探针诱导表面等离子体共振光刻装置及其光刻方法制造方法及图纸

一种探针诱导表面等离子体共振光刻装置及其光刻方法，该装置由表面等离子体激发装置、探针控制装置、样品台、探针状态检测装置、光学显微镜和控制系统组成。该装置具有光刻所需激光功率低、光刻分辨率高、不易损坏探针、光刻膜层简单的特点，该装置还具有原子力显微镜的功能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光刻装置，特别是一种探针诱导表面等离子体共振光刻装置及其光 刻方法。
技术介绍
随着纳米加工、微电子机械系统(MEMS)、集成电路等技术的迅速发展，为 其服务的光刻技术也成了各国研究的焦点。在半导体产业中应用的光刻技术正沿着 UV-DUV-EUV的技术路线快速发展，在一定程度上满足了微纳器件特征尺度进一 步缩小的要求。然而，在纳米加工、MEMS和一些特殊集成电路方面，由于产品个 性化、小批量和更新周期变短等特点，无法使用大规模集成电路所采用的技术进行 加工，且半导体产业中应用的光刻机价格昂贵，动辄数亿元的投资也为光刻技术的 利用筑起了很高的门槛。研发具有成本低、操作简单、分辨率高等特点的光刻设备 就成了光刻技术发展的一个重要分支。目前，在这个分支上己经有多种技术产生， 像激光直写技术、探针刻蚀技术和近场光学光刻技术等。在近场光学光刻技术方面，美国贝尔实验室的Betzig等采用锥形光纤探针的近 场扫描光学显微镜(简称为NSOM)，在传统的光刻胶上很容易地实现了约为100nm 的光刻线，显示了在近场光学中光点不受衍射极限影响的优点。但是这一光刻方法 采用的光纤探针容易损坏，光纤探针内锥形区域的光的传递效率极低，为10—6; NSOM光刻速度慢， 一般为5um/s左右，而且光刻范围很小，最大只有100ixmX 100 y m左右，实际应用受到很大限制。Kuwahara等将超分辨近场结构用于光刻， 并在可见光照射下刻出了线宽小于100nm的沟槽。至今超分辨近场结构光刻技术 已经实现了 50nm以下的记录点，具有非常好的前景。但近年来的研究也发现了不 少问题 一是超分辨掩膜容易出现热疲劳现象而导致超分辨性能下降；二是采用贵 金属(如铂、金和钯等)和多层结构(目前有的达到9层)，制作工艺复杂、成本 昂贵；三是需要利用盘状介质高速旋转中的动态效应，难以应用于任意形状的图形 刻蚀。探针诱导表面等离子体共振光刻技术属于近场光学光刻技术的范畴，其利用探 针在近场距离(非接触)内对介质/金属层界面形成的表面等离子体共振增强场进行扰动，使得耦合积聚的光能在临近探针的区域内传播，从而在探针处实现高能量 光的泄漏，进而在介质表面上实现刻蚀。该技术的原理虽然已经被提出，但是与之对应的光刻装置还没有出现，因此设 计一种与之对应的光刻装置就成为很有必要的工作。
技术实现思路
本专利技术的目的在于根据探针诱导表面等离子体共振光刻原理，提供一种探针诱 导表面等离子体共振光刻装置及其光刻方法，该装置具有光刻所需激光功率低、光 刻分辨率高、不易损坏探针和光刻膜层简单的特点，该装置还具有原子力显微镜的 功能。本专利技术的技术解决方案是一种探针诱导表面等离子体共振光刻装置，其特点是该装置由表面等离子体激 发装置、探针控制装置、样品台、探针状态检测装置、光学显微镜和控制系统组成① 所述的表面等离子体激发装置为在样品表面产生表面等离子体共振，为光刻 提供能量源，该等离子体激发装置由光刻激光器、扩束镜、第一反射镜、聚焦镜、 小半球凸透镜、折射率油和样品组成，其位置关系是由所述的光刻激光器出射的 平行光经扩束镜扩束、第一反射镜反射和聚焦镜会聚后，经所述的小半球凸透镜、 折射率油聚焦在所述的样品的上表面，所述的折射率油位于所述的小半球凸透镜的上平面和所述的样品之间，所述的折射率油的折射率与所述的小半球凸透镜的折射 率相同；② 所述的探针控制装置由探针及探针座、 一维压电陶瓷、支架、螺纹副和电机 构成，所述的探针及探针座固定在所述的一维压电陶瓷上，该一维压电陶瓷、螺纹 副和电机均安装在所述的支架上，所述的支架通过电机和两个螺杆的轴端与所述的 样品台的底座接触连接，所述的一维压电陶瓷驱动所述的探针及探针座在竖直方向 上移动，所述的螺纹副用于手动调节所述的探针及探针座的高度，所述的电机用于 驱动所述的探针在竖直方向上自动逼近所述的样品；③ 所述的样品台由底座、二维压电陶瓷、样品夹持器构成，所述的二维压电陶 瓷置于所述的底座上并与所述的样品夹持器相连，所述的样品夹持器是样品放置和 固定的平台，所述的二维压电陶瓷驱动所述的样品夹持器带动所述的样品在水平方 向上的运动，以调节样品的光刻位置；④ 所述的探针状态检测装置由检测激光器、会聚镜、第二反射镜、第三反射镜、 成像镜和四象限探测器组成，其位置关系是由所述的检测激光器发出的激光经所 述的会聚镜会聚后经第二反射镜反射，会聚点落在所述的探针及探针座的探针针尖 背面，由该探针针尖背面反射的反射光经第三反射镜反射、所述的成像镜成像在所 述的四象限探测器上，用于检测探针针尖的形变从而确定探针针尖与样品之间的压 力大小；⑤ 所述的光学显微镜位于所述的样品台和所述的探针状态检测装置的正上方， 用于观察样品和探针针尖的位置；(D所述的控制系统分别与所述的光刻激光器、 一维压电陶瓷、电机、二维压电 陶瓷和四象限探测器相连，根据所述的四象限探测器提供的数据，得到探针与样品 表面之间的状态，驱动所述的样品台运动，控制表面等离子体激发装置在所述的探 针针尖与样品表面之间产生表面等离子体共振，进行光刻。