专利名称：表面等离子体纳米光刻结构及方法
技术领域：
本发明属于半导体光刻领域，具体涉及一种表面等离子体纳米光刻结构及方法。
背景技术：
随着科技的不 断发展，器件的尺寸越来越小，集成度越来越高，光刻蚀微影法由于其易于复制，制作成本廉价以及适合大区域制作等优点而被广泛应用。但是其加工尺寸受到光学衍射极限的限制，很难突破半波长量级的分辨率。目前提高分辨率的一种主要方法是使用更短波长的光源，如极紫外光，软X光，原子束，但是短波长的光源难于制作，使用寿命短，实验中难以选择相匹配的透镜以及掩模板，同时短波长光源光刻胶的开发比较困难，导致这些方法的成本提高，工艺方法较为复杂，提高分辨率的能力受到一定的制约。其他一些提高分辨率的方法有电子束光刻法，离子束光刻法，蘸笔纳米光刻法以及奈米光刻法，但同样受到制作成本高，工艺复杂等缺点，在应用上受到限制。最近几年科学家们对表面等离子体激元(SPP)进行了大量的研究，发现在相同光频率下，SPP波矢比普通光源的波矢大很多，因此许多研究小组都致力于将其应用于光刻中，并取得了很好的效果。利用基于表面等离子体激元效应的光刻技术所得到条纹分辨率比传统的衍射极限大很多。此外，利用基于表面等离子激元效益的光刻技术还可以得到超衍射极限的纳米点阵。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明解决的技术问题在于提供一种表面等离子体纳米光刻结构及方法，其分辨率高，且具有良好的曝光深度。为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的一种表面等离子体纳米光刻结构，包括上基底层、下基底层、共振腔和金属光栅层，所述共振腔和金属光栅层设于所述上基底层和下基底层之间，尤其是，所述金属光栅层包括第一光栅层和第二光栅层，所述共振腔位于所述第一光栅层和所述第二光栅层之间，所述共振腔包括光刻胶层。优选的，在上述表面等离子体纳米光刻结构中，所述共振腔还包括第一金属层和第二金属层，所述光刻胶层设于所述第一金属层和第二金属层之间。优选的，在上述表面等离子体纳米光刻结构中，所述第一金属层和第二金属层的材料均为银。优选的，在上述表面等离子体纳米光刻结构中，所述第一金属层和第二金属层的厚度为IOnm 80nm。优选的，在上述表面等离子体纳米光刻结构中，所述第一光栅层和第二光栅层的材料选自铝、铬或硅。优选的，在上述表面等离子体纳米光刻结构中，所述第一光栅层和第二光栅层的狭缝相垂直。
优选的，在上述表面等离子体纳米光刻结构中，所述光刻胶层的厚度为IOnm 60nmo优选的，在上述表面等离子体纳米光刻结构中，所述第一光栅层和第二光栅层的狭缝的宽度小于80nm。优选的，在上述表面等离子体纳米光刻结构中，所述第一光栅层和第二光栅层均为一维光栅。
本发明还公开了一种表面等离子体纳米光刻方法，提供上述的表面等离子体纳米光刻结构，入射光分别从上基底层和下基底层进行入射，并在所述光刻胶层上实现曝光。由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点本发明中，第一金属层、第二金属层以及光刻胶层构成共振腔，分别利用第一光栅层和第二光栅层来激发第一金属层与光刻胶层以及第二金属层与光刻胶层界面的表面等离子波，从而可以大大提高光刻技术的分辨率；另外，本发明采用双光束曝光，可以实现良好的曝光深度和可见度。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I所示为本发明实施例所提供的表面等离子体纳米光刻结构的示意图；图2a 2c所不分别为本发明光刻胶层于5nm、15nm、25nm深度的平面内的电场强度分布图；图3a 3c所不为本发明光刻胶层的厚度分别为40nm、30nm、20nm时的电场分布图；图4a所示为SPP波矢在不同的光刻胶层厚度下与入射光波长的色散关系；图4b所示为纳米点阵周期在不同的光刻胶层厚度下与入射光波长的色散关系；图5a 5c所不为不同光栅材料下光刻胶层中电场的分布情况；图6a 6e所不为在不同光栅狭缝宽度时光刻胶层中电场的分布；图7a 7e所不为在不同入射光波长下光刻胶层中电场的分布；图8a 8d所不为第一金属层和第二金属层为不同厚度时光刻胶层中电场的分布情况；图9所示为图8b中虚线处电场强度的分布图。
