JP2020509409A - 少なくとも１つの脆弱な光エミッタを含むサンプルに適した光リソグラフィプロセス - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つのエミッタ（１）を含むサンプル（２）に対するリソグラフィプロセスに関し、上記プロセスは、サンプル（２）の上方に少なくとも１つのレジスト層（３、４）を置くステップと、１つの選択エミッタ（１）を光（１３）で少なくとも１つのレジスト層（３、４）を通じて励起するステップと、励起された選択エミッタ（１）によって放出される光（１４）を検出し、選択エミッタ（１）の位置を決定するステップと、選択エミッタ（１）の位置の上方の少なくとも１つのレジスト層（３、４）の一部を光ビーム（１５）によって硬化させるステップであって、光ビーム（１５）は、断面を有する成形光ビーム（１５）であり、該断面は中央部分、中央部分を囲む中間部分、および中間部分を囲む境界部分を有し、少なくとも１つのレジスト層（３、４）に対する成形光ビーム（１５）の強度は、中間部分において最大値に達する、硬化させるステップとを含む。

Description

本発明はリソグラフィプロセスに関する。

量子ドット、ナノダイヤモンド窒素空孔中心、および蛍光分子のような個別の（または集合体の）蛍光ナノエミッタがナノメートル精度で中に配置されているフォトニックおよびプラズモンナノ構造は、単一光子放出およびプラズモニクスのような多くの分野に応用され、これらの構造は、単一エミッタレベルで光−物質相互作用を調査するためのツールとしての役割を果たす。そのような構造の作製は、構造の内側にナノエミッタを配置することに対するナノメートルの横方向および垂直方向の制御を必要とする。この目的のために、リソグラフィは、ナノエミッタを破壊することなく、ナノエミッタの周囲で実行されなければならない。個別のエミッタはエミッタの集合体ほどロバストでなく、明るくないため、個別のナノエミッタを扱う場合、この作業は非常に困難になる。

コロイドＣｄＳｅ／ＣｄＳ量子ドットのような敏感な個別のエミッタにリソグラフィを行うことは非常に困難である。なぜなら、リソグラフィはエミッタの真上で行われなければならないが、リソグラフィを行うのに必要なレーザ強度は、関連するエミッタを光退色させ、したがって破壊し、したがってプロセスを失敗させるためである。

本発明の目的は、先行技術と比較してエミッタの光退色または破壊の危険性が制限された脆弱なエミッタ（特に個別のエミッタまたは単一のエミッタ）に対して実施することができるリソグラフィプロセスを提案することである。

本発明の一態様は、少なくとも１つのエミッタを含むサンプルに対するリソグラフィプロセスに関し、上記プロセスは、
サンプルの上方に少なくとも１つのレジスト層を置くステップと、
１つの選択エミッタを光で（少なくとも１つのレジスト層を通じて）励起するステップと、
励起された選択エミッタによって放出される光を検出し、選択エミッタの位置を決定するステップと、
選択エミッタの位置の上方に光ビームを置くことによって、少なくとも１つのレジスト層の一部を光ビームによって硬化させるステップであって、光ビームは、断面を有する成形光ビームであり、この断面は中央部分、中央部分を囲む中間部分、および中間部分を囲む境界部分を有し、少なくとも１つのレジスト層に対する成形光ビームの強度は、中間部分において最大値に達する、硬化させるステップと
を含む。

硬化ステップの間、サンプルの上から見て、中間部分は選択エミッタを囲むことができ、および／または、成形光ビームは選択エミッタの位置を中心とすることができる。

中央部分は、
成形光ビームの強度の回転対称中心、および／または
成形光ビームの強度の鏡面対称の少なくとも２つの対称軸の交点であり得る。

選択エミッタを励起するための光は、成形光ビームと同じ光源から入来することができる。選択エミッタを励起するための光は成形光ビームとすることができるが、必ずしも同じ光パワーを有しなくてもよい。

選択エミッタを励起するための光は、選択エミッタの位置の上方に光ビームを置くことによって少なくとも１つのレジスト層の一部を硬化させるために使用される成形光ビームのパワーより低いパワーを有することができる。選択エミッタを励起するための光は、選択エミッタの位置の上方に光ビームを置くことによって少なくとも１つのレジスト層の一部を硬化させるために使用される成形光ビームのパワーより１０００倍低いパワーを有することができる。

成形光ビームは空間的に成形されたレーザモードであり得る。成形光ビームは、
ＴＥＭ_００もしくはＬＧ_００レーザモードとは異なり得、および／または
ラゲールガウスモードもしくはベッセルビームであり得、および／または
ドーナツラゲールガウスレーザモードであり得、および／または
ＬＧ_{ｌ＝１，ｐ＝０}もしくはＬＧ_{ｌ＝２，ｐ＝０}もしくはＬＧ_{ｌ＝１，ｐ＝１}もしくはＬＧ_{ｌ＝４，ｐ＝０}ラゲールガウスモードであり得る。

少なくとも１つのレジスト層に対する成形光ビームの強度は、中央部分において最小値に達し得る。

本発明によるプロセスは、硬化ステップの前に、選択エミッタによって放出される検出光に基づいて選択エミッタを選択するステップをさらに含むことができる。選択エミッタを選択するステップは、
選択エミッタによって放出される検出光の波長および／もしくは
偏光および／もしくは
強度および／もしくは
集束もしくは非集束放出特性、ならびに／または
選択エミッタの推定寿命に基づくことができる。

