CN109891318A - 用于在光致抗蚀剂衬底上生成图案的光刻设备 - Google Patents

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Abstract

在本公开的一个实施例中，提出了一种用于在光致抗蚀剂衬底上生成结构的光刻设备，光刻设备包括光照单元和光掩模。光掩模的显著之处在于它包括至少一个电介质材料层和折射率低于所述电介质材料的折射率的介质，其中，该至少一个电介质材料层的表面具有形成台阶的至少一个突然的水平变化，并且其中，至少所述表面相对于所述台阶和来自所述光照单元的电磁波的传播方向的基部和侧部与所述介质接触。

Description

用于在光致抗蚀剂衬底上生成图案的光刻设备
技术领域
本公开涉及微制造技术，并且更具体地，涉及基于高分辨率纳米喷射的光刻技术。
背景技术
该部分旨在向读者介绍本领域的各个方面，其可以与下面描述和/或要求保护的本发明的各个方面相关。相信该讨论有助于向读者提供背景信息以便于更好地理解本发明的各个方面。因此，应理解，这些陈述应从这个角度来阅读，而不是作为现有技术的承认。
光刻技术/工艺是一种制造技术，使得当光掩模被光照单元照射时(即当光掩模暴露于光照单元时)能够将几何图案从光掩模转移到光致抗蚀剂衬底(通常是光敏聚合物衬底)。这种技术/工艺广泛用于半导体工业，特别是用于制造集成电路。
为了设计更复杂和更小的集成电路(因为它们专用于越来越紧凑的电子设备，如平板电脑、移动电话等)，半导体工业的自然趋势是改进光刻技术/工艺以便能够以非常小的尺度转移几何图案(即以纳米公制尺度)。
光刻工艺的分辨率(即可以在光致抗蚀剂衬底上产生的几何图案的最小特征)由光致抗蚀剂的分辨能力和成像系统的光学分辨率决定。后者由成像光的波长(λ)和投影透镜的数值孔径(NA)确定。对于折射或反射型光学投影单元，它通常不超过主体介质中的入射光的一个波长。可以通过减小波长或增大数值孔径来提高分辨率。后者可用于接触印刷(与光致抗蚀剂衬底直接接触放置掩模)，然而，它导致掩模劣化，并因此应优选地避免。为了提高分辨率，已经提出了几种技术。
例如，在由Gunasekaran Venugopal和Sang-Jae Kim编写的题为“微/纳米机电系统和制造技术的进步(Advances in Micro/Nano Eletromechanical Systems andFabrication Technologies)”的书中的题为“毫微光刻(Nanolithography)”的第8章描述并比较了用于制造包括纳米几何图案的集成电路的几种技术。文献US2016/0147138描绘了在特定光刻技术(EUVL(代表极紫外线光刻))中使用的特定光掩模。用于制造包括纳米几何图案的集成电路的另一技术在作者为X.N.Xie、H.J.Chung、C.H.Sow和A.T.S.Wee的题为“通过原子力显微镜纳米光刻进行纳米级材料图案化和工程设计(Nanoscale materialspatterning and engineering by atomic force microscopy nanolithography)”的文章中有所描述。
为了在光致抗蚀剂衬底上设计更复杂的纳米几何图案，基于由于表面等离子体现象而引起的近场聚焦提出了文献US2016/0259253中所描述的技术。该技术能够实现入射波长的一部分的超分辨率级。然而，该技术依赖于使用多层金属-电介质掩模，其制造成本和 复杂性对于某些应用可能是不可接受的。
称为纳米球光刻(NSP)技术的另一技术(在发表于Nanotechnology 18，2007的作者为W.Wun等人的题为“用于形成高度均匀纳米孔和纳米柱阵列的深度亚波长工艺(A deepsub-wavelength process for the formation of highly uniform arrays ofnanoholes and nanopillars)”的文章中有所介绍)为制造特征尺寸低于100nm的纳米结构提供了成本有效的解决方案。该技术利用由电介质球产生的纳米喷射光束(详见作者为A.Heifetz等人的题为“光子纳米喷射(Photonic nanojets)”的文章)。使用沉积在光敏材料(即光致抗蚀剂)顶部上的单层纳米(或微)球使得能够实现光致抗蚀剂层的高度选择性曝光。当暴露在UV光之下时，由纳米喷射微球产生的热点大小在光致抗蚀剂材料中约为一半波长。以这种方式，可以制造具有100nm特征尺寸级的微结构。因此，纳米球光刻(NSL)是用于生成单层六边形紧密包装或纳米级特征的类似图案的经济技术(参见例如Nanotechnology 2006中作者为Cheung等人的题为“通过纳米球光刻制造纳米柱(Fabrication of nanopillars by nanosphere lithography)”的文章)。纳米球光刻的应用的另一示例在发表于Nanotechnology 27(2016)的作者为Chen Xu等人的题为“光子纳米喷射透镜：设计、制造及表征(Photon nanojet lens:design,fabrication andcharacterization)”的文章中有所描述。
即使纳米球光刻(NSP)技术在成本和生产能力方面是有效的，它也可能存在以下缺点：
-由于微球的精确定位的某些困难而引起的重现性差，
-由于微球形状、尺寸和定位的不完美而引起的制造公差，
-可以制造的微结构形状的有限多样性(目前，限于简单几何形状，如圆形纳米孔、纳米环和纳米柱)。
因此，需要提供可以克服这些限制中的一些限制的对纳米球光刻技术的替代技术。
发明内容
说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但每个实施例不一定包括特定特征、结构或特征。此外，这些短语不一定指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，结合其他实施例来实现这种特征、结构或特性在本领域技术人员的知识之内，无论这些其他实施例是否被明确描述。
在本公开的一个实施例中，提出了一种用于在光致抗蚀剂衬底上生成结构的光刻设备，该光刻设备包括光照单元、光掩模。光掩模的显著之处在于它包括至少一个电介质材料层以及折射率低于所述电介质材料的折射率的介质，其中，所述至少一个电介质材料层的表面具有至少一个突然的水平变化，形成台阶，并且其中，至少所述表面相对于所述台阶的基部和侧部与所述介质接触。
在变体中，提出了一种用于在光致抗蚀剂衬底上生成结构的光刻设备。光刻设备包括光照单元和光掩模。光掩模可以生成纳米喷射近场图案，其直接修改所述光致抗蚀剂衬底以获得所述结构。光掩模包括至少一个电介质材料层和折射率低于所述电介质材料的折射率的介质。该至少一个电介质材料层的表面具有至少一个突然的水平变化，形成台阶。至少该表面相对于台阶和来自所述光照单元的电磁波的方向的基部和侧部与介质接触。纳米喷射近场图案是来自所述表面的所述基部和所述侧部的电磁波的相长干涉。
在优选实施例中，光掩模的显著之处在于所述台阶由在所述至少一个电介质材料层中制成的至少一个腔的边缘形成，并且所述腔至少部分地填充有所述介质。
在优选实施例中，光掩模的显著之处在于所述至少一个腔是所述至少一个电介质材料层中的通孔。
在优选实施例中，光掩模的显著之处在于所述至少一个腔属于至少两个腔的至少一个集合。
在优选实施例中，光掩模的显著之处在于所述至少一个腔目标是圆柱形或锥形。
在优选实施例中，光掩模的显著之处在于所述台阶由在所述至少一个电介质材料层中制成的至少一个凹槽的边缘形成，并且所述凹槽至少部分地填充有所述介质。
在优选实施例中，光掩模的显著之处在于所述台阶的高度H目标为使得其中，λ1是所述电介质材料中的所述电磁波的波长。
