一种用于纳米间隙式近场光刻的表面等离子体透镜设计方法与流程

本发明属于纳米加工技术领域，涉及一种用于实现大深宽比近场光学刻蚀的表面等离激元激发方法，具体涉及一种用于纳米间隙式近场光刻的表面等离子体透镜设计方法。

背景技术：

光学曝光是利用光学成像的方法将掩膜图形成像到光刻胶表面，在加工过程中，加工图形的分辨率是衡量加工图案集成度的重要依据。受光学衍射极限的限制，要获得较小的加工尺寸，得到较高的加工分辨率，既可以通过减小入射光波长、增大光学数值孔径或降低工艺参数的方法得到更高的分辨率，也可以利用一些能够突破衍射极限的方法实现超分辨聚束。对于半导体制造行业普遍使用的光刻技术而言，短波长曝光、浸没式曝光、光学分辨率增强技术虽然可以从入射光波长、数值孔径等方面着手提高光学分辨率，但在原理层面上，始终无法突破衍射极限的束缚。随着加工需求的提高，以上技术最终会迎来发展瓶颈。另一方面，加工设备的高成本制约了这些技术在半导体制造以外行业的大规模应用。因此，寻求一种能够突破衍射极限的低成本纳米加工技术是提高加工分辨率的根本解决之道，也是目前光刻技术亟待解决的问题。

在近场范围内，光波以倏逝波形式传播，其所携带的精细信息使得分辨率能够不受远场光学衍射极限的限制。由此，可以利用近场光学的光传播原理进行曝光，实现超衍射极限分辨率的纳米图案加工。近场光学中的曝光分辨率依赖于衬底表面的特殊结构尺寸，当光源从电介质材料入射到图案化的金属结构表面时，可在金属表面形成表面等离激元(surfaceplasmonpolaritons，spps)。spps可以沿金属表面传播，并在垂直于金属表面方向形成能量辐射场。辐射光斑的大小由金属表面的图案结构决定，辐射的能量可以对其近场范围内的光刻胶进行曝光得到光斑尺寸的加工图形，但spps在垂直金属表面方向的能量随距离的增加呈指数衰减。

目前，应用表面等离激元的超衍射极限分辨率实现光刻加工的技术主要有两种：无间隙金属超透镜成像和纳米间隙表面等离激元刻蚀。金属超透镜成像曝光是一种有掩膜光刻技术，其将激发spps的金属结构作为掩膜板，通过近场光学曝光原理将掩膜图形成像到紧贴在掩膜板的光刻胶层实现曝光。这种方法虽然从原理上突破了传统光学衍射极限的限制，得到了较高的加工分辨率，但是加工效率较低、掩膜制作复杂的弊端仍未能解决。纳米间隙式表面等离激元刻蚀技术将近场光学特性与现有纳米技术平台相结合，提出了能够实现高生产效率的纳米加工方法。根据光刻胶与金属/电介质表面近场条件实现方式的不同，这些纳米加工方法可分为主动式曝光和被动式曝光。主动式光刻技术以固体浸没式透镜为平台，利用音圈电机驱动器与主动间隙控制器的协同调制，捕捉并监测倏逝波泄漏辐射的强弱变化，从而判断近场距离的改变，实现纳米间隙的主动调控，再利用局部表面等离激元的超小聚束光斑对光刻胶进行曝光，获得超衍射极限的加工尺寸。被动式等离子体曝光技术以机械式硬盘为基础，头盘相对运动时能够形成自适应的稳定的纳米间隙，盘片的高转速大大提高了光刻的加工效率，加工分辨率由产生spps的金属表面结构决定，可以同时满足高加工效率、高分辨率、低成本的纳米加工需求。

然而，spps光场强度随距离增加呈指数衰减的特性，使得纳米间隙光刻中，实际到达光刻胶加工面的能量受到较大损失，从而造成较低的刻蚀结构深宽比，影响加工图形质量。入射光经等离子体透镜聚束后，经空气层进入光刻胶表面，空气-光刻胶界面的spps传播特性使得光场能量不能在光刻胶层中有效、深入的渗透，抑制了加工图案的深宽比，造成了加工图案质量差、图案转移困难的结果。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于纳米间隙式近场光刻的表面等离子体透镜设计方法，解决旋转场的纳米图形加工深宽比较低、图形质量差的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种用于纳米间隙式近场光刻的表面等离子体透镜设计方法，使得光刻图案能够获得较大加工结构深宽比，提高加工图形质量，具体按照以下步骤实施：

