CN112731757A - 应用于等离激元直写光刻的光场调控芯片及制备方法 - Google Patents

应用于等离激元直写光刻的光场调控芯片及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于等离激元直写光刻的光场调控芯片，其特征在于，包括由下至上依次设置的衬底、岛状结构、核心图形层和超材料结构；其中，核心图形层上设置有纳米天线阵列和平面透镜阵列，衬底上侧四个拐角处均设置有干涉式空间位相成像标记模块。纳米天线阵列包括至少一个纳米蝴蝶结天线，平面透镜阵列包括至少一个平面衍射透镜。纳米蝴蝶结天线阵列用于实现高精度近场光刻；平面衍射透镜阵列用于实现高速远场光刻。本发明可用于直写光刻系统中，根据工作距离选取高精度模式和高速模式；同时，通过阵列化光场调控芯片中的纳米结构，可实现并行的高效率直写光刻。

Description

应用于等离激元直写光刻的光场调控芯片及制备方法
技术领域
本发明涉及微纳加工技术领域，尤其涉及一种应用于等离激元直写光刻的光场调控芯片及制备方法。
背景技术
如何实现紧聚焦的局域化电场，一直是光学领域的研究热点。因为其可以应用于高分辨成像和纳米尺度光刻等一系列先进光子技术中。传统的显微成像和投影式光刻技术中，通常采用高数值孔径的透镜组或更短波长的光源来实现高质量的点扩散函数，以提升其分辨率。但是其所能实现的物理极限受到瑞利衍射极限
Figure BDA0002874584780000011
的限制，同时数值孔径和波长的改变也无法对分辨率产生本质性的影响，反而会大幅提高系统的制造成本。比如，最先进的极紫外光刻系统，因选用了13.5nm波长的极紫外光源，而不得不大幅提升系统的功耗以及昂贵反射镜组的制作成本。如果从提升数值孔径的角度出发，则系统的工作距离会不断缩短，从而尽可能多的收集高频的倏逝分量。浸润式光刻更是采用较高折射率的液体来实现大于一的数值孔径。以上实现紧聚焦电磁场的技术可以统称为远场聚焦技术，因其系统的工作距离通常大于几十个微米。远场聚焦的理论极限已经由近期的一系列研究揭示，通常在
Figure BDA0002874584780000012
以内。当超过此极限时，则局域场会产生较多旁瓣(杂散信号)，以影响实际的成像或光刻效果。
表面等离激元，作为一种金属表面电子在外界电磁场激发下产生的集体震荡效应，经常被用来实现近场的局域场强增强。局域意味着极高的空间频率(亚波长)，其尺寸仅受纳米结构尺寸的限制，所以在理论上可以实现纳米尺度的局域电场。因此，此种效应所产生的局域化电场通常被用在光刻技术中。基于表面等离激元效应的光刻技术主要分为三大类，一大类是等离子激元干涉光刻技术，如：日本理化研究所Teruya Ishihara教授和成都光电所的罗先刚教授通过激发铝光栅表面的SPP来实现干涉光刻。此种光刻技术因需要预先制备周期性金属结构模板，不能实现灵活的图形定义。一大类是直写扫描光刻技术，如：普渡大学的Xianfan Xu教授和申请人利用bowtie型亚波长金属天线式结构的局域表面等离激元效应实现超分辨直写扫描光刻。但是，此种光刻技术目前却始终只能实现焦深很浅(小于20纳米)的超分辨曝光，这严重局限了它的应用。另一个大类则是等离子透镜成像光刻，如：美国加州伯克利分校张翔教授课题组验证了超透镜的成像效果，获得了百纳米以下的光刻结果；UCSD的Zhaowei Liu教授利用具备双曲色散关系的超透镜，实现远场超分辨光刻，线宽分辨率可以达到50nm，这种透镜还具备放大、缩小成像功能等。但此种光刻技术同样难以实现灵活的图形定义。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种应用于等离激元直写光刻的光场调控芯片及制备方法，能够用于解决上述技术问题。
在本发明实施方式的第一方面中，提供了一种应用于等离激元直写光刻的光场调控芯片，包括由下至上依次设置的衬底、岛状结构、核心图形层和超材料结构；
其中，上述核心图形层上设置有纳米天线阵列和平面透镜阵列，上述衬底上侧四个拐角处均设置有干涉式空间位相成像标记模块。
在本发明的一个实施例中，上述纳米蝴蝶结天线阵列用于实现高精度近场光刻；上述平面衍射透镜阵列用于实现高速远场光刻。
