CN110780544A - 一种长焦深超分辨直写光刻的光生成器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种长焦深超分辨直写光刻的光生成器件，它由上至下依次布设透明基底层（1）、纳米光栅结构的光栅掩模层（2）、平坦化膜层（3）和ENZ超材料多层膜（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聚焦光针光刻图形，突破了衍射极限约束，光传输效率高。
Description
技术领域
本发明属于超分辨光刻技术领域，具体涉及一种利用表面等离子体(简称SPP)造成聚焦效应的点聚焦的直写光刻光生成器件，它利用金属-介质构成的双曲色散介电常数近零(简称ENZ)超材料的空间频率滤波实现窄带高频倏逝波的有效传输并在感光层形成超过衍射极限的倏逝贝塞尔光束。
背景技术
当前，光刻是半导体产业最常用的图形制备技术。但是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。这种倏逝波往往束缚在空间物体结构表面，在传播方向上其强度呈现指数型衰减，因而无法达到成像面参与成像。为了突破衍射极限并提高光刻分辨率，一些新的光刻技术如吸收调制光刻技术、受激发射损耗光刻等被开发出来。
最近，SPP光刻被提出用来改善光刻分辨力，它是利用在金属-介质界面激发的SPP耦合高频倏逝波，并产生深亚波长尺寸的光刻图形。与自由空间中的光波相比，SPP的波长短，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，SPP是一种局限于金属表面的电磁模式，电场强度沿传播方向呈指数衰减，其倏逝性使得光刻中的光场具有非常浅的深度，只有几十甚至几个纳米。这些问题严重阻碍了SPP光刻的发展和应用。
由于存在上述问题，人们努力寻找一种提高超衍射光束的强度、增强光场的高频倏逝波能量、获得高深宽比光刻图形的技术手段。
在科研中发现，径向偏振光用来形成聚焦焦斑：受径向偏振光激发的SPP的干涉可以产生一种焦斑尺寸超过衍射极限的倏逝贝塞尔光束。虽然倏逝贝塞尔光束在传播过程中衰减较快，但由于倏逝贝塞尔光束无衍射特性，其原有的横向形状得以保留。
此外，超衍射结构材料如金属-介质多层膜等，具有空间频率带通滤波特性，对近场倏逝波进行横向波矢选择性透过，实现倏逝波在超衍射结构材料中的纵向传输。超衍射结构材料的倏逝波传输特性决定了其超衍射能力，在SPP光刻技术领域，使用一种具有低损耗和空间频率滤波功能的特殊双曲色散介电常数近零的超材料(epsilon-near-zeromaterial，简称ENZ超材料)，ENZ超材料为理想的滤波结构，其透射区间十分狭窄，对透射区间内的波有良好的传输特性，而对其它波段则有很高的反射率和吸收率，它作为光学调控材料被广泛应用在光刻领域。
发明内容
针对SPP传输损耗大、焦深短的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种长焦深超分辨直写光刻的光生成器件，它能实现高频倏逝波的高效传输，提高超衍射光束的强度，增强光场的高频倏逝波能量，获得高深宽比光刻图形。
本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它由上至下依次为透明基底层、纳米环带的金属光栅掩模层、平坦化层和ENZ超材料多层膜。
优选地，在ENZ超材料多层膜之下还布设有感光层和高折射率介质反射层；感光层与ENZ超材料多层膜真空吸附紧密接触，或者间隔一定距离，间隔层材料为空气或者其他介质材料。
本发明的工作过程：用TM偏振方向的平面波光源均匀照射到透明基底层，平面光波作用在金属环带光栅掩模层上，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ENZ超材料多层膜，利用ENZ超材料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，并最终在感光层中心位置耦合形成聚束光斑，聚束光斑对盘片表面的光刻胶进行曝光。
通过ENZ超材料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倏逝贝塞尔光束图形。
