基于表面等离激元的无掩模并行纳米直写技术研究

本项目针对纳米科技对高分辨力、低成本的新型纳米直写技术迫切需求，提出利用表面等离子体激元(SP)超衍射特性，采用由多层金属介质薄膜构建SP耦合传输结构材料的思路，利用狭缝结构调控SP传输和形成纳米尺度焦斑，并用于纳米直写技术研究。主要研究SP纳米聚焦原理，器件结构设计、制备和表征方法；配套纳米直写关键单元技术，如近场工作距监测和控制技术、多通道可编程照明技术等；搭建紫外激光束纳米直写实验装置，完成32nm线宽纳米图形制备。相对国内外同类研究，本项目研究的SP纳米直写器件具有分辨力高、调制能力强和能量收集面积大的优势，同时通过理论和工艺研究可解决近场焦斑畸变和光刻图形对比度低、焦深浅的关键问题。项目研究成果将形成纳米加工源头技术的新原理和新方法，为具有自主知识产权的装备研制奠定重要基础，对推动我国相关科研和产业发展进步具有重要意义。

由于光波衍射效应，传统物镜可获得最小焦斑尺寸仅为半个波长左右，导致激光直写分辨力受限。近年来，利用亚波长金属结构，科研人员发现了一系列与表面等离子体(surface plasmon，SP)相关的奇异光学现象，如光异常透射、超衍射光传输、超透镜等，为打破传统分辨力衍射极限提供了物理基础。开展SP纳米光学加工研究难点和瓶颈问题在于，设计功能结构激发、操纵超衍射光场和实现超分辨聚焦，提高分辨力、拓展焦深和作用距离，设计和搭建超分辨直写光刻装置，提升纳米光刻质量的工艺方法等。本项目主要研究成果如下。.1)我们首次研究发现“光学悬链线结构”在亚波长空间连续调控光场位相分布的现象，解决了传统位相调控单元尺寸大、空间离散、效率低等问题，基于该方法设计和实现了纳米平面透镜等纳光子器件，光能利用率相比同类器件提升1~10倍。在此基础上，结合离轴照明技术实现了全色三维全息成像，及在波长400~800nm范围获得了宽带超振荡聚焦透镜。相关研究发表在Science Advances 1,e1500396,2015、Science advances 2, e1601102,2016、Laser Photonics Rev.9,713,2015等国际学术期刊，被Laser focus world、physics.org、Nanowerk、Technology.org、中国科学院等十余家国际媒体报道，被评价为“自然界启发现代光学发展的完美例证”，入选“2015中国光学重要成果”。.2)针对表面等离子体聚焦焦深浅、作用距离短等难题，我们提出基于Bowtie-金属-介质-金属光刻结构、基于双曲色散材料的Bessel－SP聚焦、SP法诺共振超分辨聚焦等方法，相比于传统结构，聚焦深度提高了约5倍。相关结果发表在Nanoscale 8,1635,2016等期刊。.3) 设计和搭建了并行纳米直写光刻实验系统，采用柔性铰链和PSD光杠杆检测方法，解决了直写头姿态监测、间隙等关键技术问题。在365nm紫外半导体光源条件下，实现特征尺寸31nm，1×4阵列并行直写，最大基片4英寸。.4)针对SP超分辨光刻曝光深度浅、图形质量差的关键问题，提出了SP共振腔结构光刻方法，在365nm光源下，获得22nm线宽分辨力（约1/17入射光波长）光刻结果及半周期32nm，深度80nm的刻蚀结果。相关结果发表于APL，2015。