CN109116687B - 一种超分辨光刻的光生成器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超分辨光刻的光生成器件，它由上至下依次布设透明基底层（1）、纳米狭缝或孔洞阵列结构的光栅掩模层（2）、平坦化膜层（3）和光子晶体多层膜（4）。本发明的技术效果是：将高空间频率的倏逝波传输到感光层，形成具有高深宽比、高光场强度特征的深亚波长光刻图形，突破了衍射极限约束，光传输效率高，图形均匀性好。

Description

一种超分辨光刻的光生成器件
技术领域
本发明属于超分辨光刻技术领域，具体涉及一种超分辨光刻的光生成器件，它利用介质薄膜构成的一维光子晶体实现高频倏逝波的有效传输并在感光层形成深亚波长图形。
背景技术
光刻是半导体产业最常用的图形制备技术。受光的衍射极限制约，传统光刻的分辨力只能达到半波长量级。其本质原因是倏逝波未能跟传播波一起到达成像面。因此，包含物体精细结构的高频信息未能参与成像。为了突破衍射极限并获得小尺寸图形，一些新的光刻技术，如相移掩模、二次曝光等被开发使用。而高频的倏逝波也被研究利用来提高成像分辨力并在近场光刻技术里得到了验证。
最近，表面等离子体光刻被提出用来改善光刻图形分辨力。它是利用在金属-介质界面激发的表面等离子体耦合高频倏逝波，并产生深亚波长尺寸的光刻图形。其图形特征尺寸远小于半个波长，分辨力突破了衍射极限。尤其是金属-介质多层膜结构能够实现多个自由度的调节，被广泛应用在超分辨光刻领域。所述的超分辨光刻是指光刻图形分辨力超越了衍射极限，图形特征尺寸小于光源波长的一半。但是，表面等离子体是一种限制在金属表面的特殊电磁场模式。金属损耗高、光透过率低等问题造成在通过多层膜后光强度衰减了几个数量级，在深紫外波段会衰减更多，这将导致过长的曝光时间。即使去除多层膜使感光层直接与金属掩模直接接触，由于表面等离子体自身的倏逝特性也将造成光刻图形深度较浅。同时，大面积区域的光刻图形均匀性也是有待解决的问题。这些问题严重阻碍了表面等离子体光刻的发展和应用。
为了解决这些问题，开发一种能够产生高深宽比的超分辨图形，并保持较高光透过率的光学器件尤为迫切。光子晶体是由不同折射率的介质材料周期性排列而成的人工微结构，其特有的光子带隙能够操控光在光子晶体中的传播。光子晶体较高的光传输效率，及其在操控光传输方面的特殊性能，使它作为光学材料被广泛应用。同时，也使它有可能替换表面等离子体光刻中的金属-介质多层膜而应用在光刻领域。
发明内容
针对表面等离子体光刻中传输损耗大、图形深宽比小的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种超分辨光刻的光生成器件，它能实现高频倏逝波的高效传输并形成具有较大深宽比的超分辨光刻图形。
为了解决上述技术问题，本发明提供的一种超分辨光刻的光生成器件，它由上至下依次为透明基底层、纳米狭缝或孔洞阵列结构的掩模层、平坦化膜层和光子晶体多层膜。
优选地，在光子晶体多层膜之下还布设有感光层和衬底层；感光层与光子晶体多层膜直接接触，或者间隔一定距离，间隔层材料为空气或者透光液体。
本发明的工作过程：用S偏振方向的平面波光源均匀照射到透明基底层，平面光波作用在纳米狭缝或孔洞阵列结构的光栅掩模层上，激发出不同波矢特征的衍射波，衍射波经过平坦化膜层后传输到光子晶体多层膜，利用光子晶体多层膜具有的空间频谱滤波功能，使得一对相同级次的高频衍射波通过，并最终在感光层形成超分辨干涉图形。
本发明的技术效果是：通过光子晶体多层膜滤除杂散级次的衍射波，将特定衍射级次的高频倏逝波传输到感光层，形成具有高深宽比、高光场强度特征的深亚波长光栅阵列图形，突破了衍射极限约束，在光刻技术、微光机电器件制备、高密度数据存储等方面具有重要的应用价值。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1为本发明的结构示意图；
图2为实施例中光子晶体多层膜的光学传递函数（OTF）曲线图；
图3为实施例中光刻结构的仿真效果图。
图中：1.透明基底层；2.光栅掩模层；3.平坦化膜层；4.光子晶体多层膜；41.第一膜层；42.第二膜层；5. 感光层；6.衬底层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
如图1所示，本发明由上至下依次布设透明基底层1、纳米狭缝或孔洞阵列结构的光栅掩模层2、平坦化膜层3和光子晶体多层膜4。
在光子晶体多层膜4之下还布设有感光层5和衬底层6；感光层5与光子晶体多层膜4直接接触，或者感光层5与光子晶体多层膜4间隔一定距离，间隔层材料为空气或者透光液体。