所以本发明的技术效果是：能高效传输高频倏逝波，提高了超衍射光束的强度，增强了光场的高频倏逝波能量，获得高深宽比光刻图形。高光场强度特征的深亚波长倏逝贝塞尔光束图形还应用于粒子操控、超分辨光学显微、高密度数据存储等方面。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1为本发明一个实施例的结构示意图；
图2为纳米环带的金属光栅掩模层的平面结构图；
图3为实施例中ENZ超材料多层膜在405nm波长下的光学传递函数(OTF)曲线图；
图4为实施例的光刻仿真效果图。
图中：1、透明基底层；2、纳米环带的金属光栅掩模层；3、平坦化膜层；4、ENZ超材料多层膜；41、金属膜层；42、介质膜层；5、感光层；6、高折射率介质反射层；7、金属反射层；8、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、纳米环带的金属光栅掩模层2、平坦化膜层3和ENZ超材料多层膜4。
在ENZ超材料多层膜4之下还布设有感光层5，感光层5与ENZ超材料多层膜4真空吸附紧密接触，或者感光层5与ENZ超材料多层膜4间隔一定距离，间隔层材料为空气或者其他介质材料。
在感光层5之下布设有高折射率介质反射层6和金属反射层7，金属反射层7的下层为衬底层8。在感光层5底部增加高折射率介质反射层6和金属反射层7能提高超衍射光束的强度均匀性，加强了聚束光斑在竖向贯穿感光层5的刻蚀能力。
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、不易变形的材料，对紫外光、可见光具有较高的透过率。
如图2所示，所述纳米环带的金属光栅掩模层2为周期性的掩模光栅，属于纳米狭缝或孔洞的环带阵列结构，激发光栅层为可以高效激发特定传输波长范围表面波的材料,包括但不限于Au、Al、Cr等金属；所述纳米狭缝或孔洞的环带阵列结构的排布周期P为25nm～250nm，占空比为0.1～0.9，所述的掩模光栅，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环带阵列结构。
所述平坦化膜层3的材料选用PMMA或固化胶等，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，平坦化膜层3位于纳米环带的金属光栅掩模层2与ENZ超材料多层膜4两层金属的交界面处，分别产生波长相同的SPP干涉波，并发生谐振作用。
所述ENZ超材料多层膜4由金属和介质两种材料通过物理气相沉积的方法在平坦化膜层3上交替沉积制备而成，结构形式如图1所示，金属膜层41与介质膜层42交替排布。所述的ENZ超材料膜层总数为3～30层。所述膜层材料包括但不限于Al、Ag、Al2O3、TiO2、SiO2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6nm～100nm。
ENZ超材料多层膜4的作用是在入射光照射纳米环带的金属光栅掩模层2时，ENZ超材料多层膜的等效介电常数在波长405nm下为负数这种类金属特性，使得ENZ超材料对光栅激发光和入射光的透射范围非常窄，拥有良好的空间滤波特性，适合对单频的SPP干涉波进行滤波和传输，选择性的透过正、负n级次的光栅衍射光，n为掩模光栅的激发衍射级次。
所述感光层5为对紫外感光的光刻胶膜层，属于无机光刻胶。所述无机光刻胶制备方法为溅射。所述无机光刻胶为热敏光刻胶，厚度为5nm～800nm。
所述高折射率介质反射层6和金属反射层7为对从光刻胶中出来的光进行反射，所述衬底层8的材料包括但不限于玻璃、石英、硅片、PET等，感光层5直接涂覆在高折射率介质反射层6上。高折射率介质反射层6为TiO2膜。介电常数虚部比较大的金属Al适合做金属反射层7，各膜层厚度为10nm～100nm。
本发明的原理是：
径向偏振光照明纳米环带的金属光栅掩模层2时，根据“Z.Bouchal,and M.Olivík,"Non-diffractive Vector Bessel Beams,"J MOD OPTIC 42,1555-1566(1995),(Zdeněk Bouchal，Marek Olivík，“无衍射向量贝塞尔光束”，现代光学期刊，42，1555–1566(1995))记载：光束在像空间的电场复振幅分量在笛卡尔坐标系下被表示为：
