专利名称：基于等离子波的纳米光刻光学装置的制作方法
技术领域：
本发明是一种基于等离子波的纳米光刻光学装置，属于微细加工技术制作纳米器件的紧接触光刻曝光技术领域。
背景技术：
由于制作纳米图形结构需要大幅度提高现有光刻设备的分辨率，因为衍射极限的限制，一般对于掩模图形孔尺寸远小于波长的纳米级孔和缝图形时，光不能穿过，无法进行光刻制作纳米图形。所以都采用缩短波长光刻制作的方法，主要有极紫外、X射线、离子束投影、以及电子束光刻等等。这些方法都需要极短波长光源电磁辐射系统及光学系统，不仅技术复杂，而且投资十分昂贵。近年来产生了用一般波长(248-365nm)激光，用一到多层金属掩模进行接触接近光学光刻，制作纳米结构图形的新方法，但由于要用激光作光源和用较复杂结构的多层金属掩模，光刻效率有限，成本与前者相比虽然大幅下降，但还是比较高，不利于广泛推广应用。
发明内容
本发明的技术解决问题克服上述现有技术的不足，提供一种基于等离子波的纳米光刻光学装置，该装置既不需要缩短波长和用复杂昂贵的极短波长光源电磁辐射系统，也不需要激光系统，用HG灯长波长光和单层或多层金属掩模就能进行纳米光刻，制作出纳米量级的任意图形。
本发明的技术解决方案是基于等离子波的纳米光刻光学装置，其特征在于均匀器、滤光片、HG灯光源、第一反射镜、第二反射、透镜组和椭球反射镜组成的照明系统，HG灯光源位于椭球反射镜第1焦点F1位置，其发出的各种波长的光分别经过椭球反射镜和第一反射镜反射，聚焦于第一反射镜的第2焦点F2，再通过滤光片滤光，只有波长为436±15nm的G线特征波长谱线光射入均匀器的入射端，再由均匀器出射的光通过第二反射镜反射和透组镜聚光，此时长波长光均匀照明在了位于照明系统的均匀照明位置上放置的单层或多层金属掩模，单层或多层金属掩模与安放在其下方的抗蚀剂涂层之间为无间隙紧接触，或被抽真空。
所述的单层或多层金属掩模是由石英或氮化硅基板、及三层金属掩模图形薄层和聚合物簿层组成，而且三层金属掩模图形簿层的金属材料可以是金或银、锌、铬多种金属的不同组合，金属图形薄层的厚度分别各为5-500nm不等，金属掩模第一薄层使长波长光能更高效激发产生表面等离子波，金属掩模第二薄层能更好传输和放大表面等离子波，金属掩模第三薄层能将第二薄层传输放大的表面等离子波局域成要光刻制作的纳米图形，聚合物薄层的厚度为1-10nm。
所述的单层或多层金属掩模是由石英或氮化硅基板、及单层或双层金属掩模图形薄层和聚合物簿层组成，而且单层或双层金属掩模图形簿层的金属材料可以是金或银、锌、铬多种金属的不同组合，金属图形薄层的厚度分别各为5-500nm不等，金属掩模第一薄层使长波长光能更高效激发产生表面等离子波，并传输给第二薄层，第二薄层能将第一薄层传输的表面等离子波局域成要光刻制作的纳米图形；单层薄层金属掩模时，掩模薄层不仅能使长波长光激发产生表面等离子波，而且把表面等离子波局域成要光刻制作的纳米图形；聚合物薄层的厚度也为1-10nm。
所述的金属材料是金或银、锌、铬金属掩模的图形薄层，是非密集的孔和线图形，在最上层金属薄层表面的无图形区上还制作有密集的凹凸槽，槽的深度为0.5-20nm，宽度为10-20nm，该薄层能使长波长光更好激发金属掩模产生表面等离子波。
所述的金属掩模薄层包含单层、双层和三层，同时包含非密集图形或密集图形情况，在其薄层的最下面加了TiO2薄膜的结构，TiO2膜的厚度为1-50nm，由于在最下层加了TiO2薄膜的结构，使次下层的金属掩模薄层局域等离子波的能力大为提高，能更好光刻纳米微细结构和图形。
