一种基于共振腔结构实现大面积超分辨光刻方法技术

本发明专利技术提出一种基于共振腔结构实现大面积超分辨光刻方法，在硅基底或硅膜层上制备包含有介质层和金属层的共振腔结构，在共振腔结构上制备一层特殊感光材料。上层感光材料在一定传统干涉光刻照明条件下透过率或/和折射率发生明显变化，并在第二次照明中作为振幅型掩模光栅使用。硅基底/感光材料/金属层组成的共振腔结构可以激发表面等离子体效应，并在共振腔体内实现上层感光材料形成的振幅型掩模光栅高频横向波矢的干涉，从而实现大面积的超分辨光刻。该方法与传统的干涉光刻相结合，通过共振腔结构的二次干涉效应，可将传统干涉光刻的分辨力至少提高2倍，为百纳米量级以下特征尺寸的硅基功能器件的制备提供了一种廉价的、简单的方法。

A Large Area Super Resolution Lithography Method Based on Resonant Cavity Structure

A large area super-resolution lithography method based on resonant cavity structure is proposed. A resonant cavity structure with dielectric layer and metal layer is prepared on a silicon substrate or silicon film layer, and a special photosensitive material is prepared on the resonant cavity structure. The transmittance or/or refractive index of the upper layer of photosensitive material changes significantly under certain traditional interference lithography illumination conditions, and is used as an amplitude mask grating in the second illumination. The resonant cavity structure composed of silicon substrate, photosensitive material and metal layer can excite surface plasmon effect, and realize the interference of high frequency transverse wave vector of the amplitude mask grating formed by the upper layer photosensitive material in the resonant cavity, so as to realize large area super-resolution lithography. Combining this method with traditional interferometric lithography, the resolution of traditional interferometric lithography can be increased by at least two times through the secondary interference effect of resonant cavity structure, which provides a cheap and simple method for the fabrication of silicon-based functional devices with characteristic sizes below 100 nanometers.