硬化ステップは、選択エミッタの位置の上方に周囲焼けを生じさせる可能性がある。本発明によるプロセスは、硬化ステップの後に、周囲焼けの内側に位置する少なくとも１つのレジスト層の一部を除去することを含むことができ、その後、周囲焼けは少なくとも１つのレジスト層の内側かつ選択エミッタの位置の上方に位置する穴になる。本発明によるプロセスは、選択エミッタの位置の上方に（好ましくはサンプルと接触して）穴の内部に金属層を堆積するステップを含むことができる。

少なくとも１つのレジスト層は２つの異なるレジストから成る２つの層を含むことができ、２つの層はサンプルと接触する第１の層と第１の層と接触する第２の層とを含む。

少なくとも１つのエミッタは、エミッタ層の内側のサンプル中に含まれ得る。少なくとも１つのエミッタは、エミッタ層を形成する同じ誘電体材料の２つの層の間のサンプル中に含まれ得る。エミッタ層の１つの第１の面は、少なくとも１つのレジスト層と接触することができ、かつ／または
エミッタ層の１つの第２の面は、金属層またはブラッグミラーと接触することができる。

各エミッタは、蛍光エミッタまたはフォトルミネセントエミッタであり得る。

各エミッタは、量子ドット、ナノダイヤモンド窒素空孔中心、蛍光分子、または（ＭｏＳ_２、ＷＳｅ_２のような）単層二次元材料中の欠陥であり得る。

本発明の他の利点および特徴は、決して限定的ではない実施形態の詳細な説明、および添付の図面を検討すると明らかになるであろう。
プラズモンパッチアンテナを製造する特定の事例において説明される、最良の実現形態である本発明によるプロセスの一実施形態の、異なるステップを示すサンプル２の側面図である。 図１のプロセスの走査および硬化ステップを実装するためのデバイス８の部分２１を示す図であって、この部分２１は、サンプル２の上方のレジスト層３、４を硬化させるために、反射位相限定空間光変調器２６を使用して成形光ビーム１５（ドーナツラゲールガウスレーザモード）を生成するように構成されている、部分２１の図である。 図２ａの構成で得られる成形光ビーム１５を示す図である。 図１のプロセスの走査ステップおよび硬化ステップを実装するためのデバイス８を示す図である。 図４（ａ）は、図１（ｃ）のステップに対応する、レジスト２層３、４へのＬＧ_{ｌ＝４，ｐ＝０}モードによるリング焼け２０の原子間力顕微鏡画像の図であり、対応する高さプロファイルが図４（ｃ）に示されている。図４（ｂ）は、図１（ｄ）のステップに対応する穴１０の原子間力顕微鏡画像の図であり、対応する高さプロファイルが、図４（ｄ）に示されている。 図５（ａ）は、図１（ｆ）のステップに対応するＬＧ_{ｌ＝２，ｐ＝０}リソグラフィを使用して作成されるアンテナの原子間力顕微鏡画像の図であり、対応する高さプロファイルが、図５（ｃ）に示されている。図５（ｂ）は、図５（ａ）の拡大図であり、対応する高さプロファイルが、図５（ｄ）に示されている。 本発明によるプロセスによって製造することができる他の構造である、プラズモンパッチアンテナの部分斜視図（左）および側面図（右）である。 本発明によるプロセスによって製造することができる他の構造である、他のプラズモンパッチアンテナの部分斜視図（左）および側面図（右）である。 本発明によるプロセスによって製造することができる他の構造である、金属誘電体アンテナの部分斜視図（左）および側面図（右）である。 本発明によるプロセスによって製造することができる他の構造である、タム構造の部分斜視図（左）および側面図（右）である。 図２ａの構成で得られる成形光ビーム１５の変形形態を示す図である。

これらの実施形態は決して限定的なものではなく、他の説明または例示される特徴から分離された、以下に説明または例示される特徴の選択のみを含む本発明の変形を、この特徴の選択が、技術的利点を与えるのに、または現行技術水準に対して本発明を区別するのに十分である場合に、（この選択がこれらの他の特徴を含むセンテンスから行われたとしても）考慮することができる。この選択は、少なくとも１つの特徴、好ましくは構造的詳細のない、またはその部分が技術的利点を与えるのに、もしくは現行技術水準に対して本発明を区別するのに十分である場合に、構造的詳細の一部のみを有する機能的特徴を含む。

ここで、本発明によるプロセスのこの実施形態および本発明によるプロセスの実施形態を実装するためのデバイスを、図１〜図５を参照して説明する。

本発明によるこのリソグラフィプロセス実施形態は、少なくとも１つのエミッタ１を含むサンプル２に対して実装される。

各エミッタ１は、個別のエミッタ１（すなわち、一度に単一の光子を放出することができるエミッタ）または（複数の個別のエミッタ１から成るアセンブリによって形成される）集合エミッタ１である。各エミッタ１は、好ましくは個別のエミッタ１である。

各エミッタは、ナノエミッタ、すなわち、直径１００ｎｍの球の内側に完全に入ることができる体積を有するエミッタである。

各エミッタ１は、光子を吸収した後に光を放出するものである。吸収された光子は、光、紫外線、赤外線、または一般的には電磁スペクトルの任意の部分からのものであり得る。

各エミッタ１は、蛍光エミッタまたはフォトルミネセントエミッタであり得る。

各エミッタ１は、典型的には、量子ドット、ナノダイヤモンド窒素空孔中心、蛍光分子、または（ＭｏＳ_２、ＷＳｅ_２のような）単層二次元材料中の欠陥である。

図４および図５の実施形態の特定の事例において、各エミッタ１はＣｄＳｅ／ＣｄＳ量子ドット、より正確にはＣｄＳｅ／ＣｄＳコア／シェルコロイド量子ドットである。

少なくとも１つのエミッタ１は、エミッタ層７ａ、７ｂの内側のサンプル２中に含まれる。

図１（ａ）に示すように、少なくとも１つのエミッタ１は、２つの層７ａ、７ｂの間、好ましくは、エミッタ層を形成する同じ誘電体材料、典型的にはＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）の２つの層７ａ、７ｂの間のサンプル中に含まれる。