本发明与现有技术相比具有以下优点1、使用该等离子波的纳米光刻光学装置时，不需要复杂昂贵的极短波长光源电磁辐射系统和激光系统，也不需要特征波长为248nm或308nm、365nm，或由其它光源发出的248nm-365nm之间波长谱线深紫外光，以及激光等，只需要HG灯光源发出的波长为436nm的长波长光，就可高效激发出等离子波进行纳米光刻，可大幅度降低制作纳米级高分辨率图形的技术难度和设备成本；2、使用该光学光刻装置的金属薄层掩模板，可以光刻制作密集的和非密集的纳米量级孔和线图形，用双层金属薄层掩模板时，光刻高分辨率超微细图形的效果好，用三层金属薄层掩模板时，光刻高分辨率超微细图形的效果最好；3、使用该光学光刻装置，光刻制作纳米量级图形的分辨率极限，由掩模图形的线宽尺寸决定，不受入射光波长限制，因此光刻分辨率可以作得很高，达到纳米量级；4、使用该光学光刻装置制作纳米量级图形，只需要金属掩模板，而且是单层或双层、三层金属薄层掩模板，可大幅度降低掩模版的制作成本；5、由于掩模与安放在其下方的高分辨率抗蚀剂涂层之间为无间隙紧接触，或被抽真空，抗蚀剂涂层与金属薄层之间的聚合物薄层厚度很薄，几乎不产生衍射效应，被刻图形陡度好。
图1为本发明实施例等离子波的纳米光刻光学装置的结构图；图2为本发明中单层金属掩模板实施例1的结构放大示意图；图3为本发明中双层金属掩模板实施例2的结构放大示意图；图4为本发明中三层金属掩模板实施例3的结构放大示意图；图5为本发明中金属掩模薄层图形(含单层、双层和三层)为非密集图形的无图形区上表面制作的密集分布凹凸槽实施例4的结构放大示意图；
图6为本发明中金属掩模薄层图形(含单层、双层和三层为非密集图形或密集图形)实施例5加TiO2膜的结构放大示意图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明由反射镜1和6、HG灯光源4、均匀器2、滤光片3、椭球反射镜5和透镜组7组成均匀照明系统，在照明系统的均匀照明位置放置金属掩模8和紧接触放置的涂有抗蚀剂涂层9的硅片10组成。由位于椭球反射镜5第1焦点F1位置的HG灯光源4，发出包括波长为308nm或365nm、436nm等谱线和各种波长的光，通过椭球反射镜5反射，以及反射镜6反射，聚焦于第2焦点F2，再通过滤光片3滤光，只有波长为436±15nm的G线特征波长谱线光充满射入均匀器2的入射端，由均匀器2出射的光通过反射镜1反射和透组镜7聚光，此时长波长光均匀照明了金属掩模8。这里均匀器2和透组镜7都起了均匀照明作用；透组镜7的焦距与口径需和均匀器2，以及需均匀照明的面积相匹配，均匀器2以选购5×5-11×11阵列为较好，有利于照明均匀；椭球反射镜5，为防止因灯的发热量大而砸毁，选购的口径不能太小。被均匀照明的金属掩模8由于436±15nm的长波长光激发了掩模金属表面的等离子体，使之产生了表面等离子波，表面等离子波通过金属掩模8的图形孔和线，从金属掩模8的下表面射出，使在金属掩模8下方紧接触放置的硅片10上涂的抗蚀剂涂层9感光，光刻出纳米量级高分辨率的超微细图形，金属掩模8的下表面与安放在下方的高分辨率抗蚀剂涂层9之间为无间隙紧接触，层间的空气或由真空系统排除。
如图2所示，金属掩模8由石英或氮化硅基板11、单层金属掩模图形薄层12和聚合物簿层13组成，其中石英或氮化硅基板11的厚度至少为1.5μm以上，金属掩模图形薄层12的厚度为5-500nm，金属掩模图形簿层12的金属材料是金或银、锌、铬，聚合物薄层13厚度很薄，为1-10nm，有一定弹性，能对金属掩模图形起保护作用，延长金属掩模使用寿命。HG灯光源4的G线光能通过图形尺度比波长小得多的纳米金属掩模8，使抗蚀剂涂层9感光，是因为带有超微细图形的金属掩模在436nm的G线光照射下，被激发产生了波长很短的等离子表面波，等离子表面波可穿过纳米金属掩模图形薄层12的掩模图形纳米孔和缝传播，并被局域，以很小发散角射出，就好像是深紫外光源4的光直接穿过金属掩模8的图形孔和缝射出一样，使紧贴接触放置的抗蚀剂涂层9感光，光刻出纳米量级的高分辨率超微细图形。