在优选实施例中，光掩模的显著之处在于它还包括至少一个层，该至少一个层形成邻接所述电介质材料层的衬底(110)。
在优选实施例中，光掩模的显著之处在于所述电介质材料属于包括下列项的组：
-玻璃；
-塑料；
-聚合物材料。
在优选实施例中，光刻设备的显著之处在于它还包括光学投影单元，用于引导来自所述光照单元的光。
在优选实施例中，光刻设备的显著之处在于光学投影单元包括一组透镜和/或镜片。
因此，在本公开的一个实施例中，使用类似于发表于Frontiers in Optics/LaserScience 2015的作者为Hooman Mohseni的题为“光子喷射及其在纳米光子中的应用(Photonic Jet and its Applications in Nano-Photonics)”的文章中所公开的光学投影单元。
在本公开的另一实施例中，提出通过根据本公开的光掩模来改变/替换在题为“通过UV纳米压印的新一代光刻：用于微电子应用的材料和工艺的研究和开发(Lithographiede nouvelle generation par nanoimpression assiee par UV:etude etdeveloppement de materiaux et procedes pour I'application microelectronique)”的博士论文中所描述的用于光学光刻工艺的掩模。因此，本公开的若干实施例可以从这种博士论文中描述的示例中得出。
在本公开的一个实施例中，可以选择光照单元以传递特定电磁波长，例如，紫外线。例如，这种电磁波长可以是365nm或405nm。前一值(即365nm)用于图39中报告的模拟。原则上，较短波长值也是可能的，受掩模材料特性的影响(一些材料在这些波长下变得不透明)。
在本公开的一个实施例中，提出了一种用于在光致抗蚀剂衬底上生成结构(或图案)的光刻设备。光刻设备包括光照单元、光掩模。光刻设备的显著之处在于光掩模包括至少一个电介质材料层，该至少一个电介质材料层至少部分地包括第一元件，所述第一元件具有第一折射率值，所述第一元件至少部分地包括第二元件，所述第二元件具有大于所述第一折射率值的第二折射率值，并且其中，所述第二元件包括相对于来自所述光照单元的电磁波的到达方向限定的至少一个基面，并且其中，所述至少一个基面包括至少两个相对边缘线段，其形状以及所述至少一个基面与所述第二元件的侧面之间的相关联基角(在相对于所述至少一个基面的垂直平面内)控制至少一个聚焦光束的形状。
在优选实施例中，光刻设备的显著之处在于所述第二元件目标具有属于包括下列项的组的几何形状：
-柱体；
-棱柱；
-锥形；
并且其中，所述几何形状具有任意横截面。
在优选实施例中，光刻设备的显著之处在于所述几何形状是倾斜的和/或截断的和/或包括圆形顶表面。
在优选实施例中，光刻设备的显著之处在于所述至少两个相对边缘线段之间的距离具有至少λ2/2的最小长度，其中，λ2是所述第二元件的材料中的所述电磁波的波长。
在优选实施例中，光刻设备的显著之处在于所述至少一个基面的边缘线包括至少两个相对边缘线段，该至少两个相对边缘线段可以由直线或曲凸线近似，每条线具有至少λ2/2的长度，其中，λ2是所述第二元件的材料中的所述电磁波的波长。
在优选实施例中，光刻设备的显著之处在于所述电介质材料具有等于所述第二折射率的第三折射率值。
在优选实施例中，光刻设备的显著之处在于所述第一元件至少包括相对于所述电磁波的到达方向限定的第一基面，以及与所述至少一个电介质材料层连接的第一侧面，并且其中，所述至少一个基面的边缘的每个边缘线段与所述第一侧面之间的最小距离等于至少λ1/2，其中，λ1是所述第一元件中的所述电磁波的波长。
在优选实施例中，光刻设备的显著之处在于所述第一元件目标具有属于包括下列项的组的几何形状：
-柱体；
-棱柱；
-锥形；
并且其中，所述第一元件的所述几何形状具有任意横截面。
在优选实施例中，光刻设备的显著之处在于所述电介质材料属于包括下列项的组：
-玻璃；
-塑料；
-聚合物材料。
在优选实施例中，光刻设备的显著之处在于所述第一元件是在所述至少一个电介质层中形成的腔。
在优选实施例中，光刻设备的显著之处在于所述第一元件的尺寸和/或形状还控制所述至少一个聚焦光束的形状。
在优选实施例中，光刻设备的显著之处在于它还包括光学投影单元，并且所述光学投影单元包括一组透镜和/或镜片。
附图说明
通过参考附图对示例性实施例的以下详细描述，本发明的上述和其他方面将变得更加明显，其中：
-图1呈现了基于单层电介质微球的NSP制造技术的示意图，其被放置在沉积在衬底上的光致抗蚀剂层的顶部并由UV光从上方照射；
-图2(a)是位于厚光致抗蚀剂层(n2＝1.7)顶部的电介质微球(n1＝1.5，R＝500nm)的CAD模型，使用3D-FDTD电磁仿真软件进行分析，图2(b)呈现了当由UV光(λ＝365nm)从上方照射时YZ平面中的归一化场强度，图2(c)呈现了Z＝-100nm处沿X和Y轴的归一化场强度分布，以及图2(d)呈现了沿Z轴的归一化场强度分布；
-图3呈现了光刻制造技术的曝光阶段的示意图(侧视图)，并且光掩模包括根据本公开的一个实施例的纳米喷射生成元件，并放置在位于衬底上的光致抗蚀剂层的顶部上；
-图4示出了一种技术，其中，在电介质层112的表面的水平中发生突然变化，从而在层中形成台阶。图4(a)示出了电介质层112的侧视图。图4(b)和4(c)分别示出了在具有直边缘线(图4(b))和弯曲(图4(c))边缘线的台阶的情况下的俯视图；
-图5(a)至5(c)是三个示例性圆柱形腔的成像平面中的场强度分布的示意图，其具有由沿z轴(即从图的平面)传播的平面波照射的不同横截面；
-图6示出了根据本公开的实施例的在电介质材料层中形成的腔的拓扑和符号。
-图7(a)至7(e)示出了当由不同波长的平面波(n1＝1.49，n2＝1)照射时由具有圆形横截面的图6的中空圆柱形腔形成纳米喷射光束；
-图8和9提供了对图7(a)至7(e)的纳米喷射光束辐射角的分析；
-图10(a)和10(b)示出了本公开的至少一些实施例的复杂电磁现象；
-图11(a)至11(c)示出了根据本公开的实施例的当由单位幅度平面波从下方照射时由不同高度的中空圆柱形腔产生的纳米喷射光束的近场图(n1＝1.49，n2＝1)；
-图12(a)至12(d)示出了XZ平面中在单位幅度Ey平面波的不同入射角下由中空圆柱形腔产生的纳米喷射光束(n1＝1.49，n2＝1)；
-图13(a)和13(b)示出了根据本公开的实施例的针对不同主体介质观察到的纳米喷射光束现象；
-图14示出了根据本公开的实施例的四个示例性圆柱形腔，每个腔具有不同的横截面边界的形状，即：(a)圆形，(b)方形，(c)8形，和(d)矩形；
-图15(a)至15(d)示出了图14的每个腔的相应模拟近场图-顶部行：从侧面的视图，底部行：从上方的视图；
-图16呈现了示意图并比较了由单芯中空柱体组成的腔(图16(a))和芯填充有根据本公开的一个实施例的主体介质(图16(b))的双层环形结构。箭头示意性地表示源自腔基部边缘线的不同段的纳米喷射光束的传播方向；
-图17(a)和(b)呈现了根据本公开的一个实施例的环型纳米喷射元件/组件的拓扑和符号，其可用于光刻系统中的光掩模；
-图18呈现了根据本公开的一个实施例的环形纳米喷射元件(n1＝1，n2＝1.49)：(a)侧视图和符号，(b)具有尺寸Lz＝740nm，R1＝370nm，W＝500nm的元件的沿z轴的功率密度分布，(c，d)xz(y＝0)和xy(距顶表面z＝80nm)平面的功率密度分布；
-图19呈现了根据本公开的一个实施例的由λ0＝550nm的单位幅度平面波照射的环型纳米喷射元件的近场特性，尺寸R1＝370nm，W＝500nm，折射率n1＝1，n2＝1.49，以及可变高度：(a)沿z轴的功率密度分布，(b-e)xz(y＝0)平面中针对元件高度Lz＝370、550、740和1100nm的功率密度分布；