サンプル２は、基板５（典型的にはシリコンウェハ）とエミッタ層７ａ、７ｂとの間に含まれる中間層６を含む。中間層６は金属層６である。図４および図５の実施形態の特定の事例において、プラズモニック金属として金（Ａｕ）が選択された。

サンプル２は以下のように調製される。
ウェハ５（例えば、シリコンウェハ）上に、プラズモニック金属（例えば、金または銀）の光学的に厚い層６（約２００ｎｍ）がプラズマ蒸着によって堆積される。
次いで、誘電体材料層７ａがその上に（例えばスピンコーティングによって）堆積される。層７ａの典型的な厚さは０ｎｍと２００ｎｍとの間に含まれる。
次に、誘電体層７ａの上に、個別のまたは複数の蛍光エミッタ１（例えば、量子ドット、ナノダイヤモンド窒素空孔中心など）がスピンコートされる。
次いで、他の誘電体材料層７ｂが堆積される。層７ｂの典型的な厚さは０ｎｍと２００ｎｍとの間に含まれる。最後に、誘電体材料層７ａ、７ｂに個別のエミッタ１または複数の蛍光エミッタ１を埋め込む。

図１（ａ）に示すように、本発明によるプロセス実施形態は、サンプル２の上方に少なくとも１つのレジスト層３、４を置くステップを含む。

少なくとも１つのレジスト層３、４は２つの異なるレジストから成る２つの層を含み、２つの層はサンプル２と接触する第１の層３（ＬＯＲ）と、第１の層３の上方にある（好ましくは第１の層３と接触する）第２の層４（ＰＭＭＡ）とを含む。

より正確には、誘電体層７ａ、７ｂの上方に、ＬＯＲ（登録商標）５Ａレジストから成る層３（厚さ約５００ｎｍ）がスピンコートおよびベーキングされる。ＬＯＲ（登録商標）５Ａは、ＭｉｃｒｏＣｈｅｍ Ｃｏｒｐ．によって製造されている市販のリソグラフィリフトオフレジストである。

ＬＯＲ（登録商標）５Ａ層３の上方に、厚さ５０ｎｍのＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）から成る層４がスピンコートおよびベーキングされる。

エミッタ層７ａ、７ｂの１つの第１の面が、少なくとも１つのレジスト層３、４と接触している。

エミッタ層７ａ、７ｂの１つの第２の面が金属層６と接触している。

図３は、本発明によるプロセス実施形態のいくつかのステップを実装するためのデバイスまたは光学設定８を示す。

円対称のビームプロファイル（または円柱対称のキャビティを有するレーザ）は、ラゲールガウスモード分解ＬＧ_ｌ，ｐを使用して最良に解決されることが多い。これらの関数は、ラゲール多項式を使用して円柱座標で書かれる。各横モードＬＧ_ｌ，ｐは、ここでも２つの整数、この場合は半径方向指数ｐ≧０、および正または負またはゼロであり得る方位角指数ｌを使用してラベル付けされる。

図２ａは、入射レーザビーム３０の位相を変調し、ＬＧおよびベッセルビームなどの他のモードを生成するために使用される光学設定８の部分２１を示す。４７３ｎｍ連続波ダイオードレーザ１９の入射レーザビーム３０は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）キューブ２２を通じて送られ、このキューブはレーザのｓ偏光部分のみを選択する。ダイオードレーザは一般的に偏光されており、それをＰＢＳ２２に通過させることによって、透過レーザ光の偏光純度が高められる。ビーム３０は、ダイヤフラム２３によって空間的にフィルタリングされ、半波長板２４（またはリターダ）を透過する。この半波長板２４および後続するＰＢＳ２５により、空間光変調器（ＳＬＭ）スクリーン２６に入射するレーザビームのパワーを制御することが可能になる。別のダイヤフラム２７を通過した後、ビーム３０は、ビーム拡大器として作用する２つのレンズ２８、２９から成るアセンブリを通過する。それぞれ焦点距離ｆ１およびｆ２のレンズ２８、２９を使用して、ｆ２／ｆ１のビーム拡大が達成される（５倍ビーム拡大器が使用される）。ビーム拡大の目的は、ＳＬＭ２６のスクリーン全体をカバーすることである。それによって位相マスク２６と入射レーザビーム３０の中心の位置整合が容易になり（これはより良好な変調をもたらす）、ＳＬＭスクリーン２６上の入射レーザビーム強度が減少する（したがって液晶への損傷を防ぐ）。拡大レーザビーム３０はＰＢＳ２５を通過し、ＰＢＳ２５を通してｓ偏光のみが透過される。透過光ビーム３０は、コンピュータに接続されている位相限定反射型ＳＬＭスクリーン２６に入射し、その上にＬＧ_ｌ，ｐ明示位相マスク（含まれているバイナリブレーズド格子を有する）が表示される。ＳＬＭスクリーンの光軸の方向は、入射ビームの偏光とほぼ平行である。結果として得られるものは、位相変調された回折光（数次の回折を含む）およびゼロ次または非回折光から成る。ブレーズド格子は、回折ＬＧモードの一次からゼロ次スポットを分離し、ダイヤフラム４３は、一次回折のみを空間的にフィルタリングする。選択された一次回折次数１３、１５は、必要に応じて伝播され位置整合され得る。例えば、ＬＧ_{ｌ＝１，ｐ＝０}、ＬＧ_{ｌ＝２，ｐ＝０}、およびＬＧ_{ｌ＝４，ｐ＝０}がリソグラフィを実行するために使用されている。