在本发明的另一个实施例中，上述干涉式空间位相成像标记模块包括一组二维变频光栅，用于在光刻过程中根据上述光场调控芯片与样品的距离变化实时产生不同的干涉条纹信号。
在本发明的又一个实施例中，上述岛状结构为阶梯型凸起结构，设置于上述衬底上侧中间区域，用于承载上述芯片上的上述核心图形层和上述超材料结构。
在本发明的再一个实施例中，上述纳米天线阵列和上述平面透镜阵列沿上述核心图形层的中线对称设置，用于根据工作距离选择上述纳米天线阵列或上述平面透镜阵列调整工作模式。
在本发明的再一个实施例中，上述纳米天线阵列包括至少一个纳米蝴蝶结天线。
在本发明的再一个实施例中，上述纳米蝴蝶结天线的长度为a，宽度为b，间隙为g，中心弧度为R，边缘弧度为r及厚度为t。
在本发明的再一个实施例中，上述平面透镜阵列包括至少一个平面衍射透镜。
在本发明的再一个实施例中，上述超材料结构包括依次交替设置的金属层和介电质薄膜，用于增强经纳米蝴蝶结天线激发的等离激元局域化电场的焦深。
在本发明实施方式的第二方面中，提供了一种用于制备应用于等离激元直写光刻的光场调控芯片的方法，包括：
在衬底上制备岛状结构；
在衬底表面蒸镀一层金属膜，在上述金属膜四角处分别制备干涉式空间位相成像标记模块；
在上述岛状结构上的核心图形层制备纳米天线阵列和平面透镜阵列；
在上述核心图形层上制备超材料结构。
本发明的公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
(1)本发明通过将纳米蝴蝶结天线结构和人工超材料相结合，可以实现长焦深的纳米尺度光刻(即高精度光刻模式)；在芯片上集成平面衍射透镜结构，可以在光刻中精度要求不高的区域进行模式切换，通过高速扫描光刻提升光刻效率。
(2)本发明采用芯片结构作为光刻的掩膜，可以根据实际的需求订制芯片上关键结构的具体尺寸，进一步提高了本发明的实用性。
(3)对于周期性图形的制备，本发明可通过在核心图形层阵列化纳米蝴蝶结天线结构和平面衍射透镜结构，以实现并行光刻模式，大幅提升光刻效率。
(5)本发明通过在芯片上集成二维变频光栅结构，可以在光刻过程中实时监测芯片与样品的工作距离，实现芯片与样品之间距离的调控与两个芯片与样品的平面之间的调平。
附图说明
图1是本发明实施例提供的应用于等离激元直写光刻的光场调控芯片的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的纳米天线阵列的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的平面透镜阵列的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的干涉式空间位相成像标记模块的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的超材料结构的结构示意图；
图6是本发明实施提供的应用于等离激元直写光刻的光场调控芯片的制备方法流程图。
附图标记说明：1、衬底；2、干涉式空间位相成像标记模块；3、岛状结构；4、核心图形层；5、纳米天线阵列；6、平面透镜阵列；7、超材料结构；8、介电质薄膜；9、金属层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
下面结合图1对本发明示例性实施方式的应用于等离激元直写光刻的光场调控芯片进行描述。
如图1所示，其为本发明实施例提供的应用于等离激元直写光刻的光场调控芯片的结构示意图，本发明实施例提供的光场调控芯片包括由下至上依次设置的衬底1、岛状结构3、核心图形层4和超材料结构7，本实施例中的衬底1材料包括但不限于石英、蓝宝石等透明硬质材料。
其中，核心图形层4上设置有纳米天线阵列5和平面透镜阵列6，衬底1上侧四个拐角处均设置有干涉式空间位相成像标记模块2。
在本实施例中，纳米蝴蝶结天线阵列用于实现高精度近场光刻；平面衍射透镜阵列用于实现高速远场光刻。
其中，纳米天线阵列5和平面透镜阵列6沿核心图形层4的中线对称设置，用于根据工作距离选择纳米天线阵列5或平面透镜阵列6调整工作模式。
根据本发明实施例，本发明采用芯片结构作为光刻的掩膜，可以根据实际的需求订制芯片上关键结构的具体尺寸，进一步提高了本发明的实用性。
同时，本发明通过纳米天线阵列5和人工超材料相结合，可以实现长焦深的纳米尺度光刻(即高精度光刻模式)；在芯片上集成平面透镜阵列6，可以在光刻中精度要求不高的区域进行模式切换，通过高速扫描光刻提升光刻效率。
