CN117192915A - 一种基于介质波导的超分辨光刻器件及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于介质波导的超分辨光刻器件及方法，其结构依次包括透明基底、纳米光栅或空洞阵列结构的掩模层、填充层、两层介质膜层包覆感光层形成的波导结构层、衬底层。该波导结构排布可有效滤除掩模激发的杂散级次衍射波，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。该方法可突破衍射极限约束，形成超分辨光刻图形。可用于加工各种周期图形，在集成电路、光电子器件制备方面有重要应用。
Description
技术领域
本发明涉及超分辨光刻技术领域，特别是一种基于介质波导的超分辨光刻器件及方法。
背景技术
随着半导体行业的快速发展，光学集成化的程度越来越高，这就要求纳米器件的尺寸不断减小，因此相应的光刻制备工艺分辨力就要不断提高。然而，传统光学系统中，存在衍射极限问题，极大限制了光刻技术分辨力的提升。
目前，最具代表性的超分辨光刻方法为表面等离子体光刻技术。因为表面等离子体具有特殊的光学特性，能够使倏逝波耦合放大，从而突破衍射极限，为超分辨聚焦、成像、光刻等方面的研究带来了新的机遇。即使表面等离子光刻技术拥有突出的优势，但其金属固有损耗较大，导致光传输效率低、光刻图形深度浅。而且其光刻过程中极易引入金属污染，影响器件的实际性能。
因此，需要一种能避免金属损耗和污染的超分辨光刻器件及方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于介质波导的超分辨光刻器件及方法，该方法利用亚波长介质薄膜构建平面波导，形成介质波导结构，实现高频倏逝波增强，并选择性的高效传输，最终在感光层形成深亚波长干涉图形。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供的基于介质波导的超分辨光刻器件，由上至下依次布设透明基底层、掩模层、平坦化膜层、透射介质膜层、感光层、反射介质膜层、衬底层；
所述透射介质膜层、感光层、反射介质膜层构成介质波导结构膜层，形成谐振腔；
所述介质波导结构膜层用于滤除掩模层激发的杂散级次衍射波，将高频倏逝波传输到感光层，并对倏逝波进行增强，形成超分辨光刻图形。
进一步，所述透射介质膜层与感光层真空吸附。
进一步，所述掩模层为纳米狭缝或孔洞阵列构成的光栅图形掩模层。
进一步，所述纳米光栅的狭缝或者孔洞阵列结构中的图形排布周期为40nm～400nm，占空比为0.1～0.9。
进一步，所述反射介质膜层与透射介质膜层采用相同材料的介质层。
进一步，所述反射介质膜层材料与透射介质膜层采用二氧化钛层。
进一步，所述透射介质膜层的膜层厚度为10nm～100nm。
本发明提供的基于介质波导的超分辨光刻器件的制作方法，包括以下步骤：
(a)清洗基片作为透明基底层；
(b)传统光刻法制备掩模层；
(c)掩模层平坦化；
(d)制备透射介质膜层；
(e)清洗另一张基片作为衬底层；
(f)在衬底层上制备反射介质膜层；
(g)在反射介质膜层上制备感光层；
(h)将底部膜层和掩模层紧密接触，将S偏振照明光从掩模层一侧垂直入射曝光；
(i)通过显影液显影，最终得到超分辨光刻图形。
进一步，所述反射介质膜层材料与透射介质膜层采用金属氧化物层。
进一步，所述反射介质膜层材料与透射介质膜层采用二氧化钛层。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的一种基于介质波导的超分辨光刻器件及方法，其结构依次包括透明基底、纳米狭缝或孔洞阵列结构的光栅掩模层、填充层、两层介质膜层包覆感光层(即透射介质膜层、反射介质膜层和感光层)形成的波导结构层、衬底层。该波导结构排布可有效滤除掩模激发的杂散级次衍射波，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。该方法可突破衍射极限约束，形成超分辨光刻图形。可用于加工各种周期图形，在集成电路、光电子器件制备方面有重要应用。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的超分辨光刻器件加工工艺示意图。
图3为介质膜层的光学传递函数(OTF)曲线图。
图4为光刻结构的仿真效果图。
图1中：1.透明基底层；2.掩模层；3.平坦化膜层；4.透射介质膜层；5.感光层；6.反射介质膜层；7.衬底层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，本实施例提供的一种基于介质波导的超分辨光刻器件，用介质膜层代替金属膜层，以减小传输损耗、增强倏逝波传输效率，最终在感光层形成深亚波长图形，所述超分辨光刻器件的结构由上至下依次布设透明基底层1、掩模层2、平坦化膜层3、透射介质膜层4、感光层5、反射介质膜层6、衬底层7；