サンプル２は、顕微鏡３５の対物レンズ３４の前にあるモータ駆動（圧電）ステージ３３上に置かれる。

次いで、図１（ｂ）に示すように、本発明によるプロセス実施形態は、１つの選択エミッタ１を含む複数のエミッタ１を、少なくとも１つのレジスト層３、４を通じて光１３によって次々に励起することを含む励起ステップを含む。この励起光１３は、前述の選択された一次回折次数である。

光１３は励起ビーム１３とも呼ばれる。

光１３は空間的に成形されたレーザモードである。

光１３は、非基本ラゲールガウスモードまたはベッセルビーム（ＬＧ_{ｌ＝０，ｐ＝０}レーザモードまたは基本横モードＴＥＭ_００とは異なる）であり、典型的には、ＬＧ_{ｌ＝１，ｐ＝０}またはＬＧ_{ｌ＝２，ｐ＝０}またはＬＧ_{ｌ＝１，ｐ＝１}またはＬＧ_{ｌ＝４，ｐ＝０}ラゲールガウスモードのようなドーナツラゲールガウスレーザモードである。

図１（ｂ）に示すように、本発明によるプロセス実施形態はまた、選択エミッタ１を含む各励起エミッタ１から放出された光１４を次々に検出することと、選択エミッタ１を含む各励起エミッタ１の位置を決定することとを含む検出ステップをも含む。

検出光１４は蛍光である。

検出光１４は、Ｈａｎｂｕｒｙ Ｂｒｏｗｎ ａｎｄ Ｔｗｉｓｓ構成３６によって収集、検出、および分析される。

次いで、本発明によるプロセス実施形態は、（後続する硬化ステップの前に）すべての励起エミッタ１の中から選択エミッタ１を選択するステップを含み、この選択は選択エミッタ１によって放出される検出光１４に基づく。

選択エミッタ１を選択するステップは、
選択エミッタ１によって放出される検出光１４の波長および／もしくは
偏光および／もしくは
強度および／もしくは
集束もしくは非集束放出特性、ならびに／または
選択エミッタ１の推定寿命に基づく。この寿命推定は時間分解蛍光測定に基づくことができる。

励起ステップおよび検出ステップは、走査ステップの一部である。サンプル２が共焦点顕微鏡によって走査され、選択エミッタ１が前述のように選択される。選択エミッタ１は、前述のドーナツラゲールガウスモード（１７０ｎＷおよび４７３ｎｍ連続波レーザ）を用いて走査される。図３は、ＬＧ_ｌ，ｐレーザモードを使用して作成された選択エミッタ１の光学設定８および共焦点走査画像３１を示す。この画像３１において、ドーナツ形状は、主にＳＬＭスクリーンの大きい反射角に起因して完全に円形ではなく、このとき、ＬＧモードを顕微鏡に導くために使用されるミラーは、入射光に対して正確に４５°ではない。

この走査（励起ステップおよび検出ステップを含む）の間に、光１３が結像され、選択エミッタ１上に集束される。

この走査（励起ステップおよび検出ステップを含む）の間に、サンプル２と光１３との間の相対位置は移動する（ステージ３３によって）。言い換えれば、光１３の形状は蛍光選択エミッタ１によって走査される。言い換えれば、走査画像３１の各画像化画素は、サンプル２と励起ビーム１３との間の特定の相対位置に対応する。選択エミッタ１の位置は、サンプル２と、ビーム１３、１５のドーナツ形状または閉ループ形状の中心にある（画像３１内の）ピクセルを画像化するために得られるビーム１３、１５との間の相対位置として決定される。

ＬＧ_ｌ，ｐレーザモードを用いた共焦点走査画像３１のこの構築の前に、通常、光子アンチバンチング測定を行い、次いで、選択エミッタ１が単一光子エミッタ１であるか否かを確認するために、顕微鏡３５に入る前に約５０ｎＷで動作する４０５ｎｍレーザ３２の基本モードを用いて別の走査が行われる。

次いで、図１（ｂ）に示すように、本発明によるプロセス実施形態は、選択エミッタ１の位置の上方に光ビーム１５を置くことによって、少なくとも１つのレジスト層３、４の一部を光ビーム１５によって硬化することを含む。

ビーム１５は硬化ビーム１５とも呼ばれる。

この光ビーム１５は、前述の選択された一次回折次数である。

光ビーム１５は、空間光変調器２６によって成形される。

図２ｂに示すように、光ビーム１５は成形光ビーム１５であり、エミッタ１上で画像化（および集束）される、この光ビーム１５の断面（対物レンズ３４の光軸に垂直な、またはこのビーム１５が少なくとも１つの層３、４および／もしくは選択エミッタ１へと伝播する平均的な方向に垂直な平面内の）は、
この場合は
単一点
この断面における光ビーム１５の強度の回転対称中心
この断面における光ビーム１５の強度の鏡面対称の少なくとも２つの（好ましくは少なくとも４つの）対称軸３８、３９、４０、４１の交点
である、中央部分１６、
中央部分１６を囲む中間部分１７であって、この中間部分１７は閉曲線、好ましくは円であり、この中間部分１７は、少なくとも１つのレジスト層３、４の側からのサンプル２の正面ビューから（対物レンズ３４の光軸に平行な、またはこのビーム１５が少なくとも１つの層３、４および／もしくは選択エミッタ１へと伝播する平均的な方向に平行な視野で）選択エミッタ１を囲む、中間部分１７、および
中間部分１７を囲む境界部分１８を有する。