【技术实现步骤摘要】
一种基于共振腔结构实现大面积超分辨光刻方法
本专利技术属于微纳光刻加工技术及微纳器件加工领域，具体涉及一种基于共振腔结构实现大面积超分辨光刻方法。
技术介绍
光的干涉是光波动性的基本特征。当两束光波的频率相同，振动方向相同，并且拥有固定不变的相位差时，就能形成稳定的明暗交替的干涉条纹。这种强度周期性变化的条纹如果记录在感光层上会呈现出厚度周期性变化的图样，从而实现“光刻”，激光干涉技术就是基于此种原理。该技术具有无需掩模，大视场，长焦深等特点，现广泛应用于很多纳米图形及纳米器件加工等领域。激光干涉技术的分辨力d＝λ/(2sinθ)，对比密集(L/S＝1：1)结构，干涉光刻的极限CD为λ/4。显然，想要获得更高的分辨力，只有采用更短的激发波长。表面等离子体(surfaceplasmon，SP)是金属中的自由电子受到外界的电磁扰动，在金属和介质的表面产生集体振荡的行为。和自由空间中的光波相比，SP具有短波长特性。利用该特性，罗先刚课题组使用周期300nm，缝宽50nm的Ag光栅，在436nm工作波长下获得了周期100nm的干涉条纹。之后，有研究小组利用金属-介质-金属的共振腔模式增强了干涉条纹的对比度，将激发光源进一步缩小到193nm的时候，模拟仿真上可获得22nm的分辨力。金属-介质-金属的共振腔模式利用底层金属对倏逝波的进一步共振放大可实现高分辨力、高对比度的干涉图形，但是考虑到共振腔的共振作用，中间介质层的厚度一般在50nm及以下，这就为金属图形的传递带来了困难。因为就一般金属材料而言，其和光刻胶的刻蚀比都很低。因此本专利技术提出了利用硅基材料代替原有共振腔结构中的底层金属，本方法可以利用深硅刻蚀工艺直接制备硅基器件，同时也可以用硅作为中间传递刻蚀的掩蔽层实现其他材料的刻蚀制备。另一方面，传统用于激发共振腔体中表面等离子体干涉的光栅是用电子束光刻或者聚焦离子束加工的，在大面积加工方面成本昂贵。在本专利技术中，利用廉价的激光干涉技术获得周期性的光场使特殊感光材料的透过率或/和折射率发生改变，进而用作第二次表面等离子体干涉光刻的激发光栅。最终利用表面等离子体的短波长特性获得分辨力为百纳米及以下的大面积干涉图形，因此本专利技术也提供了一种百纳米量级以下大面积硅掩模的廉价制备方法。
技术实现思路
本专利技术的要解决的技术问题为：(1)、目前大面积纳米图形掩模加工大都采用电子束加工的方式，本专利技术提供了一种120nm及以下周期大面积密集掩模加工的替代技术，能解决大面积纳米图形加工昂贵的问题；(2)、表面等离子体光刻虽能实现较高的分辨力，但大都采用接触的光刻模式，这样会带来掩模的污染和损伤问题，减小掩模的使用寿命；(3)、表面等离子体光刻中，掩模与光刻基片均为硬质材料，即便在压力作用下接触，二者因面形的差异必然存在厚度不均的间隙分布，从而影响表面等离子体光刻的成像对比度，从而导致大面积图形光刻效果分布差异，甚至严重缺陷。(4)、表面等离子体光刻中传统的共振腔一般由金属-介质-金属组成的腔体结构构成，在实际应用中需要刻蚀底层金属后才能实现功能材料的传递，这样会带来光刻线条线边缘粗糙度增大，也会带来一定的金属污染问题。本专利技术采用的技术方案为：一种基于共振腔结构实现大面积超分辨光刻方法，利用特殊感光层材料和共振腔结构，经过两次干涉过程，在硅材料上形成大面积超分辨光刻图形。其中，特殊感光材料在第一次传统干涉光场照明中透过率或/和折射率发生变化，并在第二次照明过程中充当振幅型掩模光栅。本专利技术两次干涉过程包括，第一次干涉光刻为传统的大面积激光干涉过程，第二次干涉为共振腔结构中形成的表面等离子体干涉过程。本专利技术中共振腔结构由入射光方向往下依次由金属，介质，硅材料组成。本专利技术中特殊感光层材料和共振腔结构中金属层的粘附性要优于共振腔结构中金属层和介质层的粘附性。本专利技术中大面积超分辨光刻图形可以通过刻蚀工艺传递到硅材料上。本专利技术中大面积超分辨光刻图形可以是一维也可以是二维，二维图形可以是点或者孔。其二维图形的获得包括但不限于对入射光偏振性的调控。本专利技术中大面积超分辨光刻图形可以是周期一定，线宽均匀的图形或/和周期一定线宽变化的图形。线宽的均匀性可以通过包括但不限于调整共振腔内金属和介质的厚度实现。本专利技术中共振腔内第二次表面等离子体干涉可以一次性实现二次、四次倍频。具体的由第一次干涉光刻的图形周期决定。本专利技术中第一次传统干涉光刻所用的照明光源和第二次激发共振腔中的表面等离子体干涉的照明光源存在差异。该差异对应的特性包括和不限于，照明光源波长、照明光源强度、照明时间、偏振态、照明方向等，其作用在于确保第一次照明条件使特殊感光材料的透过率或/和折射率发生变化，并足以在第二次照明条件下形成正弦振幅型光场，且透过率或/和折射率不再发生变化。而第二次照明条件需使得共振腔中介质的化学或物理性质发生改变，以便记录或/和探测表面等离子体的干涉光场。本专利技术共振腔结构中的金属层为在不同照明波长下激发表面等离子体的材料。在紫外可见光波段，可以为银、铝、金等。本专利技术共振腔结构中的金属层可以根据设计所需干涉的高频横向波矢替换成金属和介质组成的多层材料。本专利技术共振腔结构中的金属层可以替换成金属和介质组成的多层材料，以产生更高的横向波矢用于表面等离子体干涉。本专利技术共振腔结构中的金属层的厚度需透过第二次照明光源且足以使共振腔中的介质层发生物理或/和化学反应。本专利技术共振腔结构中的介质层为在第二次光照条件下发生化学或物理性质变化，以便记录或/和探测表面等离子体干涉光场的材料，包括但不限于光刻胶材料。同时介质层在第一次传统干涉光刻所用的照明光源下不发生任何原有性质的改变。本专利技术共振腔结构中的介质层的厚度为能使共振腔中产生共振现象的厚度。本专利技术共振腔结构中的硅材料可以根据需要设计为硅基底或者是硅薄膜。特别的，对硅基底的晶向和掺杂没有要求。本专利技术中当共振腔结构中的硅材料为硅薄膜的时候，硅薄膜可以作为硬质掩蔽层传递后续的功能材料层。本专利技术一种基于共振腔结构实现大面积超分辨光刻方法，具体步骤如下：步骤1、在体硅材料上涂覆光刻胶；步骤2、在光刻胶上蒸镀金属材料；步骤3、在金属表面旋涂特殊感光层材料；步骤4、利用大面积激光干涉光源照明步骤3获得的结构，使特殊感光层材料感光，形成一定周期图形；步骤5、将步骤4所得的结构放到第二次照明条件下将共振腔结构中的光刻胶感光以获得表面等离子体干涉图形；步骤6、将步骤5的结构进行显影获得光刻胶图形。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)、本专利技术利用传统的大面积激光干涉光刻技术结合特殊的感光材料，实现了短波长的表面等离子体波的二次干涉，从而获得了超分辨的光刻图形，在不采用提高数值孔径方法的情况下，可以将激光干涉光刻的分辨力提高至少2倍，为大面积纳米图形掩模加工,特别是120nm及以下周期掩模的加工提供了一种替代技术。(2)、本专利技术提供了一种特殊的感光材料可以将大面积激光干涉的光场或者电子束加工的掩模透射光场转化成振幅型掩模光栅图形，提供了一种掩模复制的加工方式，通过二次加工的掩模使用，增加了原始掩模的使用寿命。(3)、本专利技术使用的特殊感光材料是直接涂覆或者沉积在金属膜层上的，因此不存在面形引起的空气间隙缺陷，为大面积均匀的光刻图形的实现奠定了基础。(4)、本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于共振腔结构实现大面积超分辨光刻方法，其特征在于：利用特殊感光层材料和共振腔结构，经过两次干涉过程，在硅材料上形成大面积超分辨光刻图形；其中，特殊感光材料在第一次传统干涉光场照明中透过率或/和折射率发生变化，并在第二次照明过程中充当振幅型掩模光栅。