在感光层贴紧曝光情况下，多层膜4与感光层5是真空吸附紧密接触；在有间距曝光情况下，一般在多层膜4与感光层5之间填充液体浸润。
所述的透明基底层1选用无机玻璃、熔融石英、有机玻璃或透明塑料，透明基底层需要有一定硬度、不易变形，并对紫外光、可见光具有较高的透过率。
所述掩模层2为周期性的光栅掩模，属于纳米狭缝或孔洞阵列结构，其材料选用Au、Al、Cr等金属，或者TiO 2 、SiO 2 等介质；所述纳米狭缝或者孔洞阵列结构的排布周期为40nm~400nm，占空比为0.1~0.9。所述的光栅掩模，是用物理气相沉积法在基底层1上沉积掩模材料形成膜层，再用传统光刻工艺或者电子束直写、聚焦离子束直写工艺制备出纳米狭缝或孔洞阵列结构。
所述平坦化膜层3的选用PMMA或者固化胶等对紫外光、可见光具有较高透过率的材料。厚度可以为1nm~50nm。所述的平坦化膜层功能在于填平掩模缝，是将PMMA或者固化胶涂覆在掩模层2上，并通过加热或者光照的方式固化形成。
所述光子晶体多层膜4由两种折射率不同的膜层交替排列构成，膜层材料通过物理气相沉积的方法在平坦化膜层3上沉积制备，结构形式如图1所示。两种折射率不同的膜层为第一膜层41和第二膜层42。所述的光子晶体膜层总数为3~30层。所述膜层材料包括但不限于MgF 2 、Si 3 N 4 、GaN、AlN、Al 2 O 3 、TiO 2 、SiO 2 等介质，同种介质的膜厚相等，不同种介质的膜厚可以相等也可以不相等，各膜层厚度可以为10nm~100nm。
光子晶体多层膜4的作用是在入射光照射掩模层2时，选择性的透过正、负n级次的光栅衍射光，n为掩模光栅激发的衍射波级次。
所述感光层5为对入射光感光的光刻胶，厚度为5nm~500 nm；所述衬底层6的材料包括但不限于玻璃、石英、硅片、PET等，感光层5直接涂覆在衬底层6上。
本发明的原理是：
平面波光束照射掩模层2的纳米狭缝或者孔洞阵列光栅时，根据“Achievingpattern uniformity in plasmonic lithography by spatial frequency selection”,Gaofeng Liang, Xi Chen, Qing Zhao and L. Jay Guo, Nanophotonics, 2018，7(1):277–286, （“利用空间频率选择实现等离子体光刻的图形均匀化”，梁高峰，陈茜，赵青，郭凌杰，纳米光子学，2018，7(1): 277–286），该文献记载了横向波矢量为：
Figure 978965DEST_PATH_IMAGE001
，其中k 0 为自由空间波矢量，n为掩模层基底的折射率，θ为入射角，P为光栅周期，λ为入射光波长，m为衍射波级次。基于介质多层膜结构的光子晶体，对衍射波有滤波传输功能，使得只有特定波矢范围的衍射波通过；最终的两束高频倏逝波相互干涉并在感光层形成超分辨图形，干涉图形的周期为：
Figure 739111DEST_PATH_IMAGE002
。
通过对光子晶体多层膜的几何参数（包括交替排列的膜层总数、膜层厚度、膜厚比）和材料参数（包括折射率的大小、相对折射率差值的高低）调节，能够实现对不同空间频谱的倏逝波选择性的传输，具有较多的调节自由度。而且，光子晶体多层膜具有较低的传输损耗，使得感光层的图形具有较高的光场强度，能够缩短曝光时间。另外，单一衍射级次的滤波传输，降低了杂散波的影响，使得光刻图形具有较高的均匀性和深宽比。所以本发明具有结构简单、使用灵活、效率高、成本低等优点。
实施例
本实施例如图1所示：用S偏振光，入射光波长为193nm，入射角度为0°；透明基底层1为玻璃；掩模层2为周期120nm的一维狭缝阵列Al掩模，厚度80nm；平坦化膜层3材料为PMMA，厚度20nm；光子晶体多层膜的膜层总数为9层，第一膜层41为5层TiO 2 介质膜层，介电常数为2.8，厚度为17.2nm、第二膜层42为4层MgF介质膜层，介电常数为1.43，厚度为33.7nm；感光层5的材料为光刻胶，介电常数为1.71+0.055i，厚度100nm；衬底层6为玻璃。
