米图形的光刻技术显得尤为重要。由于传统的光学成像和微细加工技术受到衍射极限的限制，利用表面等离子体波(SurfacePlasmonWaves，SPWs)的超衍射特性将为获得亚波长、甚至更小纳米尺寸的结构提供了潜在的技术途径。SPWs的一种显著特点就是其波长比在同频率下的光波要小很多，同时具有近场增强效应的奇异光学特性，能有力地克服倏逝波弱场的缺点，得到尺寸更小的图形。

高质量的纳米光刻图形，除了高的分辨率，高对比度和高深宽比也是检验图形制备质量的指标。

文献Mehrotra，P.；Mack，C.A.；Blaikie，R.J.；Opt.Express，2013，21，13710-13725.中公开了一种提高纳米光刻图形深宽比的方法。该方法利用棱镜的无掩模光刻模式和高数值孔径的光学系统，在光刻胶下添加一层有效增益介质，利用两个对称的斜入射的光束曝光实现。对于未添加增益介质的情况，在棱镜-光刻胶界面产生的干涉条纹会由于倏逝波的迅速衰减而使得光刻图形深度有限。添加介质后，棱镜-光刻胶-增益介质波导内的支持的导波与棱镜-光刻胶界面生产的倏逝波发生共振，实现高深宽比的超分辨纳米光刻图形。实验上在405nm工作波长和光学数值孔径N.A.＝1.824的光学系统，得到半周期为55.5nm、深度为96nm的光刻图形结构，图形深宽比为1.73。

采用上述方法虽然可以实现高深刻比的超分辨纳米光刻图形，但是，对于高数值孔径的光学系统，相应的设备复杂且昂贵。同时对于两个对称的光束斜入射的实现也是比较复杂的。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种结构简单、低成本的光刻结构以实现高深宽比的超分辨纳米光刻图形的制备。

具体的技术方案为：

高深宽比超分辨纳米光刻结构，依次包括透明的上基底层、金属光栅层、光刻胶层、增益介质层、金属薄膜层和下基底层，所述金属光栅层、光刻胶层、增益介质层和金属薄膜层共同构成了基于表面等离子体的四层金属波导共振腔结构；

上基底层是由石英组成；

金属光栅层的材料为Cr、Au、Ag或Al，其中金属光栅层的金属光栅的周期和厚度分别为160nm和50nm，金属光栅缝宽为60nm；占空比太小时，靠近狭缝处的干涉光刻条纹强度比两相邻狭缝中间光刻胶区域的干涉光刻条纹强度大很多，不利于在光刻胶区域形成强度均匀的干涉条纹；占空比太大时，入射光透过金属光栅掩模的强度很小，光刻胶区域干涉条纹强度小，影响图形的曝光。