少なくとも１つのレジスト層３、４に対する硬化成形光ビーム１５の強度は、中間部分１７で（中央部分１６および境界部分１８と比較して）最大値に達し、さらに中間部分１７の全体にわたって（中央部分１６および境界部分１８と比較して）最大でもある。

硬化ステップの間、少なくとも１つのレジスト層３、４の側からのサンプル２の上から見て、中間部分１７は選択エミッタ１を囲んでいる。硬化成形光ビーム１５は、選択エミッタ１の位置を中心とするか、または実質的に中心とする（すなわち、中央部分１６は選択エミッタ１の真上にある）。

硬化成形光ビーム１５は空間的に成形されたレーザモードである。

硬化成形光ビーム１５は、非基本ラゲールガウスモードまたはベッセルビーム（ＴＥＭ_００またはＬＧ_{ｌ＝０，ｐ＝０}レーザモードとは異なる）であり、典型的には、ＬＧ_{ｌ＝１，ｐ＝０}またはＬＧ_{ｌ＝２，ｐ＝０}またはＬＧ_{ｌ＝１，ｐ＝１}またはＬＧ_{ｌ＝４，ｐ＝０}ラゲールガウスモードのようなドーナツラゲールガウスレーザモードである。

少なくとも１つのレジスト層３、４に対する硬化成形光ビーム１５の強度は、中央部分１６で（中間部分１７および境界部分１８と比較して）最小値に達し、この最小強度は、中間部分１７の最大強度の値の１００分の１の値を有する。この最小値は、ゼロ強度または実質的にゼロ強度であることが好ましい。

選択エミッタ１を励起するための光１３は、硬化成形光ビーム１５と同じ光源１９から入来する。

好ましくは、励起ビーム１３と硬化光ビーム１５とは同じ光パワーを有しない点を除いて、選択エミッタ１を励起するための励起ビーム１３は、硬化成形光ビーム１５と同じビームである（すなわち、ビーム１３および１５は、同じレーザモード（複数可）、同じ形状、同じサイズ（複数可）を有する）。

選択エミッタ１を励起するための光１３は、選択エミッタ１の位置の上方に光ビーム１５を置くことによって少なくとも１つのレジスト層３、４の一部を硬化させるために使用される成形光ビーム１５のパワーより低いパワーを有することができる。選択エミッタ１を励起するための光１３は、選択エミッタ１の位置の上方に光ビーム１５を置くことによって少なくとも１つのレジスト層３、４の一部を硬化させるために使用される成形光ビーム１５のパワーより少なくとも１０００倍（好ましくは少なくとも１００００倍）低いパワーを有することができる。したがって、選択エミッタ１は低出力レーザ１３を用いて配置され、その上のレジスト３、４は高出力レーザ１５を用いて焼きつけられる。

選択エミッタ１が集束ドーナツラゲールガウスレーザモードの中心に位置決めされた後、４７３ｎｍレーザは顕微鏡３５に入るのを阻止される。ドーナツラゲールガウスモードの一次のパワーを７ｍＷに設定した後、それは９０秒の持続時間にわたって顕微鏡３５に入れられる。このとき、選択エミッタ１の上方のレジスト２層３、４が焼きつけられる。

ドーナツレーザモードのような空間的に成形されたレーザモードを生成および利用することにより、本発明はエミッタの退色の問題を回避し、エミッタ１に一切害を与えることなく単一または集合体の蛍光エミッタ１を中心に光リソグラフィを実行する。これは、ドーナツレーザモードの中心における光強度が理想的にはゼロであり、本発明によるリソグラフィプロセス実施形態の間、エミッタ１がドーナツレーザモードの中心に置かれるためである。光リソグラフィは、エミッタ１の上方のレジスト３、４に対して行われる。ナノ構造内部のエミッタ１の位置決めの横方向の精度は画像化光学系によって決定され（＜５０ｎｍは容易に可能）、垂直方向の精度は堆積方法に依存する（スピンコーティングまたは物理気相成長技法が使用される場合は＜３ｎｍを達成することができる）。

非常に特殊な機器および特別な条件（例えばサンプル２を真空中に配置しなければならない）を必要とする電子ビームリソグラフィと比較して、本発明による光リソグラフィプロセスは、広く利用可能な光学顕微鏡、レーザ、および空間光変調器を用いて光学テーブル上で実行することができる。

図１（ｃ）に示すように、硬化ステップは、選択エミッタ１の位置の上方に周囲焼け２０を生じさせる。周囲焼け２０は、少なくとも１つのレジスト層３、４の側からのサンプル２の正面ビューから、選択エミッタ１を囲む。

周囲焼けは、選択エミッタを囲むリング、円、楕円、または任意の閉曲線の形状を有し得る。

図４（ａ）は、図１（ｃ）のステップに対応する、レジスト２層３、４へのＬＧ_{ｌ＝４，ｐ＝０}モードによるリング焼け２０の原子間力顕微鏡画像であり、対応する高さプロファイルが図４（ｃ）に示されている。

