基于双表面等离子激元吸收效应的纳米光刻

Lithography is one of the most important techniques to realize the large scale integrated circuits and the micro- & nano-structures. Surface plasmon polariton (SPP), a kind of special electromagnetic waves with lots of special physical features, such as plenty of modes, small mode volume, abnormal dispersion and so on, provides a new route to break the optical diffraction limit for nanolithography..This project proposes the new concept, two SPP absorption (TSPPA), and the relevant nanolithography. The TSPPA is a kind of nonlinear optical effect occurring in the photo-resist on the metal surface, which inherits the characteristics of both SPP and two photon absorption. Thus, the nanolithography based on TSPPA is promising of breaking the bottle neck of the conventional method and realizing the nano-scale patterns in large scale. This project would like to study the characteristics of SPP under the illumination of femto-second laser, the mechanism and features of TSPPA, how to increase the field of lithography and decrease the linewidth based on TSPPA effect, and how to realize the periodic and complicated patterns, aiming to get breakthough from the design to the key techniques.

光刻技术（Lithography）是实现大规模集成电路以及微纳结构加工极为重要的技术之一。表面等离子激元（Surface Plasmon Polariton, SPP）是一种存在于金属表面的与自由电子相互耦合振动的电磁场形式，其丰富的模式、较小的模式体积、异常色散等特性为实现超衍射纳米光刻提供了可能。.本项目提出双SPP吸收的新概念和纳米光刻方法。双SPP吸收是存在于金属表面光刻胶中的非线性光学效应，其继承了SPP的诸多独质和类似于双光子吸收的优点，因此，基于双SPP吸收的纳米光刻为突破现有光刻技术的瓶颈，实现大视场下超衍射纳米光刻提供了可能。本项目将针对飞秒激光脉冲作用下SPP的激励、传输和耦合的特性，双SPP吸收的物理机制和特性，SPP场增强效应和图形特征尺寸压缩的规律，以及大视场下周期和复杂纳米光刻图形的实现等问题展开研究，力争在理论设计、工艺实现到测试技术方面取得关键性突破。

本项目以实现大视场下超衍射纳米光刻为目标，基于双表面等离子激元（SPP）吸收的新概念和新的纳米光刻方法，借助双SPP吸收特有的物理性质，针对飞秒激光脉冲作用下SPP的激励、传输和耦合等物理问题，双SPP吸收纳米光刻在大视场下的实现，SPP场增强效应和图形特征尺寸压缩的规律，以及实现复杂纳米光刻图形等问题展开研究，在理论设计、工艺实现到测试技术方面取得关键性突破。取得的成果包括：.（1）在800nm飞秒脉冲激光照射下，实现了周期为240nm、线宽为70nm的光刻胶条纹，线条特征尺寸大大小于入射光波长，验证了双SPP吸收效应；通过改变曝光计量实现图形线宽在λ0/6 ~λ0/11（120nm~70nm）的范围内可调；（2）当入射光为400nm飞秒脉冲激光时，实现了基于双SPP吸收效应的纳米光刻，得到周期为~138nm、线宽为~70nm的光刻胶条纹，通过改变曝光时间，实现条纹线宽从~85nm到~50nm的有效调控；（3）实现多种基于双SPP吸收效应的复杂纳米光刻图形。实验制备了二维点阵（周期~230nm，圆点直径~120nm）和同心圆环图形（环纹线宽~70nm）；提出利用Ge薄层抑制SPP表面传播分量，为进一步实验实现复杂图形光刻提供了依据；（4）实现面积大于10mm*10mm的三维金属蜂窝结构的纳米加工技术，金属壁宽度小于80nm、深宽比达5:1、陡直度大于80度、金属壁粗糙度小于1nm；利用微球对飞秒激光的“纳米喷射”效应，在直径1μm的微球表面100nm厚的金膜上直接烧蚀出最小30nm线宽的图形；（5）引入人工双曲超材料极大降低产生切伦科夫辐射的电子能量（速度）阈值，打破产生该辐射的传统物理限制；同时实现了世界上第一个自由电子光源集成芯片。.双SPP吸收的纳米光刻方法为实现纳米光刻图形，压缩图形尺寸提供了可能的方法,成果受到国内外同行的关注，被国内外研究机构引用和评述。片上集成切伦科夫辐射芯片的研究成果在粒子探测、纳米光源、生物医学方向上具有重要的获得前景，成果入选2017年中国光学十大进展。