[發明專利]一種基于共振腔結構實現大面積超分辨光刻方法

有效

• 申請號: 201811510455.2
• 申請日: 2018-12-11
• 公開（公告）號: CN109669323B
• 公開（公告）日: 2020-10-23
• 發明（設計）人: 羅先剛;蒲明博;馬曉亮;劉玲;王長濤
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G03F7/20
• 分類號: G03F7/20
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提出一種基于共振腔結構實現大面積超分辨光刻方法，在硅基底或硅膜層上制備包含有介質層和金屬層的共振腔結構，在共振腔結構上制備一層特殊感光材料。上層感光材料在一定傳統干涉光刻照明條件下透過率或/和折射率發生明顯變化，并在第二次照明中作為振幅型掩模光柵使用。硅基底/感光材料/金屬層組成的共振腔結構可以激發表面等離子體效應，并在共振腔體內實現上層感光材料形成的振幅型掩模光柵高頻橫向波矢的干涉，從而實現大面積的超分辨光刻。該方法與傳統的干涉光刻相結合，通過共振腔結構的二次干涉效應，可將傳統干涉光刻的分辨力至少提高2倍，為百納米量級以下特征尺寸的硅基功能器件的制備提供了一種廉價的、簡單的方法。

技術領域

本發明屬于微納光刻加工技術及微納器件加工領域，具體涉及一種基于共振腔結構實現大面積超分辨光刻方法。

背景技術

光的干涉是光波動性的基本特征。當兩束光波的頻率相同，振動方向相同，并且擁有固定不變的相位差時，就能形成穩定的明暗交替的干涉條紋。這種強度周期性變化的條紋如果記錄在感光層上會呈現出厚度周期性變化的圖樣，從而實現“光刻”，激光干涉技術就是基于此種原理。該技術具有無需掩模，大視場，長焦深等特點，現廣泛應用于很多納米圖形及納米器件加工等領域。激光干涉技術的分辨力d＝λ/(2sinθ)，對比密集(L/S＝1：1)結構，干涉光刻的極限CD為λ/4。顯然，想要獲得更高的分辨力，只有采用更短的激發波長。

表面等離子體(surface plasmon，SP)是金屬中的自由電子受到外界的電磁擾動，在金屬和介質的表面產生集體振蕩的行為。和自由空間中的光波相比，SP具有短波長特性。利用該特性，羅先剛課題組使用周期300nm，縫寬50nm的Ag光柵，在436nm工作波長下獲得了周期100nm的干涉條紋。之后，有研究小組利用金屬-介質-金屬的共振腔模式增強了干涉條紋的對比度，將激發光源進一步縮小到193nm的時候，模擬仿真上可獲得22nm的分辨力。金屬-介質-金屬的共振腔模式利用底層金屬對倏逝波的進一步共振放大可實現高分辨力、高對比度的干涉圖形，但是考慮到共振腔的共振作用，中間介質層的厚度一般在50nm及以下，這就為金屬圖形的傳遞帶來了困難。因為就一般金屬材料而言，其和光刻膠的刻蝕比都很低。因此本發明提出了利用硅基材料代替原有共振腔結構中的底層金屬，本方法可以利用深硅刻蝕工藝直接制備硅基器件，同時也可以用硅作為中間傳遞刻蝕的掩蔽層實現其他材料的刻蝕制備。

另一方面，傳統用于激發共振腔體中表面等離子體干涉的光柵是用電子束光刻或者聚焦離子束加工的，在大面積加工方面成本昂貴。在本發明中，利用廉價的激光干涉技術獲得周期性的光場使特殊感光材料的透過率或/和折射率發生改變，進而用作第二次表面等離子體干涉光刻的激發光柵。最終利用表面等離子體的短波長特性獲得分辨力為百納米及以下的大面積干涉圖形，因此本發明也提供了一種百納米量級以下大面積硅掩模的廉價制備方法。

發明內容

本發明的要解決的技術問題為：

(1)、目前大面積納米圖形掩模加工大都采用電子束加工的方式，本發明提供了一種120nm及以下周期大面積密集掩模加工的替代技術，能解決大面積納米圖形加工昂貴的問題；

(2)、表面等離子體光刻雖能實現較高的分辨力，但大都采用接觸的光刻模式，這樣會帶來掩模的污染和損傷問題，減小掩模的使用壽命；

(3)、表面等離子體光刻中，掩模與光刻基片均為硬質材料，即便在壓力作用下接觸，二者因面形的差異必然存在厚度不均的間隙分布，從而影響表面等離子體光刻的成像對比度，從而導致大面積圖形光刻效果分布差異，甚至嚴重缺陷。

(4)、表面等離子體光刻中傳統的共振腔一般由金屬-介質-金屬組成的腔體結構構成，在實際應用中需要刻蝕底層金屬后才能實現功能材料的傳遞，這樣會帶來光刻線條線邊緣粗糙度增大，也會帶來一定的金屬污染問題。