図１（ｄ）に示すように、本発明によるプロセス実施形態は、硬化ステップの後に、周囲焼け２０の内側に位置する少なくとも１つのレジスト層３、４の一部を除去することを含み、その後、周囲焼け２０は少なくとも１つのレジスト層３、４の内側かつ選択エミッタ１の位置の上方に位置する穴１０になる。サンプル２が、Ｍｉｃｏｒｐｏｓｉｔ（登録商標）ＭＦ（登録商標）−３１９溶剤（これは、Ｓｈｉｐｌｅｙ Ｃｏ．製の市販の現像剤である）の溶液槽に３〜５秒間浸漬される。ＭＦ−３１９溶剤は、ＰＭＭＡを攻撃することなく、ＬＯＲを現像する。その溶剤はＬＯＲ（登録商標）５Ａを現像し、その上方のＰＭＭＡ層４内にアンダーカット１２を生成する。

図４（ｂ）は、図１（ｄ）のステップに対応する穴１０の原子間力顕微鏡画像であり、対応する高さプロファイルが図４（ｄ）に示されている。

次いで、図１（ｅ）に示すように、本発明によるプロセス実施形態は、好ましくはサンプル２と接触して、かつ、選択エミッタ１の位置の上方で、穴１０の内部に金属層１１（または「パッチ」１１）を堆積するステップを含む。パッチ１１および膜１１１のプラズモニック金属（金）は物理気相成長法によって堆積される。パッチ１１の典型的な厚さは５ｎｍと５０ｎｍとの間に含まれる。

次いで、図１（ｆ）に示すように、サンプル２は、ＭＦ（登録商標）３１９の溶液槽に逆さに浸漬されて、約５０秒間振とうされてリフトオフが実施される。この手順により、プラズモニック金属パッチ１１の近傍からＬＯＲ（登録商標）５Ａ層３、ＰＭＭＡ層４およびプラズモニック金属膜１１１が除去され、したがって、プラズモニック金属パッチアンテナが得られる。したがって、図１（ｆ）によって示すように、レジスト層３（ＬＯＲ）はＭＦ−３１９によって部分的に除去される。これは、層４（ＰＭＭＡ）の対応する部分およびその上方のプラズモニック金属膜１１１も除去されることに起因する。プラズモニック単一エミッタナノアンテナの準備が整う。

図５（ａ）は、図１（ｆ）のステップに対応するＬＧ_{ｌ＝２，ｐ＝０}リソグラフィを使用して作成されるアンテナの原子間力顕微鏡画像であり、対応する高さプロファイルが図５（ｃ）に示されている。

図５（ｂ）は図５（ａ）の拡大図であり、対応する高さプロファイルが図５（ｄ）に示されている。

本発明は、ランダムに分布したエミッタ１から任意のエミッタ１（脆弱またはロバスト、単一または集合体）を選択し、それらの上方でリソグラフィを実行することを可能にする。図１（ａ）〜図１（ｆ）では、エミッタ１は位置整合しているように見えるが、これらのエミッタはランダムに配向することもできる。

本発明は室温で機能する。

本発明は低温でも機能する。

無論、本発明は、ちょうど説明された例には限定されず、本発明の範囲を超えることなくこれらの例に多数の補正を行うことができる。

本発明は図１（ｆ）のアンテナの作製に限定されない。

本発明は、量子ドット、ナノダイヤモンド窒素空孔中心などのような単一または複数の蛍光エミッタ１を使用する様々なフォトニック構造を作製するために使用することができる。そのようなフォトニック構造の例は、単一エミッタプラズモニックパッチアンテナ、金属誘電体アンテナ、タム構造などである。この技法の精度は、主に、より良質のラゲールガウスモードの生成（ＳＬＭ２６のより良好な較正による）およびより最適化された光学系の使用（より高い開口数の顕微鏡対物レンズ３４およびより良好なサンプル移動ステージ３３）によって改善され得る。

以下の分野／デバイスが、本発明から利益を得るであろう。
１）デバイス内部のエミッタの制御された最適な位置決めを必要とする任意の単一エミッタデバイス。
２）量子情報のための有望な単一光子源およびもつれ光子源を含む単一エミッタ発光デバイス。
３）単一光子検出器、および光子状態の検出器。
４）キャビティに最適に結合されたエミッタのセットを有するマイクロレーザ。
５）高感度および低ルミネセンスのエミッタ（例えば、コロイド量子ドット、ナノダイヤモンド窒素空孔中心、蛍光分子、ＭｏＳ_２、ＷＳｅ_２のような単層二次元材料中の欠陥など）の正確なナノメートル位置決めを必要とする様々なナノ構造デバイス。