-图20示出了根据本公开的一个实施例的在不同入射角下由λ0＝550nm的单位幅度平面波照射的环形纳米喷射元件的功率密度分布，尺寸Lz＝740nm，R1＝370nm，W＝500nm，以及折射率(n1＝1，n2＝1.49)：(a)沿x轴(y＝z＝0)，(b-e)xz平面中分别针对入射角0°、10°、20°、30°；
-图21呈现了根据本公开的一个实施例的由λ0＝550nm的单位幅度平面波照射的环型元件产生的不同纳米喷射光束，尺寸Lz＝740nm，R1＝370nm，折射率(n1＝1，n2＝1.49)，以及可变环宽度：(a)沿z轴的功率密度分布，(b)沿z轴的功率密度的最大值(标记为190的曲线，左轴)和焦距(标记为191的曲线，右轴)相对于环的宽度，(c-f)xz平面中针对W＝250、500、750和1000nm的功率密度分布；
-图22呈现了根据本公开的一个实施例的由λ0＝550nm的单位幅度平面波照射的环型纳米喷射元件的不同功率密度分布，尺寸R1＝370nm，Lz＝370nm，折射率(n1＝1，n2＝1.49)，以及可变环宽度：(a)沿z轴，(b-e)xz平面中分别针对W＝125、250、370和500nm；
-图23(a)-(c)呈现了由单位幅度平面波照射的环形纳米喷射元件在xz平面中的不同归一化功率密度分布，尺寸R1＝370nm，Lz＝370nm，W＝500nm，折射率(n1＝1，n2＝1.49)，以及可变环宽度：(a)λ0＝450nm，(b)λ0＝550nm，(c)λ0＝650nm；
-图24(a)-(c)呈现了针对图23的同一波长由单位幅度平面波照射的环形纳米喷射元件在xz平面中的不同归一化功率密度分布，尺寸R1＝370nm，Lz＝740nm，W＝500nm，以及折射率(n1＝1，n2＝1.49)：(a)λ0＝450nm，(b)λ0＝550nm，(c)λ0＝650nm；
-图25呈现了(a)具有圆形和方形环的环形纳米喷射元件的几何形状，(b)由λ0＝550nm的单位幅度平面波照射的具有圆形和矩形横截面的环形纳米喷射元件沿z轴的功率密度分布，尺寸Lz＝740nm，R1＝370nm，Lx＝Ly＝2(R1+W)，(c，d)xz平面中两个元件的功率密度分布；
-图26公开了位于靠近环形元件顶表面的固定点(0、0、100nm)中的功率密度相对于元件芯半径和高度的等高线图。该元件具有环W＝500nm的固定宽度并由单位幅度平面波照射。介质的折射率：(a)n1＝1，n2＝1.49，(b)n1＝2.0；
-图27呈现了示例性环型纳米喷射元件的不同拓扑；
-图28(a)至(d)呈现了由λ0＝550nm的单位幅度平面波照射的具有不同横截面的核心柱体的环形纳米喷射元件(Lz＝740nm，W＝500nm，n1＝1，n2＝1.49)在xz和xy平面中的功率密度分布：(a)圆形：R1＝370nm，(b)方形：Lx＝Ly＝2R1，(c)8形：R1＝370nm，中心之间距离d＝R1，(d)矩形：Lx＝8R1，Ly＝2R1；
-图29呈现了具有图28中所示的核心柱体的不同横截面的环形纳米喷射元件沿z轴(x＝y＝0)的不同功率密度分布；
-图30(a)-(d)呈现了具有图27中呈现的不同横截面的环形纳米喷射元件沿xz和yz轴的不同功率密度分布；
-图31呈现了使用根据本公开的一个实施例的纳米喷射聚焦元件；
-图32呈现了根据本公开的一个实施例的第二元件的两个不同视图；
-图33呈现了根据本公开的一个实施例的第二元件，其基边缘线包括(至少)两对相对边缘线段，其有助于产生(至少)两个纳米喷射光束；
-图34呈现了根据本发明的设备的一部分与平行于入射电磁波的传播方向的平面的交叉(并且更确切地，在这种情况下具有关于电介质层的底部的法向入射电磁波)；
-图35(a)-(d)呈现了根据本发明的设备的一部分与平行于电磁波的传播的平面的不同结果交叉(并且更准确地，在这种情况下具有关于电介质层的底部的法向入射电磁波)；
-图36呈现了由单位幅度平面波照射的根据本公开的一个实施例的设备(或环型纳米喷射元件)产生的纳米喷射光束的示意图：(a)沿z轴从下方入射，(b)沿x轴从左侧入射。来自第一元件的箭头指示纳米喷射光束。图36(c)呈现了当从左侧(沿x轴)照射根据本公开的一个实施例的设备(即包括环形结构)时xz平面中的功率密度分布；
-图37(a)-(c)呈现了NJ微结构的一些示例(顶视图)：(a)环型，(b)弯曲带，(c)栅格，(d)规则或周期性凹槽；
-图38(a)呈现了在放置在光致抗蚀剂层(n2＝1.7)的顶部上的玻璃板(n1＝1.5nm)中形成双层圆柱体(R1＝300nm，R2＝700nm，H＝500nm)的中空环形NJ元件的CAD模型，图38(b)呈现了当由平面波(λ0＝365nm)从上方照射时YZ平面中的归一化场强度，图38(c)呈现了Z＝-100nm处沿X和Y轴的归一化场强度分布，并且图38(d)呈现了沿Z轴的归一化场强度分布；
-图39呈现了(a)由20°以下(如果相对于垂直轴定义)的平面波(λ＝365nm)照射的环形NJ微透镜在XZ平面中的归一化场强度，以及(b)针对平面波的两个不同入射角在Y＝0nm，Z＝-100nm处沿X轴的归一化场强度分布。结构参数与图38相同。
-图40呈现了根据本公开的一个实施例的光刻设备的示例；
-图41示出了本公开的具体实施例，根据该实施例，聚焦组件基于嵌入在主介质中的相同中空长方体形状腔的2×2平面阵列；
-图42示出了替代实施例，其中图41的中空长方体形状腔用沿着平面波传播方向定向的中空圆柱体代替；
-图43示出了又一实施例，其中在电介质介质和自由空间的边界处形成中空圆柱体的2×2阵列；
-图44提供了基于嵌入在主介质中的中空圆柱体的单周期(图44a)和双周期(图44b)阵列的两个额外的示例性实施例。
具体实施方式
图1呈现了基于单层电介质微球的NSP制造技术的示意图，该单层电介质微球被放置在沉积在衬底上的光致抗蚀剂层的顶部上并由UV光从上方照射。
图2(a)是使用3D-FDTD电磁仿真软件进行分析的位于厚光致抗蚀剂层(n2＝1.7)的顶部的电介质微球(nl＝1.5，R＝500nm)的CAD模型，图2(b)呈现了当由UV光(λ0＝365nm)从上方照射时YZ平面中的归一化场强度，图2(c)呈现了在Z＝-100nm处沿X和Y轴的归一化场强度分布，以及图2(d)呈现沿Z轴的归一化场强度分布。应注意，Z＝0对应于光致抗蚀剂层的顶表面。
图3呈现了光刻制造技术的曝光阶段的示意图(侧视图)，其中，光掩模包括根据本公开的一个实施例的纳米喷射生成元件，并且放置在位于衬底上的光致抗蚀剂层的顶部上。
实际上，根据本公开的一个实施例，提出了使用如下所述包括能够生成纳米喷射光束的元件或结构的光掩模(在光刻工艺或系统中)。在本公开的一个实施例中，这些元件或结构对应于基于纳米喷射的聚焦组件。
在本公开的一个实施例中，在光掩模(图3中标记的纳米喷射掩模)和光致抗蚀剂层之间存在间隙。此外，这种间隙填充有可以是气体或液体的介质。在变体(未示出)中，光掩模直接与光致抗蚀剂层接触(即没有间隙)。因此，本技术可用于光致抗蚀剂层上的接触印刷和接近印刷二者。应注意，在接近印刷的情况下，根据本公开的光掩模应被放置得足够靠近光致抗蚀剂层，并且最大或最佳距离将根据由光掩模生成的纳米喷射光束的长度来确定。
根据本公开的一个实施例，电介质对象上具有其表面的突然变化水平(也称为台阶)的平面电磁波的衍射可能导致形成凝聚光束(所谓的纳米喷射)，其发生在台阶附近，并且朝向具有较高折射率值的介质。光束的数量和每个单独光束的形状可以通过台阶大小和台阶边缘线的形状的变化来控制，而每个单独光束中的光束辐射角和场强度增强可以通过台阶附近的对象的边界处和台阶基角处的折射率比率的变化来控制。