所述的光刻激光器为脉冲可调的半导体激光器，或由固体连续激光器或气体激 光连续器与光调制器组成的脉冲激光器系统。所述的电机为伺服电机或步进电机。所述的检测激光器可为各种连续激光器。所述的光学显微镜是人眼观察的显微镜，或是电荷耦合器件，或互补式金属氧 化物半导体作为接收器件的显微镜。所述的聚焦镜、会聚镜、成像镜是一块透镜或由多快透镜组成的透镜组构成的。 所述的控制系统是一台计算机，或由计算机和控制箱组成。利用上述的探针诱导表面等离子体共振光刻装置进行光刻的方法，包括如下步骤① 将样品放置在所述的样品台的样品夹持器上并固定；② 调节第一反射镜的位置，使由第一反射镜反射的光束经聚焦镜聚焦后的光束 与样品上表面的夹角与样品的表面等离子体共振角相等；③ 调节所述的螺纹副和驱动所述的电机，使所述的探针针尖向所述的样品表面 逼近，逼近过程中通过光学显微镜和探针状态检测装置进行检测，直至所述的探针 针尖与样品表面之间的距离接近所述的一维压电陶瓷的量程的中间值，所述的支架 大致水平；④ 在所述的控制系统的控制下，按下述流程进行光刻⑤ 驱动所述的二维压电陶瓷促动所述的样品夹持器带动所述的样品，使样品的 待刻点位于所述的探针针尖的下方；⑥ 驱动所述的一维压电陶瓷使所述的探针针尖进一步逼近样品并与样品表面 保持几个纳米的距离；⑦ 触发所述的光刻激光器发射出一个激光脉冲，在所述的样品的表面激发出表面等离子体并产生共振，在所述的样品与探针针尖之间产生局域增强场，利用此局 域增强场产生的高温在样品的表面刻蚀出光刻点；⑧ 重复上述步骤⑤、◎、⑦，直至所有的待刻点完成光刻；⑨ 光刻完成后，启动所述的电机驱动探针针尖离开所述的样品表面。本专利技术探针诱导表面等离子体共振光刻装置还具有具有原子力显微镜的功能， 利用本专利技术探针诱导表面等离子体共振光刻装置对光刻后的样品进行原子力扫描 的方法，包括如下步骤① 控制所述的二维压电陶瓷，使探针针尖位于待扫描区域起点的上方；② 根据采集四象限探测器的信号控制所述的一维压电陶瓷，使所述的探针针尖 接触所述的样品表面并保持压力值恒定，或保本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种探针诱导表面等离子体共振光刻装置，其特征在于该装置由表面等离子体激发装置、探针控制装置、样品台、探针状态检测装置、光学显微镜和控制系统组成：　①所述的表面等离子体激发装置为光刻提供能源，该等离子体激发装置由光刻激光器、扩束镜、第一反射镜、聚焦镜、小半球凸透镜、折射率油和样品组成，其位置关系是：所述的折射率油位于所述的小半球凸透镜的上平面和所述的样品之间，所述的折射率油的折射率与所述的小半球凸透镜的折射率相同，由所述的光刻激光器出射的平行光经扩束镜扩束、第一反射镜反射和聚焦镜会聚后，经所述的小半球凸透镜、折射率油聚焦在所述的样品的上表面；　②所述的探针控制装置由探针及探针座、一维压电陶瓷、支架、螺纹副和电机构成，所述的探针及探针座固定在所述的一维压电陶瓷上，该一维压电陶瓷、螺纹副和电机均安装在所述的支架上，所述的支架通过电机的轴端和螺纹副的轴端位于所述的样品台的底座上，所述的一维压电陶瓷驱动所述的探针及探针座在竖直方向上移动，所述的螺纹副用于手动调节所述的探针及探针座的高度，所述的电机用于驱动所述的探针在竖直方向上自动逼近所述的样品；　③所述的样品台由底座、二维压电陶瓷、样品夹持器构成，所述的二维压电陶瓷置于所述的底座上并与所述的样品夹持器相连，所述的样品夹持器是样品放置和固定的平台，所述的二维压电陶瓷驱动所述的样品夹持器带动所述的样品在水平方向上的运动，以调节样品的光刻位置；　④所述的探针状态检测装置由检测激光器、会聚镜、第二反射镜、第三反射镜、成像镜和四象限探测器组成，其位置关系是：由所述的检测激光器发出的激光经所述的会聚镜会聚后经第二反射镜反射，会聚点落在所述的探针及探针座的探针针尖背面，由该探针针尖背面反射的反射光经第三反射镜反射、所述的成像镜成像在所述的四象限探测器上，用于检测探针针尖的形变从而确定探针针尖与样品之间的压力大小；　⑤所述的光学显微镜位于所述的样品台和所述的探针状态检测装置的正上方，用于观察样品和探针针尖的位置；　⑥所述的控制系统分别与所述的光刻激光器、一维压电陶瓷、电机、二维压电陶瓷和四象限探测器相连，根据所述的四象限探测器提供的数据，得到探针与样品表面之间的状态，驱动所述的样品台运动，控制表面等离子体激发装置在所述的探针针尖与样品表面之间产生表面等离子体共振，进行光刻。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵成强，徐文东，洪小刚，李小刚，唐晓东，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[]