組み合わせることができる種々の変形形態において、
図６に示すように、本発明によるプロセスは同じサンプル２上に複数のアンテナを作製することができ、および／または
図７に示すように、（ＭＦ（登録商標）３１９の溶液槽内でＬＯＲ（登録商標）５Ａ層３を除去する前に）図１（ｃ）のステップと図１（ｄ）のステップとの間に、層１１をリング２０内に配置することができ、これによって、選択エミッタ１を（上面ビューから）囲む金属リングを生成することが可能になり、および／または
図８に示すように、本発明によるプロセスは、少なくとも１つの金属誘電体アンテナを得るために、各アンテナの金属層１１、好ましくは封入層１１の上方にかつ接触して誘電体層３７を堆積するステップを含むことができ、各パッチ１１上に誘電体キャップ３７を配置するために、リソグラフィは、最初にパッチ１１を配置するために、次にパッチ１１上に誘電体キャップ３７を配置するために、２回実行され、および／または
図９に示されるように、サンプル２の層６は、必ずしも金属である必要はなく、存在しなくてもよく、または例えば少なくとも１つのタム構造を得るためにブラッグミラー９によって置き換えられてもよく、および／または
エミッタ１の走査（観測）に使用される光１３およびレジスト３、４の硬化に使用される光１５が同じ光源１９から入来することは必須ではない。２つの位置整合されたレーザビームを使用することが可能であり、例えば、まず、エミッタ１を走査するためにある波長（エミッタはこの波長を吸収するので、エミッタ１を励起する）での通常のＬＧ００またはＴＥＭ００レーザモード１３を使用し、次に、エミッタ１（レーザの放出波長はレジスト３、４の吸収によって決定される）の上方に光ビーム１５を置くことによってレジスト３、４を硬化させるために、別のレーザビーム１５（好ましくはＬＧ_{ｌ＝１，ｐ＝０}またはＬＧ_{ｌ＝２，ｐ＝０}またはＬＧ_{ｌ＝１，ｐ＝１}またはＬＧ_{ｌ＝４，ｐ＝０}のようなドーナツ非基本ラゲールガウスなど、特別な形状を有する）が使用され、この場合、ビーム１３とビーム１５との間の相対レーザ強度設定に関する制限は不要であり、エミッタ１は１０６４ｎｍにおいて吸収するが、レジスト３、４はこの波長を吸収しないと仮定すると（ちなみに、レジスト３、４は３００ｎｍ以下で吸収する）、このとき、エミッタ１を励起するために１０６４ｎｍのレーザ１３が使用され、このレーザ１３のパワーは、３００ｎｍのレーザ１５のパワーより高くなり得る。これは、１０６４ｎｍにおいて、エミッタ１は励起されるがレジスト３、４は硬化されないためである。一方、３００ｎｍでのより低いパワーでは、レジスト３、４は硬化され、および／または
作製された構造において、レジスト３、４、基板５、金属膜６、誘電体層７ａ、７ｂ、およびパッチ１１の厚さは、必要に応じて修正することができる。同じことが材料および形状にも当てはまり、ならびに／または
エミッタ１の上方のパッチ１１は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔなどのような任意のプラズモニック金属、もしくは他の何らかの新規の材料であり得、ならびに／または
特に選択エミッタ１を中心としないパッチ１１を有する構造を作製するために、硬化ビーム１５は選択エミッタ１を中心とする必要はなく、ならびに／または
層１１は、非金属および／もしくは半導体および／もしくは誘電体層１１であり得、ならびに／または
光１３によって励起された選択エミッタ１は、近接している２つ以上のエミッタを同時に励起することができ、ならびに／または
層５または６の真上に配置されるエミッタ１の場合、層７ａもしくは層７ｂもしくは両方の層７ａ、７ｂがともに存在しなくてもよく、ならびに／または
可能なエミッタ１のセットは、量子ドット、ナノダイヤモンド窒素空孔中心、または蛍光分子以外のはるかに多くの可能性を含み、ならびに／または
選択エミッタ１の位置の上方の下側レジスト層３の残りの厚さをすべて除去する必要はない。例えば、選択エミッタ１の上方の金属パッチ１１の垂直距離を増加させるために、エミッタ１の上方に層３の一部を残すことができ、および／または
層５および／または６なしで、（例えばＳｉＯ２の）層７ａと（例えばＰＭＭＡの）層７ｂとの間にエミッタ１を挟むことが可能であり、および／または
ドーナツレーザモードの変形形態では、変調器２６による空間光変調を使用して、他のいくつかの特殊なレーザモード（例えば、正方形、格子、複数のリングなど）を生成することができる。次に、これらのモードを顕微鏡対物レンズ３４を通して集束させて光リソグラフィを行い、特殊なナノ構造を作製することができる。光１３および／またはビーム１５の形状はより複雑になり得る。図１０は、成形ビーム１３、１５の変形形態を示す。この変形形態では、図２ｂのビーム１３、１５との違いについてのみ説明する。
回転対称性がなく、中央部分１６はビーム１３、１５の強度の回転対称中心ではない、
少なくとも１つのレジスト層３、４上の成形光ビーム１３、１５の強度は、（中央部分１６および境界部分１８と比較して）すべての中間部分１７にわたって最大ではなく、中間部分１７の４つの点４２においてのみ、（中央部分１６および境界部分１８と比較して）最大値に達する。

当然ながら、本発明の種々の特徴、形態、変形、および実施形態は、それらが不適合ではない、または相互に排他的ではないという範囲で、様々な組み合わせで互いに組み合わせることができる。特に、上記のすべての変形形態および実施形態は互いに組み合わせることができる。

Claims (19)