与通过菲涅耳(Fresnel)理论预测其聚焦能力的公知衍射透镜不同，纳米喷射光束是低色散的(它们对于两种材料之间的同一折射率比率没有或具有较小波长依赖性)。此外，根据本公开的纳米喷射聚焦组件(或设备)可以产生多个独立的光束(具有相同或不相同的形状)，这对于菲涅耳衍射透镜是不可能的。这些独特的特征使得根据本公开的基于纳米喷射的聚焦组件(或设备)对于光刻技术具有吸引力。
实际上，根据本公开的一个实施例，提出使用由电介质层构成并且包括如下所述的腔/台阶的光掩模。
图4至图11允许理解解释根据本公开的纳米喷射光束的形成的物理现象。
图4示出了一种技术，其中，在电介质层112的表面的水平中发生突然变化，从而在层中形成台阶。图4(a)示出了电介质层112的侧视图。图4(b)和4(c)分别示出了在台阶具有直(图4(b))和弯曲(图4(c))边缘线的情况下的俯视图。
如图4(a)所示，该设备被平面波20照射，沿着z轴从下方入射到设备上，其传播向量垂直于电介质层112的基面。如图4(b)和4(c)中的虚线箭头示意性示出的，纳米喷射光束55源自台阶的基部边缘，其包括水平部分120和侧部121(其还可以相对于z轴倾斜，形成任意基角)。
标记为22至24的斑点表示在成像平面21中形成的近区域中的场强度分布中的相应热点。在图4(c)中观察到的具有两个热点23、24的特定场强度分布与具有两个凹段的台阶边缘线的形状相关联，该两个凹段负责形成两个独立的纳米喷射光束。
应注意，腔的边界曲率是用于改变纳米喷射光束形状、位置和场强度增强水平的工具。
图5呈现了针对具有不同横截面的三个示例性圆柱形腔的成像平面21中的场强度分布的示意图。更确切地说，图5(a)示出了具有圆形横截面的腔111a：虚线箭头示意性地示出了纳米喷射光束源自该腔111a的基部边缘。环551指示由于与圆形基部边缘线的不同段相关联的纳米喷射光束而形成的近区域中的场强度分布中的热点。
图5(b)示出了非旋转对称腔111b，其在xy平面中的横截面以某种方式呈三角形，但三角形的三个边中的一个边是凹的。这样的大致三角形腔111b产生三个点552、553和554，由于凹边缘，三个点中的一个(554)被增强。
图5(c)示出了腔，其是具有五个直段的或凹段的任意形状。点555至559表示由于源自台阶的基部边缘的纳米喷射光束而形成的近场分布中的热点，如虚线箭头示意性所示。在图5(c)中观察到的具有五个热点的特定场分布与具有五个直段的或凹段的边缘线的特定形状相关联，该五个直段的或凹段负责形成五个独立的纳米喷射光束。
图6示出了本公开的实施例，根据该实施例，在电介质材料层的表面处形成的台阶实际上是在电介质材料层112中形成的腔111的边缘。本公开当然不限于这样的实施例，并且电介质材料的表面处的任何突然的水平变化足以产生物理现象，这将在下文中描述。这样的台阶实际上可以被认为是无限大小的腔的边缘。
必须理解的是，在腔的情况下，聚焦功能不与整个结构相关联，而是与台阶不连续性的基本段相关联。台阶不连续性的其他段将有助于形成相同的或其他纳米喷射光束，其可以一起形成(i)在无限台阶的情况下，宽的均匀的“叶片状”纳米喷射光束(图(4b))，或者(ii)在任意较大圆柱形腔的情况下，点或环(图5(a))，或者(iii)由任意形状的腔的曲线边缘产生的任意数量的不同形状的局部光束(图5(b)和5(c))。
为简单起见，我们因此在下文中集中于在电介质材料层112中形成的腔111的示例，如图6中所示。
可以观察到，这种腔是圆柱形的，具有任意形状的横截面。圆柱形腔在此处和整个文件中是指形状为柱体的腔，即通过沿与曲线的平面交叉的轴来投影闭合二维曲线而形成的表面。换句话说，这种柱体不限于真正的圆柱体，而是涵盖任何类型的柱体，特别是但不限于例如长方体或棱柱体。
腔还可以具有锥形。其主轴可以与腔的底部的表面垂直，或者是倾斜的。由于制造公差，腔还可能具有不完美形状，并且必须理解，例如，目标为成形为柱体的腔可能在制造过程中变成具有S形横截面的锥形腔。
更一般地，这种腔被形成为具有任意横截面的柱体或圆锥体，其可以被调整(优化)以便产生期望的近场图案，即xy平面中的期望的场强度分布(通常与入射波传播方向是正交的)。该图案可以包括具有相同(或不同)场强度水平的一个或多个热点。
非对称腔也是可能的。例如，xy平面中的横截面为三角形的腔将产生三个点。如果相应的面是凹的，则可以增强这三个点中的一个，如将结合附图更详细地解释的。
图6给出了一些符号，这些符号将在下文中用于文档中。可以观察到，腔浸没在折射率为n1的主介质中(介质1(标记为112))，并填充有材料(空气、气体、电介质、聚合物材料...)，折射率为n2的介质2，使得n2<n1。
例如，腔可以具有圆柱体形状，其填充有真空(n2＝1)并嵌入在均匀非色散电介质介质中(具有示例折射率n1＝1.49)，并且由沿正z轴方向传播的线性偏振单位幅度平面波照射，Ey＝1(V/m)(符号参见图6)。
图7示出了当被该平面波照射时由这样的腔形成纳米喷射光束。更确切地说，图7(a)至7(e)各自对应于不同波长的入射电磁波，即λ0＝450、500、550、600和650nm，并且示出了根据由如下定义的时间平均坡印廷(Poynting)向量表征的功率密度绘制的XZ平面中的近场图：
其中，Em是E场的幅度，η是主介质中的波阻抗并且n是主介质折射率。注意，根据等式(1)，与在具有折射率n的电介质主体介质中传播的单位幅度平面波相关联的功率密度值等于在下文中，该值被认为是针对使用嵌入在相应主介质中的不同类型的纳米喷射元件实现的相对场强度增强(FIE)的定义的参考：
FIE＝P/P0[a.u.] (等式2)
其中，P是由时间平均坡印廷向量表征的模拟功率密度，P0是在同一主介质中传播的单位幅度平面波的参考功率密度。
如在图7中可以观察到的，纳米喷射光束的形状及其方向在宽波长范围内保持稳定。图8和9中报告了纳米喷射光束辐射角的详细分析。图8示出了针对图7的五个不同波长的在定义为z＝z0-Lz的三个不同平面处的XZ平面中的坡印廷向。图9示出了根据波长基于图8中的最大值的位置计算的纳米喷射光束辐射角。
从近场图提取的这些数据显示，对于从至少450至750nm的波长范围，纳米喷射光束辐射角的变化不超过3°。如图8所示，角度变化的主要贡献来自柱体上方的光束倾斜(z0＝1500nm，其中z0是相对于腔底部定义的成像平面的相对位置，即z0＝z+Lz)，而光束形状(在z0＝500nm处)在整个波长范围内保持稳定。这种行为对于菲涅耳型衍射透镜并不典型，因此需要详细说明。
纳米喷射光束的起源可以通过三种电磁现象的组合来解释，这三种电磁现象发生在中空腔的基部边缘附近(或者更通常地在电介质材料的表面中的突然水平变化附近)，即：
-来自与腔的基部120相关联的折射率台阶不连续性的衍射(或更一般地，与在主介质中形成的台阶的较低水平的表面相关联)，
-衍射波在腔的垂直边缘121处的折射(或更一般地，在台阶的侧面上)，以及
-折射波和入射平面波在腔外部的干涉(或更一般地，在主介质中)。
图10给出了说明这三种现象的示意图。如图7、8和9所示，我们假设主介质是光学透明非色散电介质材料，其折射率n1＝1.49(例如，塑料或玻璃)，并且腔填充有真空或空气，n2＝1。入射平面波从图中的下方到达。
图10(a)和10(b)所示的复杂电磁现象的关键要素如下：
-入射平面波在与腔基部相关联的电介质-空气边界120处感应相等的电流(或更一般地，在到达主体介质中的折射率的台阶时由其表面中的突然水平变化感应)；
-这些感应电流被认为是惠更斯(Huygens)次级源50至53；
-根据衍射理论，由惠更斯源辐射的球面波54导致朝向“阴影区域”的一些功率泄漏，即超出腔的横向边界121；