光刻胶层厚度为100nm；光刻胶层的厚度由入射光波长，上下两种金属及光刻胶下的增益介质的材料和厚度所决定。

增益介质层厚度为8nm；增益介质层采用的材料是GaN；增益介质太厚会影响光刻胶的厚度，且光刻胶下部分的干涉条纹强度会较小，影响光刻胶整体区域的条纹强度的均匀性。

金属薄膜层厚度为40nm；金属薄膜层采用的材料是Al；

下基底层由石英、硅或者聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)组成。

高深宽比超分辨纳米光刻方法：

利用基于表面等离子体的四层金属波导共振腔结构的色散关系：

$\frac{{\mathrm{\α}}_2}{{\mathrm{\ϵ}}_2}\frac{1-\frac{{\mathrm{\α}}_2/{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\α}}_1/{\mathrm{\ϵ}}_1}{{\mathrm{\α}}_2/{\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\α}}_1/{\mathrm{\ϵ}}_1}{e}^{2{\mathrm{\α}}_{2}d}}{1+\frac{{\mathrm{\α}}_2/{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\α}}_1/{\mathrm{\ϵ}}_1}{{\mathrm{\α}}_2/{\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\α}}_1/{\mathrm{\ϵ}}_1}{e}^{2{\mathrm{\α}}_{2}d}}=\frac{{\mathrm{\α}}_3}{{\mathrm{\ϵ}}_3}\frac{\frac{{\mathrm{\α}}_3/{\mathrm{\ϵ}}_3+{\mathrm{\α}}_4/{\mathrm{\ϵ}}_4}{{\mathrm{\α}}_3/{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\α}}_4/{\mathrm{\ϵ}}_4}{e}^{2{\mathrm{\α}}_{3}s}-1}{\frac{{\mathrm{\α}}_3/{\mathrm{\ϵ}}_3+{\mathrm{\α}}_4/{\mathrm{\ϵ}}_4}{{\mathrm{\α}}_3/{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\α}}_4/{\mathrm{\ϵ}}_4}{e}^{2{\mathrm{\α}}_{3}s}+1}---\left(1\right)$

${\mathrm{\α}}_j^2={\mathrm{\β}}^2-k_0^2{\mathrm{\ϵ}}_j,j=1,2,3,4---\left(2\right)$

其中，金属光栅层，介电常数为ε₁，厚度为d₁；

光刻胶层，介电常数为ε₂，厚度为d；

增益介质层，介电常数为ε₃，厚度为s；

金属薄膜层，介电常数为ε₄，厚度为d₄；

β、k₀分别表示金属波导支持的波矢和真空中光的波矢；

α₁、α₂、α₃、α₄分别代表光刻结构中的金属光栅层、光刻胶层、增益介质层和金属薄膜层的垂直界面的波矢分量；

通过方程(1)和方程(2)分析出对于一个入射光波长下，通过优化增益介质层的材料折射率及其厚度，得到纳米图形深宽比值。

这种基于表面等离子体的高深宽比超分辨干涉光刻方法，采用上述引入增益介质的金属波导结构进行光刻，入射光通过金属光栅层掩模后，在光刻胶区域曝光，产生高深刻比的超分辨纳米图形。

本发明提供的高深宽比超分辨纳米光刻结构，金属波导结构有金属光栅、光刻胶层、增益介质和金属薄膜层等四层金属波导组成，生成的纳米图形的深宽比，突破了现有的表面等离子体光刻技术。产生的纳米光刻条纹的深宽比相比于现有基于表面等离子体光刻方法提高很多，该光刻技术方法可以通过调节增益介质的材料和厚度来调节纳米图形分辨率和深宽比。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图；

图2是实施例1的电场强度分布图；

图3是实施例1中光刻胶中不同水平面上干涉条纹的电场强度分布图；

图4是实施例1中没有增益介质光刻结构的电场强度分布图；

图5是实施例1中没有增益介质光刻结构的光刻胶区域中不同水平面上干涉条纹的电场强度分布图；

图6是实施例1的添加增益介质与未添加增益介质两种光刻结构的色散关系图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

如图1所示，高深宽比超分辨纳米光刻结构，依次包括透明的上基底层1、金属光栅层2、光刻胶层3、增益介质层4、金属薄膜层5和下基底层6，所述金属光栅层2、光刻胶层、增益介质层和金属薄膜层共同构成了基于表面等离子体的四层金属波导共振腔结构；

SiO₂构成的上基底层1。金属光栅层2采用材料Cr，下面的金属薄膜层5采用Al，增益介质层4采用的材料是GaN。入射P偏振光由上而下垂直入射，波长为365nm，SiO₂、光刻胶和GaN的折射率分别是1.4745、1.7和2.6538，Cr和Al的介电常数分别为ε_Cr＝-9.0919+9.3170i和ε_Al＝-18.2212+3.2263i。对上述光刻结构进行模拟计算，在模拟过程中Y方向被认为是无限长的，模拟所采用的软件为COMSOL3.5a。