在本实施例中，如图2所示，其为本发明实施例提供的纳米天线阵列5的结构示意图，纳米天线阵列5包括至少一个纳米蝴蝶结天线，纳米蝴蝶结天线的特征尺寸的长度为a，宽度为b，间隙为g，中心弧度为R，边缘弧度为r及厚度为t。通过改变这些特征尺寸的大小以及选取组成纳米蝴蝶结天线的金属材料(例如金、银、镉、铝等)，可以控制所产生等离激元局域化电场的物理属性(例如局域电场的尺寸、透射率、透射峰的位置等)。以上物理参量之间的相互关系，可以通过电磁场有限元分析(COMSOL)或时域有限差分法(FDTD)进行模拟研究。需要说明的是，本发明中纳米蝴蝶结天线的材料不限于列举出的材料。
基于此，可以根据不同的光刻工作波段和不同的精度需求，定制不同尺寸的纳米蝴蝶结天线结构。对于周期性结构的光刻结构，可以通过在芯片上阵列化对应的纳米蝴蝶结天线结构，实现并行的光刻模式。
在本实施例中，如图3所示，其为本发明实施例提供的平面透镜阵列6的结构示意图，平面透镜阵列6包括至少一个平面衍射透镜，主要用于实现远场的高速扫描光刻。平面衍射透镜的特征尺寸为透明圆环的位置Rn和圆环的宽度ΔRn。通过遗传算法或粒子群算法，以及矢量瑞利索莫菲衍射方程，可以根据所期望实现的工作距离附近的电场分布(例如电场的半高宽和焦深)，计算得到透明圆环的尺寸和分布。平面衍射透镜中的透明区域由空气替代，不透明区域由金属填充，能够实现的
Figure BDA0002874584780000051
的分辨率。对于周期性结构的光刻结构，可以通过在芯片上阵列化对应的平面衍射透镜结构，实现并行的光刻模式。
本实施例中，如图4所示，其为本发明实施例提供的干涉式空间位相成像标记模块2的结构示意图，干涉式空间位相成像标记模块2包括一组二维变频光栅，用于在光刻过程中实时监测光场调控芯片与样品的工作距离。当激光入射到该二维变频光栅上时，将按照波动光学原理在光场调控芯片和样品平面之间发生一系列衍射和干涉过程。通过CCD探测收集干涉条纹信息，计算出对应的光场调控芯片-样品基底之间的间距值，然后加以比较。当光场调控芯片与样品基底不平行时，各个标记位置读取的间距值不相等，通过比较可以知道光场调控芯片与样品之间的间距大小，从而调整相应方向上压电平台的高度并进行再次比较，通过重复这一过程，各处获得的间距值都一致，说明芯片与样品已经达到平行。
根据本发明实施例，通过在芯片上集成二维变频光栅结构，可以在光刻过程中实时监测芯片与样品的工作距离，实现芯片与样品之间距离的调控与两个芯片与样品的平面之间的调平。
本实施例中，如图5所示，其为本发明实施例提供的超材料结构7的结构示意图，超材料结构7包括依次交替设置的金属层9和介电质薄膜8，用于增强经纳米蝴蝶结天线激发的等离激元局域化电场的焦深。在金属-介电质薄膜8结构中，当金属层9的厚度小于表面等离子体趋肤深度时，倏逝波和传播波都可以通过金属层9参与成像，等离激元不再局限于金属表面，而是在金属-介电质薄膜8结构中被不断的耦合和放大，以提升表面等离激元的传输距离。通过选取不同的金属层9材料(例如铝、镉等)和介电质薄膜8材料(例如氮化硅、氧化铝等)，并调整每层的厚度，可以针对不同的工作波段得到不同的场增强。需要说明的是，本发明中金属层9材料和介电质薄膜8材料不限于列举出的材料。
本实施例中，岛状结构3为阶梯型凸起结构，设置于衬底1上侧中间区域，用于承载芯片上的核心图形层4和超材料结构7，以避免在实际的扫描光刻过程中芯片上其余区域和样品之间产生接触，从而提升实际的光刻质量。
在介绍了本发明实施例提供的应用于等离激元直写光刻的光场调控芯片后，下面结合图6对本发明实施例提供的用于制备应用于等离激元直写光刻的光场调控芯片的方法作进一步解释。
如图6所示，其为本发明实施提供的应用于等离激元直写光刻的光场调控芯片的制备方法流程图。
本发明实施例提供的用于制备应用于等离激元直写光刻的光场调控芯片的方法，包括操作S101～S104。
在操作S101中，在衬底上制备岛状结构。具体的，通过光刻和干法刻蚀的方法在衬底上制备岛状结构，本实施例中，衬底的材料为石英或蓝宝石，也可以是其他满足同样作用的透明硬质材料。