-当穿过横向(垂直)边界时，由惠更斯源辐射的波经历折射，导致根据斯内尔-笛卡尔定律(Snell-Descartes law)的折射波在一定角度上的倾斜。
-在图10(b)中，我们可以注意到，在腔外部，波前沿与沿腔基线的不同惠更斯源位置一致，从而产生局部场增强。这些前沿的平面形状证明了产生从腔外传播的定向光束。
-最后，在腔外部，折射波与从下方入射的平面波相长干涉56、57，产生纳米喷射光束55。
因此，纳米喷射光束产生由在其性质上低色散的现象解释，即(i)边缘衍射、(ii)波在两个电介质介质的界面处的折射、以及(iii)干涉。这解释了为什么光束的形状及其辐射角相对于波长保持稳定，如图7(a)至7(e)所示。
此外，纳米喷射光束辐射角由斯内尔定律(Snell law)定义，因此，仅是两个参数的函数：
-主介质和腔材料的折射率之间的比率，以及
-腔的基角。为简单起见，在上文中，我们仅考虑具有等于90°的基角的腔，因此具有带有垂直边缘的圆柱形状
最后，纳米喷射光束形成现象与腔的边缘(不是全孔径)相关联并且发生在垂直于腔横截面的2-D垂直平面中(符号参见图6)。
如图10(b)所示，对形成腔外部的折射波的平面波前的主要贡献来自靠近腔的侧边缘121的惠更斯源50-53。因此，向腔外辐射的波的折射角接近于从外部入射到同一边界上的波的临界角(图10(a))：
θ1≈θTIR (等式3)
其中，θTIR＝sin-1(n2/n1)是具有折射率n1和n2的屈光度的临界角。
由于折射波和从下方入射的平面波之间的干涉，最终产生纳米喷射光束55。因此，纳米喷射光束(以及更一般地，所生成的纳米喷射近场图案)是来自台阶结构的基部120和侧部121的电磁波的相长干涉。因此，纳米喷射光束的辐射角(θB)由两个波的向量和定义，如图10(a)中示意性所示。这些考虑使得纳米喷射光束的辐射角的近似公式如下：
根据等式(4)，在折射率n1＝1.49(θTIR＝41.8°)的主介质的情况下，纳米喷射光束辐射角应为θB～24°，略大于全波模拟中所观察到的(见图9)。该差异由定性分析中的假设来解释。首先，该分析没有考虑衍射/折射波和入射平面波的幅度中的差异。其次，它没有考虑由位于靠近腔边缘的惠更斯源从外部发射的光线，这些光线经历腔侧边缘上的全内反射。这些光线被完全反射也有助于形成纳米喷射光束。注意，这两种效应与全内反射现象有关，因此不能使用斯内尔/菲涅耳模型来精确表征。然而，这两种效应(i)取决于两种介质的折射率的比率，并且(ii)使得减小纳米喷射辐射角。因此，实际纳米喷射辐射角可以小于由等式(4)预测的纳米喷射辐射角。
图10(a)至10(c)示出了由不同高度((a)H＝LZ＝370nm、(b)H＝LZ＝740nm、(c)H＝LZ＝1100nm)的圆柱形腔(n1＝1.49，n2＝1，R＝370nm)在由单位幅度平面波从下面照射时产生的纳米喷射光束的近场图。如可以观察到的，纳米喷射现象对于在主介质中从大约一个波长到几个波长变化的腔尺寸非常明显，即1/2λ1<LZ<3λ1。
需要最小高度来形成图10(b)所示的平面波前沿60，其产生纳米喷射光束。然而，腔的高度(或台阶的高度)与纳米喷射光束的长度相比不应过大，以使其在聚焦组件或设备外部有用。
如图11(a)至11(c)所示，纳米喷射光束的长度可以根据腔形状和尺寸在主介质中从少数波长到几个波长变化。
基于图10(b)的2-D光线追踪分析，对纳米喷射光束的形成的主要贡献来自靠近腔侧面(或台阶的侧部)的馈送。负责形成纳米喷射光束的相应“有效孔径”被估计为腔内部的介质中的波长的约一半(1/2λ2)，从腔内的侧边缘计算。对于具有任意形状的腔，沿垂直于腔边缘线(与入射波传播方向垂直的平面中的S(参见图6))的线来限定该孔径。
在2-D情况下(可能对应于任何垂直横截面，例如，在xz平面中)，由于纳米喷射波束形成而实现的局部场强度增强(FIE)与入射平面波相比约为2的因子(定义参见公式(2))。通过修改腔横截面的形状，特别是腔边缘线S的形状，可以实现较大FIE，这将在下文中更详细地解释。
处于一半功率的纳米喷射光束宽度(BWHP)可以从约1/2λ1(衍射限制的数量级)变化到若干波长，并且更多地取决于腔的形状。
图12(a)至12(d)示出了由中空圆柱形腔(n1＝1.49，n2＝1，Lz＝740nm，R＝370nm)在XZ平面中的不同入射角的单位幅度平面波下产生的纳米喷射光束，即图12(a)中的θ＝0°，图12(b)中的θ＝10°，图12(c)中的θ＝20°，图12(d)中的θ＝30°。
近场图案在XY平面中的对称性(见图12(a))证明光束形状和辐射角对于入射波的TE(横向电子)和TM(横向磁)极化几乎保持不变。
此外，在倾斜入射的情况下，在图12中可以观察到，光束辐射角对应于平面波的入射角而变化。光束的形状和场强度增强对于高达约θB的入射角几乎保持不变。
图13示出了针对不同主介质观察到的纳米喷射光束现象，包括标准光学塑料以及标准或掺杂玻璃。这种纳米喷射光束由具有相同物理尺寸(n2＝1，Lz＝740nm，R＝370nm)但嵌入在折射率为n1＝1.49(图13(a))和n1＝2.0(图13(b))的主介质中的中空圆柱形腔产生。
图4至图13所示的对纳米喷射形成现象的理解允许设计各种设备，其可以用作聚焦组件、光束形成组件，或更一般地，用于在近区域中形成任何期望的场强度分布的组件(或设备)。这些组件可以用于根据电磁波的对称路径特性将入射平面波转换成一个或多个独立光束，或者相反地，用于将入射波束(无论其波长如何)转换成局部平面波。
如上面在本公开中所解释的，纳米喷射光束的形成与电介质材料层中的台阶的侧部相关联，或者与腔的侧边缘相关联，但不与其全孔径相关联。通过优化腔的横截面的形状S，可以控制由该腔产生的(一个或多个)纳米喷射光束的形状。
图14示出了四个示例性圆柱形腔，各自具有不同形状的横截面边界，即：(a)圆形，(b)方形，(c)8形，和(d)矩形。虚线箭头示意性地示出了当这些腔由从图的平面沿z轴传播的平面波照射时所产生的纳米喷射光束的一些垂直切割平面和方向。这些切割平面相对于在腔横截面边界的对应点处限定的法向向量的方向来定义。图15(a)至15(d)示出了每个腔的相应模拟近场图，其示出了由在正z轴方向上传播的单位幅度平面波照射的具有相同高度和半径但不同横截面形状(Lz＝Lx＝2R＝740nm)的中空腔在xz平面(y＝0)和xy平面(z＝z0)中的功率密度分布：(a)圆形，(b)方形，(c)8形，(d)矩形。xy平面中的点101到104标识纳米喷射光束，其形状和位置与图14中给出的预测一致(这些近场图在任意选择的xy平面处计算，相对于腔基面来定义)。
具体地，图15(a)示出了轴向对称圆形腔产生发散的锥形光束，其在垂直(xz)和水平(xy)平面的横截面分别如图15(a)中的顶部和底部图所示。值得注意的是，该锥形光束是几乎对称的(参见水平xy平面中的近场图案)，这验证了这种组件(或设备)的偏振不敏感行为。在该配置中观察到的场强度增强是2的因子，即FIE≈2a.u.(根据等式2定义)。
图15(b)和15(c)示出了腔横截面S从圆形到矩形和8形的转换如何分别使得形成具有四个(标记为104)和两个(标记为103)纳米喷射光束的多光束近场图案。该光束形成效应分别涉及边界段从凸形状到平面形状然后到凹形状的转换。在图15(b)和15(c)中观察到的光束具有与由圆柱体(图15(a))产生的锥形光束的辐射角类似的辐射角。同时，光束在方位角方面的宽度是不同的。腔横截面边界S的凹段的内角越大，光束越窄并且场强度越高。具体地，图15(b)(方形)和15(c)(矩形)中所示的两个腔的FIE等分别于～2.5a.u.和～2.8a.u.。
最后，图15(d)示出了由中空矩形腔生成的宽叶片状纳米喷射光束。该示例证明了形成宽光束的可能性，这对于需要窄形状区域的均匀照射的某些应用可以是有意义的。
