[發明專利]應用于等離激元直寫光刻的光場調控芯片及制備方法

有效

• 申請號: 202011644926.6
• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112731757B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發明（設計）人: 王亮;許凱;郭松坡
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G03F1/38
• 分類號: G03F1/38;G03F7/20
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 鄢功軍

本發明公開了一種應用于等離激元直寫光刻的光場調控芯片，其特征在于，包括由下至上依次設置的襯底、島狀結構、核心圖形層和超材料結構；其中，核心圖形層上設置有納米天線陣列和平面透鏡陣列，襯底上側四個拐角處均設置有干涉式空間位相成像標記模塊。納米天線陣列包括至少一個納米蝴蝶結天線，平面透鏡陣列包括至少一個平面衍射透鏡。納米蝴蝶結天線陣列用于實現高精度近場光刻；平面衍射透鏡陣列用于實現高速遠場光刻。本發明可用于直寫光刻系統中，根據工作距離選取高精度模式和高速模式；同時，通過陣列化光場調控芯片中的納米結構，可實現并行的高效率直寫光刻。

技術領域

本發明涉及微納加工技術領域，尤其涉及一種應用于等離激元直寫光刻的光場調控芯片及制備方法。

背景技術

如何實現緊聚焦的局域化電場，一直是光學領域的研究熱點。因為其可以應用于高分辨成像和納米尺度光刻等一系列先進光子技術中。傳統的顯微成像和投影式光刻技術中，通常采用高數值孔徑的透鏡組或更短波長的光源來實現高質量的點擴散函數，以提升其分辨率。但是其所能實現的物理極限受到瑞利衍射極限的限制，同時數值孔徑和波長的改變也無法對分辨率產生本質性的影響，反而會大幅提高系統的制造成本。比如，最先進的極紫外光刻系統，因選用了13.5nm波長的極紫外光源，而不得不大幅提升系統的功耗以及昂貴反射鏡組的制作成本。如果從提升數值孔徑的角度出發，則系統的工作距離會不斷縮短，從而盡可能多的收集高頻的倏逝分量。浸潤式光刻更是采用較高折射率的液體來實現大于一的數值孔徑。以上實現緊聚焦電磁場的技術可以統稱為遠場聚焦技術，因其系統的工作距離通常大于幾十個微米。遠場聚焦的理論極限已經由近期的一系列研究揭示，通常在以內。當超過此極限時，則局域場會產生較多旁瓣(雜散信號)，以影響實際的成像或光刻效果。

表面等離激元，作為一種金屬表面電子在外界電磁場激發下產生的集體震蕩效應，經常被用來實現近場的局域場強增強。局域意味著極高的空間頻率(亞波長)，其尺寸僅受納米結構尺寸的限制，所以在理論上可以實現納米尺度的局域電場。因此，此種效應所產生的局域化電場通常被用在光刻技術中。基于表面等離激元效應的光刻技術主要分為三大類，一大類是等離子激元干涉光刻技術，如：日本理化研究所Teruya Ishihara教授和成都光電所的羅先剛教授通過激發鋁光柵表面的SPP來實現干涉光刻。此種光刻技術因需要預先制備周期性金屬結構模板，不能實現靈活的圖形定義。一大類是直寫掃描光刻技術，如：普渡大學的Xianfan Xu教授和申請人利用bowtie型亞波長金屬天線式結構的局域表面等離激元效應實現超分辨直寫掃描光刻。但是，此種光刻技術目前卻始終只能實現焦深很淺(小于20納米)的超分辨曝光，這嚴重局限了它的應用。另一個大類則是等離子透鏡成像光刻，如：美國加州伯克利分校張翔教授課題組驗證了超透鏡的成像效果，獲得了百納米以下的光刻結果；UCSD的Zhaowei Liu教授利用具備雙曲色散關系的超透鏡，實現遠場超分辨光刻，線寬分辨率可以達到50nm，這種透鏡還具備放大、縮小成像功能等。但此種光刻技術同樣難以實現靈活的圖形定義。

發明內容

有鑒于此，本發明提供一種應用于等離激元直寫光刻的光場調控芯片及制備方法，能夠用于解決上述技術問題。

在本發明實施方式的第一方面中，提供了一種應用于等離激元直寫光刻的光場調控芯片，包括由下至上依次設置的襯底、島狀結構、核心圖形層和超材料結構；

其中，上述核心圖形層上設置有納米天線陣列和平面透鏡陣列，上述襯底上側四個拐角處均設置有干涉式空間位相成像標記模塊。

在本發明的一個實施例中，上述納米蝴蝶結天線陣列用于實現高精度近場光刻；上述平面衍射透鏡陣列用于實現高速遠場光刻。

在本發明的另一個實施例中，上述干涉式空間位相成像標記模塊包括一組二維變頻光柵，用于在光刻過程中根據上述光場調控芯片與樣品的距離變化實時產生不同的干涉條紋信號。

在本發明的又一個實施例中，上述島狀結構為階梯型凸起結構，設置于上述襯底上側中間區域，用于承載上述芯片上的上述核心圖形層和上述超材料結構。