在操作S102中，在衬底表面蒸镀一层金属膜，在所述金属膜四角处分别制备干涉式空间位相成像标记模块；具体的，在衬底表面蒸镀一层金属膜，通过光刻套刻和干法刻蚀的方法在金属膜四角处分别制备干涉式空间位相成像标记模块。
在操作S103中，在所述岛状结构上的核心图形层制备纳米天线阵列和平面透镜阵列；具体的，通过正面或背面的聚焦离子束光刻或正面的电子束光刻，在岛状结构上的核心图形层制备纳米天线阵列和平面透镜阵列；本实施例中，纳米天线阵列和平面透镜阵列的结构的设计通过电磁场仿真和对应的算法获得。本实施例中，纳米蝴蝶结天线的材料为金、银、镉或铝，也可以是其他满足同样作用的金属材料。
在操作S104中，在所述核心图形层上制备超材料结构。具体的，通过光刻、薄膜沉积和剥离，在岛状结构上生长金属层和介质介电质薄膜。本实施例中，金属层的材料为铝或镉，也可以是其他满足同样作用的金属材料；介电质薄膜的材料为氮化硅和氧化铝，可以是其他满足同样作用的材料。
制备好的芯片可以固定在真空吸盘上，通过高精度多轴位移台对其姿态进行调整。将入射光场聚焦在岛状结构，通过DMD空间光调制器控制芯片上实际曝光的区域，以实现工作模式的选择。通过CCD读取经二维变频光栅和待加工样品表面返回的干涉条纹信息，以计算芯片和样品的距离。根据当前工作模式，将样品移动至工作距离。根据所需要曝光图形的结构进行位移轨迹的规划，位移台根据规划结果进行移动，以在样品上曝光出预期图形。当工作在高精度模式下，芯片上的岛状结构与样品表面接触，因此需要引入润滑剂，且控制芯片的移动速度小于临界值。当工作在高速模式下，岛状结构上的平面衍射透镜被点亮，芯片与样品表面间隔大于几百个微米，透射光场在样品表面聚焦以实现百纳米精度的图形制备。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于等离激元直写光刻的光场调控芯片，其特征在于，包括由下至上依次设置的衬底、岛状结构、核心图形层和超材料结构；
其中，所述核心图形层上设置有纳米天线阵列和平面透镜阵列，所述衬底上侧四个拐角处均设置有干涉式空间位相成像标记模块。
2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述纳米蝴蝶结天线阵列用于高精度近场光刻；所述平面衍射透镜阵列用于高速远场光刻。
3.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述干涉式空间位相成像标记模块包括一组二维变频光栅，用于在光刻过程中根据所述光场调控芯片与样品的距离变化实时产生不同的干涉条纹信号。
4.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述岛状结构为阶梯型凸起结构，设置于所述衬底上侧中间区域，用于承载所述芯片上的所述核心图形层和所述超材料结构。
5.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述纳米天线阵列和所述平面透镜阵列沿所述核心图形层的中线对称设置，用于根据工作距离选择所述纳米天线阵列或所述平面透镜阵列调整工作模式。
6.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述纳米天线阵列包括至少一个纳米蝴蝶结天线。
7.根据权利要求6所述的芯片，其特征在于，所述纳米蝴蝶结天线的长度为a，宽度为b，间隙为g，中心弧度为R，边缘弧度为r及厚度为t。
8.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述平面透镜阵列包括至少一个平面衍射透镜。
9.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述超材料结构包括依次交替设置的金属层和介电质薄膜，用于增强经纳米蝴蝶结天线激发的等离激元局域化电场的焦深。
10.一种用于制备权利要求1～9任一项所述的应用于等离激元直写光刻的光场调控芯片的方法，其特征在于，包括：
在衬底上制备岛状结构；
在衬底表面蒸镀一层金属膜，在所述金属膜四角处分别制备干涉式空间位相成像标记模块；
在所述岛状结构上的核心图形层制备纳米天线阵列和平面透镜阵列；
在所述核心图形层上制备超材料结构。
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