【技术特征摘要】
1.一种基于共振腔结构实现大面积超分辨光刻方法，其特征在于：利用特殊感光层材料和共振腔结构，经过两次干涉过程，在硅材料上形成大面积超分辨光刻图形；其中，特殊感光材料在第一次传统干涉光场照明中透过率或/和折射率发生变化，并在第二次照明过程中充当振幅型掩模光栅。2.根据权利要求1所述的一种基于共振腔结构实现大面积超分辨光刻方法，其特征在于：两次干涉过程包括，第一次干涉光刻为传统的大面积激光干涉过程，第二次干涉为共振腔结构中形成的表面等离子体干涉过程。3.根据权利要求1所述的一种基于共振腔结构实现大面积超分辨光刻方法，其特征在于：共振腔结构由入射光方向往下依次由金属，介质，硅材料组成。4.根据权利要求1所述的一种基于共振腔结构实现大面积超分辨光刻方法，其特征在于：特殊感光层材料和共振腔结构中金属层的粘附性要优于共振腔结构中金属层和介质层的粘附性。5.根据权利要求1所述的一种基于共振腔结构实现大面积超分辨光刻方法，其特征在于：形成的大面积超分辨光刻图形可以通过刻蚀工艺传递到硅材料上。6.根据权利要求1所述的一种基于共振腔结构实现大面积超分辨光刻方法，其特征在于：大面积超分辨光刻图形可以是一维也可以是二维，二维图形可以是点或者孔，其二维图形的获得包括但不限于对入射光偏振性的调控。7.根据权利要求1所述的一种基于共振腔结构实现大面积超分辨光刻方法，其特征在于：大面积超分辨光刻图形可以是周期一定，线宽均匀的图形或/和周期一定线宽变化的图形，线宽的均匀性可以通过包括但不限于调整共振腔内金属和介质的厚度实现。8.根据权利要求2所述的一种基于共振腔结构实现大面积超分辨光刻方法，其特征在于：共振腔内第二次表面等离子体干涉可以一次性实现二次、四次倍频，具体的由第一次干涉光刻的图形周期决定；第一次传统干涉光刻所用的照明光源和第二次激发共振腔中的表面等离子体干涉的照明光源存在差异，该差异对应的特性包括和不限于，照明光源波长、照明光源强度、照明时间、偏振态、照明方向等，其作用在于确保第一次照明条件使特殊感光材料的透过率或/和折射率发生变化，并足以在第二次照明条件下形成正弦振幅型光场，且透过率或/和折射率不再发生变化，而第二次照明条件需使得共振腔中介质的化学或物理性质发生改变，以便记录或/和探测表面等离子...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗先刚，蒲明博，马晓亮，刘玲，王长涛，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51