式中，kr和kz分别是横向波矢和纵向波矢，满足
J1是第一类一阶Bessel函数，这是形成空心光斑分布的主要原因，J0是第一类零阶Bessel函数，这是形成聚焦光斑的主要原因，径向偏振光通过轴对称圆环结构，形成的光场中E(z)占主导，t(kr)代表光学传递函数，
代表角向，r代表径向，i代表虚数基本单位，z代表传播方向。
从上式得出：J0是形成聚焦光斑的主要原因。
根据“Ling Liu,Ping Gao,Kaipeng Liu,et al.Nanofocusing of circularlypolarized Bessel-type plasmon polaritons with hyperbolic metamaterials[J].Mater.Horiz.2017,4(2):290-296.,(刘玲，高平，刘凯鹏，等等，“双曲色散超材料圆极化贝塞尔型等离子体激元的纳米聚焦”，材料视野，2017，7(2):290–296)2017年1月记载了其横向波矢量为：kr＝nk0 sinθ+m(λ/P)k0，式中，n为玻璃基底的折射率，k0为自由空间波矢量，θ为入射角，λ为入射光波长，P为光栅周期，m为衍射波级次。本申请的光栅激发的波矢模式就是横向波矢kr。
基于ENZ超材料多层膜结构的负折射系统，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；最终特定高频倏逝波相互干涉并在感光层形成超分辨聚焦图形。也就是：通过对ENZ超材料多层膜的几何参数(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、相对介电常数实部和虚部)调节，不同空间频谱的倏逝波可以选择性的传输，具有较多的调节自由度。而且，等效介电常数接近零的双曲色散超材料多层膜具有较低的传输损耗，传输到感光层的图形具有较高的光场强度，能使曝光时间缩短。另外，只有特定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深宽比。
实施例
本实施例如图1和图2所示，透明基底层1为玻璃基底；纳米环带的金属光栅掩模层2为中心环带半径R0＝750nm，环带排布周期P＝250nm的二维狭缝阵列Al掩模，厚度19nm；平坦化膜层3材料为PMMA，厚度31nm；ENZ超材料多层膜的膜层总数为7层，第一膜层41为4层Al金属膜层，介电常数为23.927+4.935i，每层厚度为6nm；第二膜层42为3层Al2O3介质膜层，介电常数为2.8244，单层厚度为50nm；感光层5的材料为光刻胶，介电常数为2.8568，厚度640nm。
用径向偏振光，入射波长为405nm，入射角度为0°照射本实施例的器件。当平面径向偏振光垂直照射纳米环带的金属光栅掩模层2狭缝光栅时，将会激发不同级次的衍射波。如果限定衍射波为1级次，则横向波矢量为kr＝1.625k0。用光学传递函数(OTF)曲线来描述ENZ超材料多层膜的滤波传输特性，而OTF是根据传输矩阵法(TMM)计算得到，根据文献“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),2012年5月记载了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。
ENZ超材料多层膜结构在405nm波长下的OTF曲线如图3所示，图3中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。从图3看出：横向波矢量存在一个透射通带，通带区间位于1.55k0～1.79k0的高频波矢。说明了只有空间波矢在此范围的高频倏逝波才可以穿过ENZ超材料多层膜。只有正、负1级衍射波(m＝1)可以通过ENZ超材料多层膜，而其它衍射级次将被抑制。相干平面波传输到感光层，并相互干涉形成深亚波长的二维聚焦图形。