(1)首先制备蝴蝶结与同心半圆槽交替复合结构等离子透镜，等离子透镜由透光介质基体和纳米结构金属膜层b组成，详细步骤如下：

①在透光介质基体表面制备金属膜层b，金属膜层b厚度为30～100nm，

②在金属膜层b上加工贯穿金属膜层b的蝴蝶结结构，

③以蝴蝶结结构的中心为圆心，加工具有一定周期并贯穿金属膜层b的同心两侧交替分布半圆槽；

(2)在气浮平台底部安装空气轴承；

(3)在空气轴承上安装盘片；

(4)在气浮平台上部通过特定加载卸载设备安装磁头；

(5)在磁头上制备表面等离子体透镜；

(6)在盘片表面制备光刻胶层；

(7)磁头在旋转的光刻胶盘片表面稳定飞行；

(8)入射光经由表面等离子体透镜聚束后，对光刻胶盘片进行曝光；

(9)得到大深宽比、高质量的纳米加工图案。

所述步骤(1)中透光介质基体为石英或蓝宝石。

所述步骤(1)中金属膜层b材料为au、ag或cr。

所述步骤(1)中蝴蝶结结构的中心纽带宽20～40nm，长轴宽200～340nm，短轴宽200～340nm，根据长轴宽度适当选取。

所述步骤(1)中同心半圆槽为左右交替半周期结构，距离蝴蝶结结构中心的第一半圆槽初始半径为240～480nm，双侧半圆槽周期为等周期分布，取值在110～140nm之间。

所述步骤(1)中同心半圆槽的槽宽度为45～70nm。

优选的，所述同心半圆槽的槽宽度为60nm。

所述步骤(3)中盘片材料为二氧化硅或铝合金。

所述步骤(3)还包括在盘片表面制备反射电磁波的纳米结构金属膜层a，金属膜层a厚度为30～100nm。所述金属膜层a材料为ag、al、cr或au，用于加工的方法为蒸镀、溅射或电化学沉积。

在所述金属膜层a上表面制备光刻胶膜层，光刻胶膜层厚度为30～50nm。所述光刻胶膜层为对紫外感光的光刻胶膜层。

所述对紫外感光的光刻胶膜层材料为无机光刻胶。所述无机光刻胶制备方法为溅射。所述无机光刻胶为热敏光刻胶。

所述对紫外感光的光刻胶膜层材料为有机光刻胶。所述有机光刻胶制备方法为旋涂，旋涂速度为2000～4000rpm。

所述步骤(8)中曝光使用的光源为紫外光源。

所述步骤(8)中曝光步骤还包括紫外激光透过基体照射在所述表面等离子体透镜的金属膜层b时，在金属/空气界面激发表面等离激元，表面等离激元沿金属膜层b表面传播。

所述金属膜层a还和表面等离子体透镜产生耦合作用对表面等离激元进行再聚束。

所述表面等离激元与所述盘片的金属膜层a反射的电磁波在周期同心交替半圆环复合蝴蝶结结构的中心位置耦合形成聚束光斑，聚束光斑对盘片表面的光刻胶进行曝光。

本发明还提供实现上述纳米图形加工方法的加工设备，该加工设备包括：气浮平台，气浮平台底部安装有空气轴承，所述空气轴承上安装有盘片，所述盘片上制备有纳米结构金属膜层a，所述金属膜层a上表面制备有光刻胶膜层，所述气浮平台上部通过特定加载卸载设备安装有磁头，所述磁头上加工有表面等离子体透镜，所述表面等离子体透镜由透光介质基体和纳米结构金属膜层b组成，所述透光介质基体上制备金属膜层b，所述金属膜层b上加工有贯穿金属膜层b的周期半圆环复合蝴蝶结结构，所述磁头设置在盘片上方，所述金属膜层b距离所述光刻胶膜层高度小于20nm。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：

1、在表面等离子体透镜透光介质基体上加工纳米结构金属膜层b，并在所述金属膜层b表面加工贯穿金属膜层b的蝴蝶结与同心交替半圆槽复合结构，周期半圆环复合蝴蝶结结构能够激发超强能量的表面等离激元(surfaceplasmonpolaritons，spps)，所激发的spps能够与盘片表面纳米结构金属膜层a反射的电磁波耦合，在蝴蝶结中心位置形成能量增强兼具尺寸较小的聚束光斑。

2、所优化的同心交替半圆槽结构的周期可以促使光束不仅在纳米间隙层实现超衍射极限聚束，并可在光刻胶层持续保持此聚束能力，从而实现了高深宽比纳米结构的加工结果。

3、具有超小尺寸的中心蝴蝶结结构能够激发局部表面等离激元(localizedsurfaceplasmon，lsps)，lsps的限制作用有效约束了聚束光斑的尺寸，进一步加强了聚束光斑在纵向贯穿光刻胶层的刻蚀能力，有助于提高纳米图形加工的深宽比，从而实现了高效率、高分辨率、低成本的纳米加工。