该波导结构排布可有效滤除掩模激发的杂散级次衍射波，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。
该方法可突破衍射极限约束，形成超分辨光刻图形。可用于加工各种周期图形，在集成电路、光电子器件制备方面有重要应用。
本实施例中的透射介质膜层4、感光层5、反射介质膜层6构成由两层介质膜层包覆感光层的介质波导结构膜层；波导结构层的感光层5与透射介质膜层4真空吸附紧密接触，紧密接触即尽量减小空气间隙层厚度，从而降低倏逝波损耗，并减小其它材料对波导性能的影响。采用真空方式是为了依靠大气压将膜层压紧，减小空气间隙的影响，也可以采用通过对上下两部分施加外力压紧。通过仿真优化，通过优化结果得到符合要求的材料及其厚度，光入射感光层5形成多次全反射，使其形成谐振结构，在感光层5中成像，且介质膜层4、感光层5和底部的反射介质膜层6同时存在时才会有功能。
本实施例中的透明基底层1为无机玻璃、熔融石英、有机玻璃或透明塑料。
本实施例中的掩模层2为纳米光栅阵列图形，如可以采用周期性排布的纳米狭缝结构，掩模层2材料可选用Au、Al、Cr等金属，或者TiO2、SiO2等介质；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。
本实施例中的平坦化膜层3的材料为PMMA或固化胶。
本实施例中的透射介质膜层4材料为MgF2、Si3N4、GaN、AlN、Al2O3、TiO2、SiO2、Ta2O5介质；介质膜层的膜层厚度为10nm～100nm。本实施例中的反射介质膜层6材料为MgF2、Si3N4、GaN、AlN、Al2O3、TiO2、SiO2、Ta2O5介质。底部介质膜层6的材料不必与透射介质膜层4一致，但是这两层介质材料一致时效果较好。反射介质膜层6膜层厚度和透射介质膜层4在预设的范围内即可。所述反射介质膜层6膜层厚度与透射介质膜层4略同，或者反射介质膜层6膜层厚度和透射介质膜层4在预设的范围内即可。
本实施例中的反射介质膜层6材料与透射介质膜层4采用金属氧化物层。所述反射介质膜层6与透射介质膜层4采用二氧化钛层。
本实施例中的感光层5为光刻胶，厚度为5nm～500nm；
本实施例中的衬底层7的材料为玻璃、石英、硅片或PET。
本实施例提供的基于介质波导的超分辨光刻方法，具体过程如下：
用S偏振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者孔洞阵列构成的光栅掩模层上，激发出具有不同波矢特征的衍射波，衍射波经过平坦化膜层后传输到介质波导结构膜层，利用介质波导具有的空间频谱滤波功能，使得相同级次的高频衍射波通过，并最终在中间感光层形成超分辨干涉图形。
如图2所示，本实施例中的超分辨力光刻方法的主要步骤如下：
(a)清洗基片作为透明基底层1；
(b)用磁控溅射法制备掩模层2；
(c)掩模图形平坦化形成膜层3；
(d)物理气相沉积法制备透射介质膜层4；
(e)清洗另一张基片作为衬底层7；
(f)在衬底层7上用物理气相沉积法制备反射介质膜层6；
(g)在反射介质膜层6上用旋涂方式制备感光层5；
(h)将底部膜层和掩模层紧密接触，将S偏振照明光从掩模层一侧垂直入射曝光；
(i)通过显影液显影，最终得到超分辨光刻图形。
本实施例中的反射介质膜层材料与透射介质膜层采用金属氧化物层。反射介质膜层材料与透射介质膜层采用二氧化钛层。
使用制备好的表面等离子体光刻器件做光刻工艺的过程中容易出现金属污染，金属污染是指表面等离子体光刻过程中，由于表面等离子体光刻器件本身含金属膜层，如金、银、铝等，在紧密接触曝光时，不可避免的会引入有金属粒子落到制备器件结构图形上，导致最终器件有瑕疵影响性能。但是，由于本实施例提供的超分辨光刻器件的反射介质膜层6材料与透射介质膜层4采用金属氧化物层，所述反射介质膜层6材料与透射介质膜层4采用二氧化钛层，使用本实施例提供的等离子体光刻器件做光刻工艺的过程中不会出现金属污染。
实施例2
如图1所示，本实施例中的透明基底层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。
所述掩模层2为周期性的掩模光栅，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TiO2、SiO2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。所述的掩模光栅，是用物理气相沉积法在透明基底层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的材料可选用PMMA、固化胶等，厚度可以为5nm～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后，刻蚀减薄形成。