如图3所示，金属掩模8由石英或氮化硅基板11、双层金属掩模图形薄层12’和聚合物簿层13组成，其中sio2薄膜或石英光学玻璃基板11的厚度至少为1.5μm以上，金属掩模图形薄层12’的厚度分别为为5-500nm不等，两金属掩模图形簿层12’的图形基本相同，并对齐，金属掩模图形簿层12’的金属材料是金或银、锌、铬的不同组合，聚合物薄层13厚度很薄，为1-10nm，有一定弹性，能对金属掩模图形起保护作用，延长金属掩模使用寿命。HG灯光源4的G线光照射到金属掩模上，能通过图形尺度比波长小得多的纳米金属掩模8，使抗蚀剂涂层9感光，是因为带有超微细图形的金属掩模在436nm的G线光照射下，使第一层金属掩模薄层被激发产生波长很短的等离子表面波，等离子表面波可穿过纳米金属掩模图形薄层的掩模图形纳米孔和缝传播，第二层金属掩模薄层将已穿过的等离子波局域，以很小发散角射出，就好像是深紫外光源4的光直接穿过金属掩模8的图形孔和缝射出一样，使紧贴接触放置的抗蚀剂涂层9感光，光刻出纳米量级的高分辨率超微细图形，由于是双层，长波长光能较高效激发产生表面等离子波，并局域，并以很小发散角射出，就好像是深紫外光源4的光直接穿过金属掩模8的掩模图形孔和缝射出一样，使紧贴接触放置的抗蚀剂涂层9感光，较好光刻出纳米量级的高分辨率超微细图形。
如图4所示，金属掩模8由石英或氮化硅基板11、三层金属掩模图形薄层12″和聚合物簿层13组成，其中sio2薄膜或石英光学玻璃基板11的厚度至少为1.5μm以上，金属掩模图形薄层12″为三层金属掩模图形薄层组成，厚度分别为5-400nm不等，金属掩模图形簿层12″的金属材料是金或银、锌、铬的不同组合，聚合物薄层13厚度很薄，为1-10nm，有一定弹性，能对金属掩模图形起保护作用，延长金属掩模使用寿命。深紫外光源4的光能通过图形尺度比波长小得多的纳米金属掩模8，使抗蚀剂涂层9感光，是因为带有超微细图形的金属掩模在深紫外光源光的照射下，产生了波长很短的等离子表面波，等离子表面波可穿过纳米金属掩模图形薄层12″的掩模图形纳米孔和缝传播，以很小发散角射出，就好像是深紫外光源4的光直接穿过金属掩模8的图形孔和缝射出一样，使紧贴接触放置的抗蚀剂涂层9感光，由于金属掩模是三层金属掩模薄层结构，第一层薄层是使G线436nm的长波长光能更高效地激发产生出表面等离子体波；第二层薄层是使更有效传输和放大表面等离子波，并使等离子波得到叠加；第三层的功能是重新局域表面等离子波，调制出射光波的空间分布，使之按要光刻的纳米图形要求分布，穿出金属掩模的光能量更强，光刻出的高分辨率超微细图形的效果更好。因此对任意所需纳米结构而言，掩模设计的过程就是逆问题的求解过程，也就是说，首先根据所要制作结构的形状和图形分布，来设计所需的光场分布，然后设计能产生所需光场分布的掩模结构，给出掩模各层的参数。
如图5所示，金属掩模薄层图形12(含单层、双层和三层)是非密集的孔和线图形，在无图形区上制作的密集分布凹凸槽14结构，槽的深度为0.5--20nm，其宽度为10--20nm，该薄层的密集分布凹凸槽14能使长波长光更好更有效激发金属掩模产生表面等离子波，使非密集的孔和线图形光刻得更好。
如图6所示，为本发明中在金属掩模薄层图形包含单层、双层和三层，同时包含非密集图形或密集图形情况，在金属掩模薄层的最下面加了TiO2薄膜15的结构，TiO2膜的厚度为1-50nm，由于在最下层加了TiO2膜，TiO2膜的折射率比较大，使次下层的金属掩模薄层局域等离子波的能力大为提高，能更好光刻纳米微细结构和图形，同时也可起保护金属掩模薄层的双重作用。
权利要求