附图说明

图1是表面等离子体透镜三维结构示意图；

图2是表面等离子体透镜结构正视图与侧视图；

图3是所述旋转式近场纳米加工系统示意图；

图中，1.中心纽带，2.短轴，3.长轴光刻胶膜层,5.初始半径，6.半圆槽,8.金属膜层b,9.紫外激光发生器，10.电光调节器，11，紫外反射镜12.预聚束透镜，13.飞行头，14.盘片，15.悬臂，16.移动台，17.旋转承载台，18.控制器，。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，本技术领域的人员会理解，下面实施例旨在用于解释本发明，而不应视为对本发明的限制。除非特别说明，下面实施例中没有明确描述具体技术或条件的，本领域技术人员可以按照本领域内的常用的技术或条件或按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为通过市场可购买到的常规产品。

本发明一种用于纳米间隙式近场光刻的表面等离子体透镜设计方法，具体包括以下步骤：

(1)首先制备蝴蝶结与同心半圆槽交替复合结构表面等离子体透镜，表面等离子体透镜由透光介质基体和纳米结构金属膜层b组成，详细步骤如下：

①在透光介质基体表面制备金属膜层b，金属膜层b厚度为30～100nm，

②在金属膜层b上加工贯穿金属膜层b的蝴蝶结结构，如图1所示。

③以蝴蝶结结构的中心为圆心，加工具有一定周期结构并贯穿金属膜层b的同心两侧交替分布半圆槽；

(2)在气浮平台底部安装空气轴承；

(3)在空气轴承上安装盘片；

(4)在气浮平台上部通过特定加载卸载设备安装磁头；

(5)在磁头上加工所设计的表面等离子体透镜；

(6)在盘片表面制备光刻胶层；

(7)磁头在旋转的光刻胶盘片表面稳定飞行；

(8)入射光经由表面等离子体透镜聚束，并对光刻胶盘片进行曝光；

(9)得到大深宽比、高质量的纳米加工图案。

所述步骤(1)中透光介质基体为石英或蓝宝石。

所述步骤(1)中金属膜层b材料为au、ag或cr。

所述步骤(1)中蝴蝶结结构的中心纽带宽20～40nm，长轴宽200～340nm，短轴宽200～340nm，根据长轴宽度适当选取。

所述步骤(1)中同心半圆槽为左右交替半周期结构，距离蝴蝶结结构中心的第一半圆槽初始半径为240～480nm，双侧半圆槽周期为等周期分布，取值在110～140nm之间。

所述步骤(1)中同心半圆槽的槽宽度为45～70nm。

优选的，所述同心半圆槽的槽宽度为60nm。

所述步骤(3)中盘片材料为二氧化硅或铝合金。

所述步骤(3)还包括在盘片表面制备反射电磁波的纳米结构金属膜层a，金属膜层a厚度为30～100nm。所述金属膜层a材料为ag、al、cr或au，用于加工的方法为蒸镀、溅射或电化学沉积。

在所述金属膜层a上表面制备光刻胶膜层，光刻胶膜层厚度为30～50nm。所述光刻胶膜层为对紫外感光的光刻胶膜层。

所述对紫外感光的光刻胶膜层材料为无机光刻胶。所述无机光刻胶制备方法为溅射。所述无机光刻胶为热敏光刻胶，比如teox。

所述对紫外感光的光刻胶膜层材料为有机光刻胶。所述有机光刻胶制备方法为旋涂，旋涂速度为2000～4000rpm。比如有机光刻胶为化学放大分子玻璃胶2,3,4,5-四苯基噻吩化合物，简称fpt-8boc。

所述步骤(8)中曝光使用的光源为紫外光源。

所述步骤(8)中曝光步骤还包括紫外激光透过基体照射在所述表面等离子体透镜的金属膜层b时，在金属/空气界面激发表面等离激元，表面等离激元沿金属膜层b表面传播。

所述金属膜层a还和表面等离子体透镜产生耦合作用对表面等离激元进行再聚束。

所述表面等离激元与所述盘片的金属膜层a反射的电磁波在周期半圆环复合蝴蝶结结构的中心位置耦合形成聚束光斑，聚束光斑对盘片表面的光刻胶进行曝光。

本发明还提供实现上述纳米图形加工方法的加工设备，该加工设备包括：气浮平台，气浮平台底部安装有空气轴承，所述空气轴承上安装有盘片，所述盘片上制备有纳米结构金属膜层a，所述金属膜层a上表面制备有光刻胶膜层，所述气浮平台上部通过特定加载卸载设备安装有磁头，所述磁头上安装有表面等离子体透镜，所述表面等离子体透镜由透光介质基体和纳米结构金属膜层b组成，所述透光介质基体上制备金属膜层b，所述金属膜层b上加工有贯穿金属膜层b的周期半圆环复合蝴蝶结结构，所述磁头设置在盘片上方，所述金属膜层b距离所述光刻胶膜层高度小于20nm。

显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。