所述透射介质膜层4由介质材料通过物理气相沉积的方法在平坦化膜层3上沉积制备而成，结构形式如图1所示。所述膜层材料包括但不限于MgF2、Si3N4、GaN、AlN、Al2O3、TiO2、SiO2、Ta2O5等介质，各膜层厚度可以为10nm～100nm。
透射介质膜层4的作用是在入射光照射掩模层2时，选择性的透过各方向n级次的光栅衍射光。
感光层5为对入射光感光的光刻胶，厚度为5nm～500nm；所述底部介质膜层6材料包括但不限于MgF2、Si3N4、GaN、AlN、Al2O3、TiO2、SiO2 Ta2O5等介质，各膜层厚度可以为10nm～100nm。
衬底层7的材料包括但不限于玻璃、石英、硅片、PET等，感光层5直接涂覆在反射介质膜层6上，反射介质膜层6再直接涂覆在衬底层7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，其横向波矢量为：
kx＝nk0sinθ+m(λ/P)k0，
其中，k0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为掩模光栅激发的衍射波级次。
介质波导结构膜层中的介质，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，而其他衍射级被强烈抑制。
最终传输的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：p＝P/(2m)。
通过对透射介质膜层和反射介质膜层的几何参数(包括膜层厚度、膜厚比)和材料参数(包括折射率的大小)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。
本实施例中介质膜层的厚度影响OTF曲线，曲线的峰值及对应的kx/k0会有差别。同时，也影响了感光层5中光刻图形的对比度和光强度。
而且，介质膜层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对比度。该器件具有结构简单、使用灵活、效率高、成本低等优点。
实施例3
如图1所示：用S偏振光，入射波长为193nm，入射角度为0°；透明基底层1为玻璃基底；掩模层2为周期88nm的一维狭缝阵列Al掩模，厚度35nm；平坦化膜层3材料为PMMA，厚度15nm；介质膜层4为TiO2，介电常数为7.84，厚度为22nm；感光层5的材料为光刻胶，介电常数为2.9177+0.1880i，厚度30nm；底部介质膜层6为TiO2，介电常数为7.84，厚度为20nm。
当S偏振的平面光波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1级次衍射波，则横向波矢量为2.208k0。
如图3所示，介质膜层的滤波传输特性可用光学传递函数(OTF)曲线描述，两个介质膜层及光刻胶组成的整体结构在193nm波长下的OTF曲线，其中，图3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3的OTF曲线，可以看出横向波矢量存在一个透射通带，通带区间位于1.5k0～2.5k0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介质膜层。所以只有正、负1级衍射波(m＝1)可以通过介质膜层，而其它衍射级次将被抑制。两束相干平面波传输到感光层，并相互干涉形成深亚波长的一维周期图形。根据p＝P/(2m)可以得出干涉图形的周期为44nm。
如图4所示，图4是本实施例采用仿真软件COMSOL Multiphysics进行模拟验证。模拟的光波传输效果，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，并且衍射波在介质膜层传输后，在感光层形成的图形周期是掩模光栅周期的一半，且光场覆盖整个感光层厚度。
实施例4
如图1所示：用S偏振光，入射波长为405nm，入射角度为0°；透明基底层1为玻璃基底；掩模层2为周期204nm的一维狭缝阵列Al掩模，厚度30nm；平坦化膜层3材料为PMMA，厚度30nm；介质膜层4为TiO2，厚度为44nm；感光层5的材料为光刻胶，折射率为2.8583-0.1170i，厚度80nm；底部介质膜层6为TiO2，厚度为50nm。