图2和图3，分别是本实施例设计的添加增益介质层4的基于表面等离子体的四层金属波导共振腔结构的光刻电场强度分布及其在光刻胶区域不同水平面位置干涉条纹的电场强度分布图。在图2中，金属光栅的周期和厚度分别为160nm和50nm，光栅缝宽为60nm，光刻胶厚度为100nm，增益介质层厚度为8nm，下面的金属薄膜层厚度为40nm，入射波长为365nm。图3中所示的是分别在光刻胶与金属光栅交界面以下z＝-20nm、-40nm、-60nm、-80nm和-100nm位置的干涉条纹的电场分布。可以看到添加增益介质层后，生产的纳米光刻图形的半周期为40nm，深度为100nm，深宽比为2.5∶1，光刻条纹的对比度为0.5，完全满足光刻的需求。

为与本实施例设计的光刻结构对比，图4和图5所示分别是未加增益介质层的金属波导的光刻电场强度分布及其在光刻胶区域不同水平面位置干涉条纹的电场强度分布图。在图4中，金属光栅的周期和厚度分别为160nm和50nm，光栅缝宽为60nm，光刻胶厚度为100nm，下面的金属薄膜层厚度为40nm，入射波长为365nm。图3中所示的是分别在光刻胶与金属光栅交界面以下z＝-20nm、-40nm、-60nm、-80nm和-100nm位置的干涉条纹的电场分布。可以看到未添加增益介质时，光刻胶厚度为100nm时也不能生成很好的干涉条纹。

从图2、图3、图4和图5可以看出，两种光刻结构在光刻胶中所得到的纳米图形的深度有所不同，添加增益介质后，光刻图形的深度得到很大的提高，图形的深宽比可提高到2.5∶1。

本实施例的添加增益介质层的基于表面等离子体的四层金属波导共振腔结构得到的高深宽比图形的原因可以通过四层金属波导的色散关系进行解释。

如图1所示，这四层金属波导结构自上而下分别是：金属光栅层，介电常数为ε₁，厚度为d₁；光刻胶层，介电常数为ε₂，厚度为d；增益介质层，介电常数为ε₃，厚度为s；金属薄膜层，介电常数为ε₄，厚度为d₄；

本实施例中的金属光栅的材料为金属铬Cr，金属薄膜的材料为金属铝Al，增益介质的材料为GaN。在入射光为p偏振光条件下，在各个介质分界面上应用连续电磁边界条件，四层金属波导结构的色散关系表述如下：

$\frac{{\mathrm{\α}}_2}{{\mathrm{\ϵ}}_2}\frac{1-\frac{{\mathrm{\α}}_2/{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\α}}_1/{\mathrm{\ϵ}}_1}{{\mathrm{\α}}_2/{\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\α}}_1/{\mathrm{\ϵ}}_1}{e}^{2{\mathrm{\α}}_{2}d}}{1+\frac{{\mathrm{\α}}_2/{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\α}}_1/{\mathrm{\ϵ}}_1}{{\mathrm{\α}}_2/{\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\α}}_1/{\mathrm{\ϵ}}_1}{e}^{2{\mathrm{\α}}_{2}d}}=\frac{{\mathrm{\α}}_3}{{\mathrm{\ϵ}}_3}\frac{\frac{{\mathrm{\α}}_3/{\mathrm{\ϵ}}_3+{\mathrm{\α}}_4/{\mathrm{\ϵ}}_4}{{\mathrm{\α}}_3/{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\α}}_4/{\mathrm{\ϵ}}_4}{e}^{2{\mathrm{\α}}_{3}s}-1}{\frac{{\mathrm{\α}}_3/{\mathrm{\ϵ}}_3+{\mathrm{\α}}_4/{\mathrm{\ϵ}}_4}{{\mathrm{\α}}_3/{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\α}}_4/{\mathrm{\ϵ}}_4}{e}^{2{\mathrm{\α}}_{3}s}+1}---\left(1\right)$

${\mathrm{\α}}_j^2={\mathrm{\β}}^2-k_0^2{\mathrm{\ϵ}}_j,j=1,2,3,4---\left(2\right)$

其中β、k₀分别表示金属波导支持的波矢和真空中光的波矢。在计算过程中，由于金属光栅和金属薄膜激发表面等离子体的作用，在金属波导结构中可以看成是无限厚的。在固定增益介质的材料和厚度之后，通过方程(1)可以得到金属波导所支持不同的波矢β所对应的光刻胶的厚度之间的色散关系。