当S偏振的平面光垂直照射掩模层狭缝光栅时，将会激发不同级次的衍射波。如果限定使用1级次衍射波，其横向波矢量为k x =1.61k 0 。光子晶体多层膜的滤波传输特性可用光学传递函数（OTF）曲线描述，而OTF是根据传输矩阵法（TMM）计算得到，具体是根据“Nanostructured and subwavelength waveguides: fundamentals and applications”,Maksim Skorobogatiy, John Wiley & Sons, 2012, 39–45（“纳米结构和亚波长波导：原理和应用”，Maksim Skorobogatiy, 约翰威立出版社, 2012, 39–45）,该文献记载了TMM方法主要是利用麦克斯韦方程组求解两个紧邻层面上的电场和磁场，从而得到传输矩阵，然后将单层结论推广到整个介质空间，从而计算出整个多层介质的透射系数和反射系数。这样，9层TiO 2 和MgF光子晶体多层膜在193nm工作波长下的OTF曲线如图2所示，其中图2的横坐标是指透过膜层的光波横向波矢，纵坐标是指透射系数。根据图2的OTF曲线，可以看出横向波矢量存在一个透射通带，通带位于1.56k 0 ~ 2.1k 0 的高频波矢范围。说明了只有空间波矢在此范围的高频倏逝波才可以透过光子晶体多层膜。所以只有正、负1级衍射波（m=1）可以通过光子晶体多层膜，而其它衍射级次将被抑制。两束高频倏逝波将被传输到感光层，并相互干涉形成深亚波长的一维周期图形。根据
Figure 6144DEST_PATH_IMAGE004
可以得出干涉图形的周期为60nm。
图3是本实施例采用“Performance analysis of evanescent wave absorptionplasmonic optical sensor with COMSOL FEM method simulation”，Singh Sarbjit, R.S. Kaler， Procedia Computer Science, 2018, 125:376-381（“用COMSOL有限元方法模拟分析倏逝波吸收等离子体光学传感”，Singh Sarbjit, R. S. Kaler， ProcediaComputer Science, 2018, 125:376-381），该文献记载的基于有限元电磁计算方法的仿真软件COMSOL Multiphysics进行模拟验证。模拟的光波传输效果如图3所示，其中横坐标x是本实施例的长度方向，纵坐标z是本实施例的厚度方向，z方向也是光波传输方向。从图3可以清楚的看到，狭缝阵列掩模被入射光照射时激发出衍射波，经过光子晶体多层膜的滤波传输后，在光刻胶膜层形成了均匀的干涉图形。并且，图形周期是掩模光栅周期的一半，干涉光场覆盖了整个光刻胶层厚度。

Claims (10)

1.一种超分辨光刻的光生成器件，其特征是：由上至下依次布设透明基底层(1)、纳米狭缝或者孔洞阵列结构的光栅掩模层(2)、平坦化膜层(3)和光子晶体多层膜(4)，所述光子晶体多层膜(4)由两种折射率不同的膜层交替排列构成。
2.根据权利要求1所述的超分辨光刻的光生成器件，其特征是：在光子晶体多层膜(4)之下还布设有感光层(5)和衬底层(6)；感光层(5)与光子晶体多层膜(4)直接接触，或者感光层(5)与光子晶体多层膜(4)间隔一定距离，间隔层材料为空气或者透光液体。
3.根据权利要求1或2所述的超分辨光刻的光生成器件，其特征是：所述透明基底层(1)为无机玻璃、熔融石英、有机玻璃或透明塑料。
4.根据权利要求3所述超分辨光刻的光生成器件，其特征是：所述掩模层(2)为周期性排布的纳米狭缝或者孔洞阵列结构，掩模层(2)材料选用Au、Al、Cr、TiO2或SiO2介质；所述纳米狭缝或者孔洞阵列结构的排布周期为40nm～400nm，占空比为0.1～0.9。
5.根据权利要求4所述超分辨光刻的光生成器件，其特征是：所述平坦化膜层(3)的材料为PMMA或固化胶。
6.根据权利要求5所述超分辨光刻的光生成器件，其特征是：所述光子晶体多层膜(4)的膜层材料为MgF2、Si3N4、GaN、AlN、Al2O3、TiO2或SiO2介质。
7.根据权利要求6所述超分辨光刻的光生成器件，其特征是：所述光子晶体多层膜(4)中，同种介质的膜厚相等，不同种介质的膜厚相等或者不相等，各膜层厚度为10nm～100nm。
8.根据权利要求1或2所述超分辨光刻的光生成器件，其特征是：所述光子晶体多层膜(4)的膜层材料为MgF2、Si3N4、GaN、AlN、Al2O3、TiO2或SiO2介质。
9.根据权利要求8所述超分辨光刻的光生成器件，其特征是：所述光子晶体多层膜(4)中，同种介质的膜厚相等，不同种介质的膜厚相等或者不相等，各膜层厚度为10nm～100nm。
10.根据权利要求2所述超分辨光刻的光生成器件，其特征是：所述感光层(5)为光刻胶，厚度为5nm～500nm；所述衬底层(6)的材料为玻璃、石英、硅片或PET。
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