具体实施例方式为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。本发明实施例公开了一种表面等离子体纳米光刻结构，包括上基底层、下基底层、共振腔和金属光栅层，所述共振腔和金属光栅层设于所述上基底层和下基底层之间，所述共振腔包括第一金属层、第二金属层和光刻胶层，所述光刻胶层设于所述第一金属层和第二金属层之间，所述金属光栅层包括第一光栅层和第二光栅层，所述第一光栅层位于所述上基底层和第一金属层之间，所述第二光栅层位于所述下基底层和第二金属层之间。上基底层和下基底层的材料优选自玻璃板或二氧化娃；第一金属层和第二金属层的材料优选为银；第一光栅层和第二光栅层的材料优选自铝、铬或硅，更优选为铝；光刻胶层为金属光刻胶、半导体光刻胶或绝缘体光刻胶。本发明实施例还公开了一种表面等离子体纳米光刻方法，提供上述的表面等离子体纳米光刻结构，入射光分别从上基底层和下基底层进行入射，并在所述光刻胶层上实现曝光。第一金属层、第二金属层以及光刻胶层构成共振腔，分别利用第一光栅层和第二光栅层来激发第一金属层与光刻胶层以及第二金属层与光刻胶层界面的表面等离子波，从 而可以大大提高光刻技术的分辨率；本发明采用双光束曝光，可以实现良好的曝光深度和可见度。第一光栅层和第二光栅层均为一维光栅。其周期可以做的比较大，因此掩模板易于制作。易于想到，在其他实施例中，也可不设置第一金属层和第二金属层。第一金属层和第二金属层的设置可以更好地提高纳米点阵的分辨率和改善光栅狭缝的边缘效应。下面结合附图对本发明实施方案的原理进行描述。由图I可以看出，表面等离子体纳米光刻结构10自上而下分别为上基底层11、第一光栅层15、第一金属层13、光刻胶层17、第二金属层14、第二光栅层16和下基底层12。第一金属层13 (Ag层)-光刻胶层17-第二金属层14 (Ag层)组成的共振腔，Al光栅(第一光栅层15、第二光栅层16)用来激发Ag层与光刻胶层17界面的表面等离子波。第一光栅层15、第二光栅层16相互垂直，入射光分别从共振腔结构顶部和底部入射，当仅有上入射光入射时，会激发出沿X方向的SPP波,仅有下入射光入射时,会激发出沿y方向的SPP波，从在双光束入射下SPP波相互干涉进而在光刻胶中得到纳米点阵图案。模拟软件使用FDTD Solutions。在其他实施例中，第一金属层13和第二金属层14的材质还可以为Al。对于图I中的结构，表面等离子被激发在第一金属层13、第二金属层14和光刻胶层17表面，为了简化起见，我们试着用金属-介质-金属(MIM)模型来近似地描述图I的结构。在以下的讨论中，我们发现MIM模型分析结果与用FDTD方法严格计算的结果相一致。对于双光束表面等离子模型，我们可以先对单入射光分析。当仅有上入射光入射时，得到的SPP色散关系
权利要求
1.一种表面等离子体纳米光刻结构，包括上基底层、下基底层、共振腔和金属光栅层，所述共振腔和金属光栅层设于所述上基底层和下基底层之间，其特征在于所述金属光栅层包括第一光栅层和第二光栅层，所述共振腔位于所述第一光栅层和所述第二光栅层之间，所述共振腔包括光刻胶层。
2.根据权利要求I所述的表面等离子体纳米光刻结构，其特征在于所述共振腔还包括第一金属层和第二金属层，所述光刻胶层设于所述第一金属层和第二金属层之间。
3.根据权利要求2所述的表面等离子体纳米光刻结构，其特征在于所述第一金属层和第二金属层的材料均为银。
4.根据权利要求2所述的表面等离子体纳米光刻结构，其特征在于所述第一金属层和第二金属层的厚度为IOnm 80nm。
5.根据权利要求I所述的表面等离子体纳米光刻结构，其特征在于所述第一光栅层和第二光栅层的材料选自铝、铬或硅。
6.根据权利要求I所述的表面等离子体纳米光刻结构，其特征在于所述第一光栅层和第二光栅层的狭缝相垂直。
7.根据权利要求I所述的表面等离子体纳米光刻结构，其特征在于所述光刻胶层的厚度为IOnm 60nm。
8.根据权利要求I所述的表面等离子体纳米光刻结构，其特征在于所述第一光栅层和第二光栅层的狭缝的宽度小于80nm。
9.根据权利要求I所述的表面等离子体纳米光刻结构，其特征在于所述第一光栅层和第二光栅层均为一维光栅。
10.一种表面等离子体纳米光刻方法，其特征在于提供权利要求I所述的表面等离子体纳米光刻结构，入射光分别从上基底层和下基底层进行入射，并在所述光刻胶层上实现曝光。
全文摘要
本发明公开了一种表面等离子体纳米光刻结构，包括上基底层、下基底层、共振腔和金属光栅层，所述共振腔和金属光栅层设于所述上基底层和下基底层之间，所述共振腔包括第一金属层、第二金属层和光刻胶层，所述光刻胶层设于所述第一金属层和第二金属层之间，所述金属光栅层包括第一光栅层和第二光栅层，所述第一光栅层位于所述上基底层和第一金属层之间，所述第二光栅层位于所述下基底层和第二金属层之间。本发明还公开了一种表面等离子体纳米光刻方法。利用第一光栅层和第二光栅层来激发第一金属层与光刻胶层以及第二金属层与光刻胶层界面的表面等离子波，从而可以大大提高光刻技术的分辨率；另外，本发明采用双光束曝光，可以实现良好的曝光深度和可见度。
文档编号G03F7/00GK102636967SQ20121011676
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月19日 优先权日2012年4月19日
发明者曹冰, 楼益民, 王钦华, 许富洋, 陈根华 申请人:苏州大学