1.基于等离子波的纳米光刻光学装置，其特征在于均匀器(2)、滤光片(3)、HG灯光源(4)、反射镜(1)、反射镜(6)、透镜组(7)和椭球反射镜(5)组成的照明系统，HG灯光源(4)位于椭球反射镜(5)第1焦点F1位置，其发出的各种波长的光分别经过椭球反射镜(5)和反射镜(6)反射，聚焦于反射镜(6)的第2焦点F2，再通过滤光片(3)滤光，只有波长为436±15nm的G线特征波长谱线光射入均匀器(2)的入射端，再由均匀器(2)出射的光通过反射镜(1)反射和透组镜(7)聚光，此时长波长光均匀照明在位于照明系统的均匀照明位置上放置的单层或多层金属掩模(8)，单层或多层金属掩模(8)与安放在其下方的抗蚀剂涂层(9)之间为无间隙紧接触，或被抽真空。
2.根据权利要求1所述的基于等离子波的纳米光刻光学装置，其特征还在于所述的单层或多层金属掩模(8)是由石英或氮化硅基板(11)、及三层金属掩模图形薄层(12″)和聚合物簿层(13)组成，而且三层金属掩模图形簿层(12″)的金属材料可以是金或银、锌、铬多种金属的不同组合，金属图形薄层(12″)的厚度分别各为5-500nm，金属掩模第一薄层使长波长光能更高效激发产生表面等离子波，金属掩模第二薄层能更好传输和放大表面等离子波，金属掩模第三薄层能将第二薄层传输放大的表面等离子波局域成要光刻制作的纳米图形，聚合物薄层(13)的厚度为1-10nm。
3.根据权利要求1所述的基于等离子波的纳米光刻光学装置，其特征还在于所述的单层或多层金属掩模(8)是由石英或氮化硅基板(11)、及双层金属掩模图形薄层(12’)和聚合物簿层(13)组成，而且双层金属掩模图形簿层(12’)的金属材料可以是金或银、锌、铬多种金属的不同组合，金属图形薄层(12’)的厚度分别各为5-500nm，金属掩模第一薄层使长波长光能更高效激发产生表面等离子波，并传输给第二薄层，第二薄层能将第一薄层传输的表面等离子波局域成要光刻制作的纳米图形；聚合物薄层(13)的厚度为1-10nm。
4.根据权利要求1所述的基于等离子波的纳米光刻光学装置，其特征还在于所述的单层或多层金属掩模(8)是由石英或氮化硅基板(11)、及单层金属掩模图形薄层(12)和聚合物簿层(13)组成，而且单层金属掩模图形簿层(12)的金属材料可以是金或银、锌、铬多种金属组成，金属图形薄层(12)的厚度为5-500nm，该薄层金属掩模能使长波长光激发产生表面等离子波的同时，并把表面等离子波局域成要光刻制作的纳米图形，聚合物薄层(13)的厚度为1-10nm。
5.根据权利要求4所述的基于等离子波的纳米光刻光学装置，其特征还在于所述的单层金属图形薄层(12)为非密集的孔和线图形，其最上层金属薄层表面的无图形区上还制作有密集的凹凸槽(14)，槽的深度为0.5-20nm，宽度为10-20nm，该薄层能使长波长光更好激发金属掩模产生表面等离子波。
6.根据权利要求3或4或5所述的基于等离子波的纳米光刻光学装置，其特征还在于在所述的单层、双层和三层的金属掩模薄层图形(12、12’、12”)的最下面还加有TiO2薄膜(15)的结构，TiO2膜的厚度为1-50nm。
全文摘要
等离子波的纳米光刻光学装置，由反射镜(1)和(6)、均匀器(2)、滤光片(3)、HG灯光源(4)、椭球反射镜(5)和透镜组(7)组成的均匀照明系统照明金属掩模(8)，使紧接触放置硅片(10)上的抗蚀剂涂层(9)感光，HG灯光源(4)是使用可见光波段长波长光，在均匀照明位置放置的掩模是单层或多层金属掩模(8)，它与安放在其下方的抗蚀剂涂层(9)之间为无间隙紧接触，或被抽真空。本发明是用HG灯光源发出的G线436nm长波长光，照明金属掩模，激发其金属掩模表面等离子体，形成等离子表面波传播，穿过金属掩模出射小发散角光用于光刻，不受衍射极限的限制，也不需要复杂昂贵的极短波长光源与激光，就可制作出纳米量级的任意高分辨率图形。
文档编号G03F7/20GK1710490SQ20051001197
公开日2005年12月21日 申请日期2005年6月21日 优先权日2005年6月21日
发明者罗先刚, 陈旭南, 李海颖, 石建平, 杜春雷 申请人:中国科学院光电技术研究所