1. 少なくとも１つのエミッタ（１）を含むサンプル（２）に対するリソグラフィプロセスであって、
   前記サンプル（２）の上方に少なくとも１つのレジスト層（３、４）を置くステップと、
   １つの選択エミッタ（１）を光（１３）で前記少なくとも１つのレジスト層（３、４）を通じて励起するステップと、
   前記励起された選択エミッタ（１）によって放出される光（１４）を検出し、前記選択エミッタ（１）の位置を決定するステップと、
   前記選択エミッタ（１）の位置の上方に光ビーム（１５）を置くことによって、前記少なくとも１つのレジスト層（３、４）の一部を前記光ビーム（１５）によって硬化させるステップであって、前記光ビーム（１５）は、断面を有する成形光ビーム（１５）であり、該断面は中央部分（１６）、前記中央部分（１６）を囲む中間部分（１７）、および前記中間部分（１７）を囲む境界部分（１８）を有し、前記少なくとも１つのレジスト層（３、４）に対する前記成形光ビーム（１５）の強度は、前記中間部分（１７）において最大値に達する、硬化させるステップと
   を含む、リソグラフィプロセス。
2. 前記硬化ステップの間、前記サンプルの上から見て、前記中間部分は前記選択エミッタを囲んでおり、および／または、前記成形光ビーム（１５）は前記選択エミッタ（１）の位置を中心とすることを特徴とする、請求項１に記載のプロセス。
3. 前記中央部分（１６）は、
   前記成形光ビーム（１５）の強度の回転対称中心、および／または
   前記成形光ビーム（１５）の強度の鏡面対称の少なくとも２つの対称軸（３８、３９、４０、４１）の交点
   であることを特徴とする、請求項１または２に記載のプロセス。
4. 前記選択エミッタ（１）を励起するための前記光（１３）が、前記成形光ビーム（１５）と同じ光源（１９）から入来することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のプロセス。
5. 前記選択エミッタ（１）を励起するための前記光（１３）が前記成形光ビーム（１５）であるが、必ずしも同じ光出力を有するとは限らないことを特徴とする、請求項４に記載のプロセス。
6. 前記選択エミッタ（１）を励起するための前記光（１３）は、前記選択エミッタの位置の上方に前記光ビーム（１５）を置くことによって前記少なくとも１つのレジスト層（３、４）の一部を硬化させるために使用される前記成形光ビーム（１５）のパワーより低いパワーを有することを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のプロセス。
7. 前記選択エミッタ（１）を励起するための前記光（１３）は、前記選択エミッタの位置の上方に前記光ビーム（１５）を置くことによって前記少なくとも１つのレジスト層（３、４）の一部を硬化させるために使用される前記成形光ビーム（１５）のパワーより少なくとも１０００倍低いパワーを有することを特徴とする、請求項６に記載のプロセス。
8. 前記成形光ビーム（１５）が空間的に成形されたレーザモードであることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のプロセス。
9. 前記成形光ビーム（１５）は、
   ＴＥＭ_００もしくはＬＧ_００レーザモードとは異なり、および／または
   ラゲールガウスモードもしくはベッセルビームであり、および／または
   ドーナツラゲールガウスレーザモードであり、および／または
   ＬＧ_{ｌ＝１，ｐ＝０}もしくはＬＧ_{ｌ＝２，ｐ＝０}もしくはＬＧ_{ｌ＝１，ｐ＝１}もしくはＬＧ_{ｌ＝４，ｐ＝０}ラゲールガウスモードであることを特徴とする、請求項８に記載のプロセス。
10. 前記少なくとも１つのレジスト層（３、４）に対する前記成形光ビーム（１５）の強度が、前記中央部分（１６）において最小値に達することを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のプロセス。
11. 前記プロセスが、前記硬化ステップの前に、前記選択エミッタ（１）によって放出される検出光（１４）に基づいて前記選択エミッタ（１）を選択するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載のプロセス。
12. 前記選択エミッタ（１）を選択する前記ステップは、
    前記選択エミッタ（１）によって放出される前記検出光（１４）の波長および／もしくは
    偏光および／もしくは
    強度および／もしくは
    集束もしくは非集束放出特性、ならびに／または
    前記選択エミッタ（１）の推定寿命に基づくことを特徴とする、請求項１１に記載のプロセス。
13. 前記硬化ステップは前記選択エミッタ（１）の位置の上方に周囲焼け（２０）を生成し、前記プロセスは、前記硬化ステップの後に、前記周囲焼け（２０）の内側に位置する前記少なくとも１つのレジスト層（３、４）の一部を除去することを含み、後に、前記周囲焼け（２０）は前記少なくとも１つのレジスト層（３、４）の内側かつ前記選択エミッタ（１）の位置の上方に位置する穴１０になることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載のプロセス。
14. 前記選択エミッタ（１）の位置の上方で、前記穴（１０）の内側に金属層（１１）を堆積するステップを含むことを特徴とする、請求項１３に記載のプロセス。
15. 前記少なくとも１つのレジスト層（３、４）は２つの異なるレジストから成る２つの層を含み、前記２つの層は前記サンプル（２）と接触する第１の層（３）と、前記第１の層（３）と接触する第２の層（４）とを含むことを特徴とする、請求項１から１４のいずれか一項に記載のプロセス。
16. 前記少なくとも１つのエミッタ（１）が、エミッタ層（７ａ、７ｂ）の内側の前記サンプル中に含まれることを特徴とする、請求項１から１５のいずれか一項に記載のプロセス。
17. 前記少なくとも１つのエミッタ（１）は、エミッタ層を形成する同じ誘電体材料の２つの層（７ａ、７ｂ）の間のサンプル中に含まれることを特徴とする、請求項１６に記載のプロセス。
18. 前記エミッタ層（７ａ、７ｂ）の１つの第１の面は、前記少なくとも１つのレジスト層（３、４）と接触し、かつ
    前記エミッタ層（７ａ、７ｂ）の１つの第２の面は、金属層（６）またはブラッグミラーと接触することを特徴とする、請求項１６または１７に記載のプロセス。
19. 各エミッタ（１）が、量子ドット、ナノダイヤモンド窒素空孔中心、または蛍光分子であることを特徴とする、請求項１から１８のいずれか一項に記載のプロセス。
    

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