因此，腔的边界曲率是用于改变纳米喷射光束形状、位置和场强度增强的工具。
可以使用同一方法来构建具有对称或非对称横截面的更复杂的组件，产生任意数量的相同或不同的纳米喷射光束，如图5所示。
然而，先前在图4至图15中描述的纳米喷射聚焦组件(或设备)具有与纳米喷射光 束的有限场强度增强和固定辐射角相关的一些约束，这些约束需要被改进以便制造能够再 现其常规类似物(例如，折射和衍射微元件)的聚焦功能的纳米喷射元件或组件(也称为纳 米喷射透镜或设备)。
在本公开的一个实施例中，建议以这样的方式转换腔的配置，该方式使得源自腔横截面边界的不同段的所有纳米喷射光束重新组合并有助于形成单个高强度纳米喷射光束，其位于腔的对称轴上并沿着该轴定向，即与入射平面波相比没有倾斜。
为了实现这一点，建议使用包括至少一个电介质材料层的设备，该至少一个电介质材料层至少部分地包括第一元件(例如，具有如图16(a)所示的柱体或长方体的形状)，这种第一元件具有第一折射率值，这种第一元件至少部分地包括第二元件(例如，具有柱体的形状，或者如图27所示的其他形状)，这种第二元件具有大于第一折射率值的第二折射率值，并且其中，第二元件包括相对于电磁波的到达方向限定的至少一个基面，并且其中，该至少一个基面包括至少两个相对边缘线段(参见例如图32)，其形状(例如，曲率)和该至少一个基面与第二元件的侧面之间的相关联基角(在相对于所述至少一个基面的垂直平面中)控制至少一个聚焦光束的形状(参见例如图32)。
应注意，该至少一个聚焦光束的强度由该至少一个基面的两个对相应边缘线段的长度限定。
如图16(b)示意性地所示，可以通过交换柱体内部和外部的折射率值来实现期望的效果。所提出的环型结构的额外优点包括与在空间中设置元件相关的问题的自然解决方案(这是微球的关键缺点)及其使用标准光学材料和已建立的平面微加工技术的可能制造。
图17(a)和(b)示出了环形纳米喷射器组件的一般拓扑。它具有双层柱体的形式，具有嵌入在均匀非色散电介质主介质中的任意横截面。此后，我们假设柱体的芯具有折射率n2>n1，并且它由具有与主介质相同的折射率n2＝n3＝n4的材料制成。
例如，主介质可以具有与光学范围内的玻璃或塑料类似的折射率(例如，n2＝1.49)，并且环形腔填充有真空或空气，n1＝1。
原则上，柱体横截面边界S1(芯柱体)和S2(外部柱体)可以具有任何形状(对称或非对称)。稍后在说明书中研究每个边界的尺寸和形状的影响。在本公开的一个实施例中，柱体结构可以是倾斜的和/或截断的和/或包括圆形顶表面。
此后，我们考虑垂直边缘平行于z轴并且顶部/底部表面平行于xy平面的柱体结构。然而，如前所述，还可以使用具有任意基角的一些锥形和棱柱形结构。与基边缘线的不同段相关联的基角的变化可用于产生具有不同辐射角的纳米喷射光束。这里不讨论该选项，但本领域技术人员可以根据本公开的教导解决该问题。
在其一个实施例中，环形纳米喷射元件可以以双层圆柱体的形式实现。在下面的分析中，我们假设其芯填充有与主介质相同的材料(例如，n2＝n3＝1.49)，并且外壳(腔)填充有真空或空气(n1＝1)。
在上述假设下(即双层圆柱体形状和预先选择的主介质材料)，环形纳米喷射元件的配置由三个参数控制，即：其沿z轴的高度(Lz)和两个柱体层的半径(R1以及R2＝R1+W，其中W是环的宽度)。
焦距
在第一近似中，环型纳米喷射元件的焦距可以根据芯半径R1和由等式(4)定义的纳米喷射光束辐射角θB导出。在假设纳米喷射辐射角对于环形元件高度和半径的任何组合保持恒定的情况下，环形元件的焦距可以被估计为：
F≈R1/tan(θB) (等式5)
其中，F是从元件底部到具有最大场强度的点的距离(图18(a))。
根据等式(5)，在嵌入在折射率n2＝1.49(θTIR≈42°)的主介质中的中空(n1＝1)环型纳米喷射元件的情况下，焦距被估计为F≈2.25R1。
如从图19中可以看出，焦距的实际值(基于具有最大场强度值的点的位置定义)和纳米喷射光束的长度可以根据环形腔的大小和形状而变化。图19(a)中的四曲线族表示具有固定环尺寸(R1＝370nm，W＝500nm)但沿z轴的高度(由参数Lz定义)不同的环形元件沿z轴的功率密度分布但。对于高度小于(或大于)焦距的元件，观察到的热点比预期更靠近(或更远)，对于高度接近焦距Lz～F的元件观察到最佳一致性。注意，图19(a)中的所有曲线以元件基位置对于所有配置一致的方式叠加。
图19(a)中观察到的光束长度的增加通过纳米喷射和菲涅耳型聚焦机构之间的相互作用来解释。后者的贡献由于腔的高度不足而变得显著，这阻止了纳米喷射光束的形成(由峰值功率密度的大约小两倍的值验证)。
入射角
在倾斜照射的情况下，纳米喷射光束角度与入射波传播方向的倾斜成比例地倾斜(参见图20)。
环宽度，W
环形腔的宽度可以改变纳米喷射光束的特性。具体地，它可以影响环形纳米喷射元件的焦距和光束形状。
尽管纳米喷射光束形成与腔的基边缘相关联，但存在负责其形成的有限尺寸有效孔径(参见图16(b)中的虚线)。该孔径从芯柱体的侧面在两侧上的相应介质中延伸到波长的大约一半。因此，环形腔的最小推荐宽度被估计为W≤1/2λ1，其中λ1＝λ0/n1。
由于与环型腔的整体尺寸相关联的两种现象，过大的环也可影响纳米喷射光束形成，即：(i)环型腔内部的内反射和(ii)与源自环形腔的顶表面的衍射波相关联的菲涅耳型聚焦效应。经验分析建议宽度的上限，例如W≈3λ1。对于较大的环，环的贡献可以成为主导，从而掩盖纳米喷射现象。然而，如果需要(例如，为了技术需要)，可以相当任意地扩大环宽度而不破坏纳米喷射现象(图21(a))。
此外，对于芯柱体的每个尺寸(高度和半径)，可以优化环形腔的尺寸以便：
-增加热点中的场强度(图21)，
-改变纳米喷射光束的长度(图22)。
注意，与环型的高度和宽度相关的效果比纳米喷射光束现象更窄(图23和24)。
通过结合纳米喷射和菲涅耳聚焦效应的场强度增强
图21示出了环宽度对环形纳米喷射元件的热点中的最大场强度的影响。这里，在图21(a)中，可以看到具有固定芯尺寸(Lz＝740nm，R1＝370nm)和可变环宽度的元件沿z轴的功率密度分布。为方便起见，针对不同宽度的环观察到的功率密度的最大值在图21(b)中与热点位置一起绘制。相应的近场图案在图21(c)-(f)中给出。如可以看出的，对于环宽度W≈500nm(即腔内约一个波长)实现～40mW/m2的最大功率密度。根据等式(2)，相应的场强度增强为FIE≈20a.u.，这比图7所示的针对中空柱体腔111所观察到的场强度增强高10倍。
纳米喷射光束的长度
图22示出了环宽度对纳米喷射光束的长度的影响。这里，与图21所示的较大尺寸元件相比，低得多的场强度验证了较小高度的元件阻止纳米喷射光束的有效产生。因此，菲涅耳型聚焦机构的贡献变得与纳米喷射现象相当。结果，产生沿z轴具有两个最大值的较长光束。
纳米喷射的带宽和菲涅耳型光束形成效应
纳米喷射和菲涅耳型聚焦机制背后的物理机制的差异导致这两种现象的不同带宽。
公知的菲涅耳型聚焦基于源自环腔的顶表面的衍射波的干涉。由环顶表面的不同段产生的波的干涉可导致形成对应于不同衍射级的多个热点和光束。因此，这些光束的辐射方向以及热点的位置强烈地取决于入射波的波长。相反，纳米喷射光束在腔基边缘线的每个段独立地产生。因此，由于重新组合由腔基边缘线的不同段产生的纳米喷射光束而在环形元件的光轴上产生的纳米喷射光束的位置和形状对入射波波长不太敏感。
图23和24示出了两种类型的聚焦机构的色散行为中的差异。在图23中，元件尺寸对应于其行为由菲涅耳类型和纳米喷射现象的叠加定义时的情况(该配置对应于图22(e)中研究的配置)。因此，相对于波长观察到纳米喷射光束长度的显著变化。相反，在图24中，选择元件尺寸以便针对整个波长范围良好地保持光束形状(该配置对应于图21(d)中研究的配置)。这种行为验证了纳米喷射效应在光束形成中的主导作用。