当S偏振的平面光波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1级次衍射波，则横向波矢量为kx＝1.974k0；同样，也只有空间波矢在通带范围的高频倏逝波才可以穿过介质膜层。所以只有正、负1级衍射波(m＝1)可以通过介质膜层，而其它衍射级次将被抑制。两束相干平面波传输到感光层，并相互干涉形成深亚波长的一维周期图形。根据p＝P/(2m)可以得出干涉图形的周期为102nm。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种基于介质波导的超分辨光刻器件，其特征在于：由上至下依次布设透明基底层(1)、掩模层(2)、平坦化膜层(3)、透射介质膜层(4)、感光层(5)、反射介质膜层(6)、衬底层(7)；所述透射介质膜层(4)、感光层(5)、反射介质膜层(6)构成介质波导结构膜层，形成谐振腔；所述介质波导结构膜层用于滤除掩模层激发的杂散级次衍射波，增强高频倏逝波，并将其传输到感光层，形成超分辨光刻图形。
2.如权利要求1所述的基于介质波导的超分辨光刻器件，其特征在于：所述透射介质膜层(4)与感光层(5)真空吸附。
3.如权利要求1所述的基于介质波导的超分辨光刻器件，其特征在于：所述掩模层(2)为纳米狭缝或孔洞阵列构成的光栅图形掩模层。
4.如权利要求1所述的基于介质波导的超分辨光刻器件，其特征在于：所述纳米光栅的狭缝或者孔洞阵列结构中的图形排布周期为40nm～400nm，占空比为0.1～0.9。
5.如权利要求1所述的基于介质波导的超分辨光刻器件，其特征在于：所述反射介质膜层(6)与透射介质膜层(4)采用相同材料的介质层。
6.如权利要求1所述的基于介质波导的超分辨光刻器件，其特征在于：所述反射介质膜层(6)材料与透射介质膜层(4)采用二氧化钛层。
7.如权利要求1所述的基于介质波导的超分辨光刻器件，其特征在于：所述透射介质膜层4的膜层厚度为10nm～100nm。
8.基于介质波导的超分辨光刻器件的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
(a)清洗基片作为透明基底层；
(b)传统光刻法制备掩模层；
(c)掩模层平坦化；
(d)制备透射介质膜层；
(e)清洗另一张基片作为衬底层；
(f)在衬底层上制备反射介质膜层；
(g)在反射介质膜层上制备感光层；
(h)将底部膜层和掩模层紧密接触，将S偏振照明光从掩模层一侧垂直入射曝光；
(i)通过显影液显影，最终得到超分辨光刻图形。
9.如权利要求8所述的基于介质波导的超分辨光刻器件的制作方法，其特征在于：所述反射介质膜层材料与透射介质膜层采用金属氧化物层。
10.如权利要求8所述的基于介质波导的超分辨光刻器件的制作方法，其特征在于：所述反射介质膜层材料与透射介质膜层采用二氧化钛层。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311201232.9A CN117192915A (zh) | 2023-09-18 | 2023-09-18 | 一种基于介质波导的超分辨光刻器件及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311201232.9A CN117192915A (zh) | 2023-09-18 | 2023-09-18 | 一种基于介质波导的超分辨光刻器件及方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117192915A true CN117192915A (zh) | 2023-12-08 |
Family
ID=89001370
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311201232.9A Pending CN117192915A (zh) | 2023-09-18 | 2023-09-18 | 一种基于介质波导的超分辨光刻器件及方法 |
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| Country | Link |
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| CN (1) | CN117192915A (zh) |
-
2023
- 2023-09-18 CN CN202311201232.9A patent/CN117192915A/zh active Pending
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