图4是本实施例采用“Sikder S I,Mohammad R I F,Mohammad T I.A New DoubleNegative Metamaterial for C-Band Microwave Applications.Advanced MaterialsResearch,2014,974:33-37.(S.I.Sikder,R.I.F.Mohammad,T.I.Mohammad，“一种用于C环微波应用的新型双负超材料。先进材料研究，2014，974:33-37.”)文中记载的基于有限积分法的仿真软件CST Microwave Studio进行模拟验证。模拟的光波传输效果如图4所示，其中横坐标y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4可以清楚的看到，狭缝阵列掩模激发了衍射波，并且衍射波在ENZ超材料多层膜的滤波传输后，在感光层形成的聚焦图形，聚焦图形的半高全宽(FWHM)为90nm，且光场穿透整个感光层厚度。
本实施例，通过调整ENZ超材料多层膜的膜层厚度和材料，使得ENZ超材料多层膜结构在405nm波长下有位于1.55k0～1.79k0通带区间，在405nm波长的径向偏振光垂直照射本实施例的器件时，会激发不同级次的衍射波，其中，1级次衍射波的横向波矢量为kr＝1.625k0，它能过ENZ超材料多层膜，在感光层形成的聚焦图形。
Claims (10)
1.一种长焦深超分辨直写光刻的光生成器件，其特征是：由上至下依次为透明基底层（1）、纳米环带的金属光栅掩模层（2）、平坦化层（3）和ENZ超材料多层膜（4）。
2.根据权利要求1所述的长焦深超分辨直写光刻的光生成器件，其特征是：在ENZ超材料多层膜（4）之下还布设有感光层（5），感光层（5）与ENZ超材料多层膜（4）真空吸附紧密接触，或者感光层（5）与ENZ超材料多层膜（4）间隔一定距离，间隔层材料为空气或者其他介质材料。
3.根据权利要求2所述的长焦深超分辨直写光刻的光生成器件，其特征是：在感光层（5）之下布设有高折射率介质反射层（6）和金属反射层（7），金属反射层（7）的下层为衬底层（8）。
4.根据权利要求1、2或3所述的长焦深超分辨直写光刻的光生成器件，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。
5.根据权利要求4所述的长焦深超分辨直写光刻的光生成器件，其特征是：所述纳米环带的金属光栅掩模层（2）为周期性的掩模光栅，为纳米狭缝或孔洞的环带阵列结构，材料选用Au、Al或Cr，所述纳米狭缝或孔洞的环带阵列结构的排布周期为25nm~250nm，占空比为0.1~0.9。
6.根据权利要求5所述的长焦深超分辨直写光刻的光生成器件，其特征是：所述平坦化膜层（3）的材料为PMMA或固化胶。
7.根据权利要求6所述的长焦深超分辨直写光刻的光生成器件，其特征是：所述ENZ超材料多层膜（4）由金属与介质膜层交替排列构成，该膜层材料为Al、Ag、Al 2 O 3 、TiO 2 或SiO 2 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，且厚度在6nm~100nm之间。
8.根据权利要求7所述的长焦深超分辨直写光刻的光生成器件，其特征是：透明基底层（1）为玻璃基底；纳米环带的金属光栅掩模层（2）为中心环带半径R0=750nm，环带排布周期P=250nm的二维狭缝阵列Al掩模，厚度19nm；平坦化膜层（3）材料为PMMA，厚度31nm；ENZ超材料多层膜（4）的膜层数为7层，第一膜层41为4层Al金属膜层，每层厚度为6nm；第二膜层（42）为3层Al 2 O 3 介质膜层，单层厚度为50nm。
9.根据权利要求7所述的长焦深超分辨直写光刻的光生成器件，其特征是：所述的感光层（5）为对紫外入射光感光的光刻胶，厚度为5nm~800nm。
10.根据权利要求9所述的长焦深超分辨直写光刻的光生成器件，其特征是：所述的高折射率介质反射层（6）为TiO 2 膜，金属反射层（7）为金属Al膜层，各膜层厚度为10nm～100nm；所述衬底层（8）的材料包括玻璃、石英、硅片或PET。
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