外部环形状，S2
可以相当任意地选择环的外部形状。
如在图25中可以看出的，环的环外部边界的形状的变化(由S2定义)仅对纳米喷射光束产生轻微影响。例如，外部柱体横截面从圆形到矩形的转换仅导致焦点中场强度的微小减小(～10％)，其位置对于两种配置几乎保持不变。
当其性能由菲涅耳型和纳米喷射现象(未示出)的相互作用限定时，对于环型元件的某些配置可以预期更大的影响。
芯尺寸，R1
芯尺寸是环型纳米喷射元件的关键参数。该参数确定沿z轴的热点位置以及纳米喷射光束区域中的峰值场强度。
芯柱体的半径限定了边缘线的长度和曲率，并因此限定了纳米喷射元件的总有效孔径。边缘越长，捕获并引导至纳米喷射光束的功率越大，从而增加焦点中的场强度。
在芯、衬底和覆板(superstrate)具有相同材料(n2＝n3＝n4，符号参见图17)的情况下，观察到场强度相对于芯柱体半径的线性增加(图26)。在环型元件结构包括多层不同材料的堆叠的情况下，芯内部的内反射可以出现并改变纳米喷射光束形成条件。折射率比率越大则芯尺寸越大，内反射的可能影响越大(即芯柱体内部可支持的共振模的数量越大并且某些模式的质量因子越高)。
元件高度和半径与主介质材料的影响的最佳组合
由于纳米喷射聚焦效应而产生的芯高度和半径以及所估计的FIE之间的最佳比率是元件芯和腔材料之间的折射率比率的函数。对嵌入在折射率为n2＝1.49的无界主介质中的具有中空环(n1＝1)的环形纳米喷射元件的全波分析揭示了对于Lz/R1≈2实现最大场强度(图26(a))。相应的场强度增强被估计为FIE～18R1/λ1[a.u.](至少对于1/2<R1/λ2<2有效)。在n1＝2.0的情况下，最佳比率被定义为Lz/R1＝1.4(图26(b))。相应的场强度增强被估计为FIE～16R1/λ1[a.u.](至少对于1/2<R1/λ2<3有效)。
芯形状，S1
可以相当任意地选择芯柱体的形状并进行优化以便提供纳米喷射光束的期望形状和尺寸(图27和28)。
对环形纳米喷射元件的芯形状的修改使得能够修改与芯基边缘线的不同段相关联的纳米喷射光束的部分贡献。图27示出了具有不同形状的芯的环型纳米喷射元件的一些示例性实施例。通过虚线示意性地示出了有助于形成中心纳米喷射光束的光束。图28-30示出了每种配置的相应功率密度分布。如在图28(a)和28(b)中可以看出，芯柱体横截面从圆形到方形的转换对热点中的功率密度的最大值仅有微小(约10％)影响(最佳地参见图29)，而针对圆形和方形配置二者良好地保留了热点位置和光束对称性(图30(a)和30(b))。如在图28(c)和28(d)中可以看出，圆形芯转换为更复杂的8型和条型形状导致形成不对称光束，其形状再现了芯的形状。除纳米喷射光束宽度和长度外，芯形状的转换也影响纳米喷射光束的热点的最大功率密度(图29)。如所预期的，针对圆形芯观察到最大值(由于其对称性)并且针对具有条形矩形芯的元件观察到最低值。图30示出了每种配置的光束的横截面视图。
图31呈现了根据本公开的一个实施例的纳米喷射聚焦组件(或用于在近区域中形成至少一个聚焦光束的设备)的使用场景的示意图。
在这样的实施例中，标记为280的发射元件(作为光照单元)可以是位于近区域或远区域中的任何电磁辐射源(例如，光，甚至UV光)。由发射元件280产生的电磁波可以经由自由空间传播或通过包括一组透镜和/或镜片和/或其他光学组件的光学投影单元到达标记为281的纳米喷射聚焦元件(作为用于在近区域中形成至少一个聚焦光束的设备的一部分，或者作为用于在近区域中形成至少一个聚焦光束的这种设备)。
纳米喷射聚焦元件281可响应于电磁波的接收而生成纳米喷射光束，其可用于在光致抗蚀剂层元件上产生几何图案。光致抗蚀剂层元件应位于距离纳米喷射聚焦元件281的一定距离D≤Rmax内。最佳距离取决于焦距和纳米喷射光束形状。它可以从0到几个波长变化。Rmax的值将根据可以制定的系统功能的规范来定义，例如，根据可接受的场强度增强。Rmax的典型值被估计为3至10个波长。
在本公开的一个实施例中，纳米喷射聚焦元件281是用于光刻工艺的光掩模。
应注意，在本公开的一个实施例中，纳米喷射聚焦元件281包括在密封衬底的一个或两个表面上具有“(一个或多个)腔”的多层结构。在一些配置中，这些结构可以直接附接到接收和/或发射元件。
在本公开的一个实施例中，发射元件280是激光器。
应注意，在一个示例性实施例中，前面提到的环形纳米喷射元件可以以包括三个层的多层结构的形式来制造，即：(i)玻璃板，(ii)由光学透明光致抗蚀剂或相变材料制成的具有穿孔孔径的薄膜，和(iii)另一玻璃板(例如，另一玻璃薄膜)。
应注意，根据本公开的一个实施例的光掩模可以例如通过直接激光光束写入方法、复制或模制来制造。光掩模的制造过程仅作为示例给出，以便使用所建立的微制造方法突出根据本公开的设备的制造可行性。然而，也可能存在一些其他制造方法，或者更适合于大规模生产。
图32示出了根据本公开的一个实施例的第二元件的两个不同视图。
这些视图呈现了与所述第二元件相关联的至少三个参数，它们可以控制聚焦光束的形状和定向：与基表面相关联的边缘线段的长度和曲率，以及与相对边缘线段相关联的基角度的值。
图33呈现了根据本公开的一个实施例的第二元件的3D视图，表示有助于形成两个独立的纳米喷射光束的两对相对边缘线段。在L1≈L2的情况下，该两个纳米喷射光束可以被重新组合为具有更复杂形状的单个光束(例如，参见图28(c))。在L1<<L2的情况下，纳米喷射光束(2)可能出现在距离元件的顶表面的较远距离处，并且具有比纳米喷射光束(1)低得多的场强度值。例如，对于L2>5λ可能发生这种情况，其中，λ是主介质中(即腔内)的波长。
图34通过平行于入射电磁波(更准确地说，相对于电介质层的底部的法向入射电磁波)的传播的平面呈现了根据本公开的设备的一部分的交叉点。
图35(a)-(d)通过平行于入射电磁波(更准确地说，相对于电介质层的底部的法向入射电磁波)的传播的平面呈现了根据本公开的设备的一部分的不同结果交叉点。
应注意，由于通过第一和第二元件的基部传播的入射波的波前的两个部分的干涉而产生的纳米喷射光束在第二元件内部重新组合在一起，产生聚焦纳米喷射光束。在平面波的法向入射的情况下，对于具有对称横截面和先前提到的与相对基边缘线段相关联的基角的相等值的元件，在具有沿该轴的定向的元件的光轴上产生对称纳米喷射光束。应注意，在平面波的倾斜入射的情况下，光束成比例地倾斜。
本领域技术人员通过改变第一和第二元件的形状和尺寸，并且特别地，通过改变基边缘线的形状和相关联基角，可以控制(一个或多个)纳米喷射光束的形状、位置和辐射角。因此，可以根据所选参数来控制纳米喷射聚焦设备的聚焦和光束形成特性。
图36呈现了根据本公开的一个实施例的由设备(或环型纳米喷射元件)产生的纳米喷射光束的示意图，该设备由平面波照射：(a)沿z轴从下方入射，(b)沿x轴从左侧入射。来自第一元件的箭头指示纳米喷射光束。图36(c)呈现了当根据本公开的一个实施例的设备(即包括环结构)从左侧(沿x轴)照射时xz平面中的功率密度分布。
应注意，在平面波从左侧入射的情况下，前面提到的第二元件的至少一个基面对应于柱体的侧面，在常识中，至少两个边缘线段作为柱体顶部和底部边缘线的部分。然而，本领域技术人员将理解这种常识的变化。
图37(a)-(c)呈现了NJ微结构架构(来自上文)的一些示例：(a)环型、(b)弯曲条带、(c)栅格、(d)规则或周期性凹槽。