图6所示为基于表面等离子体的四层金属波导共振腔结构中有、无增益介质时的表面等离子体波矢和光刻胶厚度之间的色散关系，结构材料和参数均采用图2和图4中的参数。从图6中可以看到添加增益介质后，相同厚度的光刻胶内所支持的表面等离子体波矢变大，对应的掩模周期变小。对于相同光刻胶厚度100nm，未添加增益介质时，对应的光栅掩模为185nm。添加增益介质后，对应掩模的周期为160nm，可见添加合适的增益介质后，获得纳米图形的深宽比将会得到提高。

Claims (2)

1.高深宽比超分辨纳米光刻结构，其特征在于：依次包括透明的上基底层、金属光栅层、光刻胶层、增益介质层、金属薄膜层和下基底层，所述金属光栅层、光刻胶层、增益介质层和金属薄膜层共同构成了基于表面等离子体的四层金属波导共振腔结构；

上基底层是由石英组成；

金属光栅层的材料为Cr、Au、Ag或Al，其中金属光栅层的金属光栅的周期和厚度分别为160nm和50nm，金属光栅缝宽为60nm；

光刻胶层厚度为100nm；

增益介质层厚度为8nm；增益介质层采用的材料是GaN；

金属薄膜层厚度为40nm；金属薄膜层采用的材料是Al；

下基底层由石英、硅或者聚对苯二甲酸乙二醇酯组成。

2.根据权利要求1所述的高深宽比超分辨纳米光刻结构的光刻方法，其特征在于：利用基于表面等离子体的四层金属波导共振腔结构的色散关系：

$\frac{{\mathrm{\α}}_2}{{\mathrm{\ϵ}}_2}\frac{1-\frac{{\mathrm{\α}}_2/{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\α}}_1/{\mathrm{\ϵ}}_1}{{\mathrm{\α}}_2/{\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\α}}_1/{\mathrm{\ϵ}}_1}{e}^{2{\mathrm{\α}}_{2}d}}{1+\frac{{\mathrm{\α}}_2/{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\α}}_1/{\mathrm{\ϵ}}_1}{{\mathrm{\α}}_2/{\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\α}}_1/{\mathrm{\ϵ}}_1}{e}^{2{\mathrm{\α}}_{2}d}}=\frac{{\mathrm{\α}}_3}{{\mathrm{\ϵ}}_3}\frac{\frac{{\mathrm{\α}}_3/{\mathrm{\ϵ}}_3+{\mathrm{\α}}_4/{\mathrm{\ϵ}}_4}{{\mathrm{\α}}_3/{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\α}}_4/{\mathrm{\ϵ}}_4}{e}^{2{\mathrm{\α}}_{3}s}-1}{\frac{{\mathrm{\α}}_3/{\mathrm{\ϵ}}_3+{\mathrm{\α}}_4/{\mathrm{\ϵ}}_4}{{\mathrm{\α}}_3/{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\α}}_4/{\mathrm{\ϵ}}_4}{e}^{2{\mathrm{\α}}_{3}s}+1}---\left(1\right)$

${\mathrm{\α}}_j^2={\mathrm{\β}}^2-k_0^2{\mathrm{\ϵ}}_j,j=1,2,3,4---\left(2\right)$

其中，金属光栅层，介电常数为ε₁，厚度为d₁；

光刻胶层，介电常数为ε₂，厚度为d；

增益介质层，介电常数为ε₃，厚度为s；

金属薄膜层，介电常数为ε₄，厚度为d₄；

β、k₀分别表示金属波导支持的波矢和真空中光的波矢；

α₁、α₂、α₃、α₄分别代表光刻结构中的金属光栅层、光刻胶层、增益介质层和金属薄膜层的垂直界面的波矢分量；

通过方程(1)和方程(2)分析出对于一个入射光波长下，通过优化增益介质层的材料折射率及其厚度，得到纳米图形深宽比值。