图38(a)呈现了在放置在光致抗蚀剂层(n2＝1.7)的顶部上的玻璃板(nl＝1.5nm)中形成的具有双层圆柱体(R1＝300nm，R2＝700nm，H＝500nm)的形式的中空环形NJ元件的CAD模型，图38(b)呈现了当从上方被平面波(λ＝365nm)照射时在YZ平面中的归一化场强度，图38(c)呈现了在Z＝-100nm处沿X和Y轴的归一化场强度分布，并且图38(d)呈现了沿Z轴的归一化场强度分布。图39呈现了(a)由具有相对于垂直轴限定的20°入射角的平面波(λ＝365nm)照射的环形NJ微透镜在XZ平面中的归一化场强度，以及(b)针对两个不同入射角(0°和20°)的平面波在Y＝0nm，Z＝-100nm处沿X轴的归一化场强度分布。结构的参数与图38相同。
因此，根据本技术的光掩模使得能够在光致抗蚀剂层上制造复杂图案。实际上，如前面提到的作者为Hooman Mohseni的文章“光子喷射及其在纳米光子中的应用(PhotonicJet and its Applications in Nano-Photonics)”中所解释的，也可以以与该提到的文章的图1(a)中详细描述的相同的方式来改变根据本公开的光致抗蚀剂层和掩模的定向。由于纳米喷射聚焦元件引起的灵活性(在所产生的纳米喷射光束的定向方面)，与仅包括纳米(或微)球的光掩模相比，根据本技术的光掩模允许在光致抗蚀剂层上获得更复杂的图案。
图40呈现了根据本公开的一个实施例的光刻设备的示例。
标记为3900的这种光刻设备包括标记为3901的计算单元(例如，CPU，“中央处理单元”)，以及标记为3902的一个或多个存储器单元(例如，可以在执行计算机程序指令期间临时存储中间结果的RAM(“随机存取存储器”)块，或者存储计算机程序等的ROM块，或者EEPROM(“电可擦除可编程只读存储器”)块或闪存块)。计算机程序由可以由计算单元执行的指令构成。这种光刻设备3900还可以包括标记为3903的专用单元，其构成输入-输出接口以允许设备3900与其他设备通信。具体地，该专用单元3903可以与天线(以便在没有接触的情况下进行通信)，或者与串行端口(以进行通信“接触”)连接。单元3901、3902和3903可以例如一起通过总线交换数据。
此外，光刻设备3900包括可以由计算单元3901引导的标记为3904的光照单元(其可以是激光或可以在光刻环境中产生光的任何单元)。在本公开的一个实施例中，光刻设备可以包括标记为3905的光学投影单元，用于将由光照单元3904发射的光引导到标记为3906的光掩模。光掩模3906包括根据本公开的纳米喷射生成元件，用于在标记为3907的光致抗蚀剂层上生成几何图案/结构。
图41示出了本公开的具体实施例，根据该实施例，聚焦组件基于嵌入在主介质中的中空长方体2×2阵列。图41a示出了这种组件的拓扑，而图41b提供了当组件被沿z轴传播的单位幅度平面波(n1＝1.49，Lx＝Ly＝Lz＝2λ1，S＝0.5λ1)照射时的时间平均功率分布的模拟结果。
图41a的组件(或光掩模)包括嵌入在折射率n1>n2的光学透明主介质112中的四个中空长方体(n2＝1)140。例如，这可以是玻璃、塑料(例如，PMMA)、或聚合物(例如，PDMS(聚二甲基硅氧烷))。
在嵌入在折射率n1＝1.49的均匀电介质介质112中的中空(n2＝1)长方体140的2×2阵列的轴上生成纳米喷射光束，其中，折射率n1＝1.49是光学范围内的玻璃和塑料的典型值。分析表明，通过相对于主介质折射率和入射平面波的波长优化长方体的大小、形状和相对位置，可以生成具有～λ/2n1的半功率光束全宽度(FWHP)和至少5的因子的FIE的纳米喷射光束。
图42示出了光掩模的替代实施例，其中，中空矩形长方体140由沿着平面波传播方向定向的中空柱体141代替。和图41一样，图42a示出了这种组件的拓扑，而图42b提供了当组件被沿z轴传播的单位幅度平面波(n1＝1.49，Lz＝2λ1，R＝λ1，S＝0.5λ1)照射时的时间平均功率分布的模拟结果。
图43示出了又一个实施例，其中，在电介质112和自由空间的边界处形成中空柱体141的2×2阵列，例如，在玻璃或塑料板的表面上。当被来自介质侧的平面波照射时，这种组件(包括在光掩模中)在靠近板112的表面的自由空间中产生纳米喷射光束。该实施例对于需要在聚焦组件和被测物体之间存在气隙的应用(光学数据存储、显微镜、光谱学和计量系统的典型场景)是有利的。
和图42一样，图43a示出了基于在电介质和自由空间的界面处产生的中空柱体的2×2阵列的这种组件的拓扑，而图43b提供了当组件由沿z轴传播的单位幅度平面波(n1＝1.49，Lz＝2λ1，R＝λ1，S＝0.5λ1)照射时的时间平均功率分布的模拟结果。
图44提供了基于嵌入在主介质112中并且包括在根据本公开的一个实施例的光掩模中的中空柱体141的单周期(图44a)和双周期(图44b)阵列的两个另外的示例性实施例。在该两个实施例中，中空柱体形成2×2紧密定位散射体的多个规则间隔的子阵列，其作用类似于图42中所示的组件。注意，在图44b的情况下，每个中空柱体141同时有助于形成标记为180的四个纳米喷射。

Claims (13)

1.一种用于在光致抗蚀剂衬底上生成结构的光刻设备，所述光刻设备包括光照单元和光掩模，其中，所述光掩模生成纳米喷射近场图案，该纳米喷射近场图案直接修改所述光致抗蚀剂衬底以获得所述结构，并且其中，所述光掩模包括至少一个电介质材料层以及折射率低于所述电介质材料的折射率的介质，其中，所述至少一个电介质材料层的表面具有形成台阶的至少一个突然的水平变化，并且其中，至少所述表面相对于所述台阶和来自所述光照单元的电磁波的方向的基部和侧部与所述介质接触，并且其中，所述纳米喷射近场图案是来自所述表面的所述基部和侧部的电磁波的相长干涉。
2.根据权利要求1所述的光刻设备，其中，所述台阶由在所述至少一个电介质材料层中制成的至少一个腔的边缘形成，并且所述腔至少部分地填充有所述介质。
3.根据权利要求2所述的光刻设备，其中，所述至少一个腔是所述至少一个电介质材料层中的通孔。
4.根据权利要求2至3中任一项所述的光刻设备，其中，所述至少一个腔属于至少两个腔的至少一个集合。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的光刻设备，其中，所述至少一个腔目标是圆柱形或锥形。
6.根据权利要求1所述的光刻设备，其中，所述台阶由在所述至少一个电介质材料层中制成的至少一个凹槽的边缘形成，并且所述凹槽至少部分地填充有所述介质。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光刻设备，其中，所述台阶的高度H目标为使得其中，λ1是所述电介质材料中的所述电磁波的波长。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光刻设备，其中，所述光刻设备还包括形成邻接所述电介质材料层的衬底(110)的至少一个层。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光刻设备，其中，所述电介质材料属于包括下列项的组：
-玻璃；
-塑料；
-聚合物材料。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的光刻设备，其中，所述光刻设备还包括光学投影单元，用于引导来自所述光照单元的光。
11.根据权利要求10所述的光刻设备，其中，所述光学投影单元包括一组透镜和/或镜片。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的光刻设备，其中，所述电介质材料是光学透明电介质材料。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的光刻设备，其中，所述介质是固体或液体或气体。
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