基于双曲色散材料的无掩模纳米光学光刻方法研究

To address physical disadvantages of nano-mask fabrication and near-field working range in surface plasmons lithography (SPL) technique, this project is proposed to achieve maskless optical nanolithography on basis of hyperbolic metamaterials (HMM). The reported results of SPL are mainly restricted in the near-field range, while this inevitably brings in the issues of mask fabrication and process control challenge etc. By utilizing sub-diffraction spectrum filtering characterization of HMM, HMM could convert propagating electromagnetic mode of far field light transmitting through absorbance-modulation layer (AML) to bulk plasmons polariton (BPPs) mode, while this enables to achieve maskless optical nanolithography on basis of HMM. In this project, the physical mechanism and method of mode conversion between propagating light and BPPs are needed to be further investigated. The maskless optical lithography method should be developed as for arbitrary complex pattern. The restricted factors and improving methods of resolution and quality of resist pattern with maskless optical nanolithography are further investigated. According to build the platform of maskless optical nanolithography with HMM, this project is hopefully to achieve maskless optical nanolithography of half-pitch 32nm, 22nm and beyond.

针对表面等离子体(Surface plasmons, SPs)光刻技术面临纳米掩模制备和近场范围工作的物理问题，提出基于双曲色散材料的无掩模纳米光学光刻方法研究。国际上已有报道的SPs光刻技术要求掩模位于近场空间范围，不可避免地带来掩模的制备和工艺控制难度大等问题。基于双曲色散材料的超衍射频谱滤波特性，双曲色散材料对远场光照射光吸收调制层后激发体等离子体基元(Bulk plasmons polaritons, BPPs)电磁模式，有望实现远场工作模式的无掩模纳米光学光刻。本项目通过进一步开展基于双曲色散材料实现远场光照明激发BPPs电磁模式转换的机制和方法研究；发展多样化复杂图形的无掩模纳米光学光刻方法；开展无掩模纳米光学光刻图形质量和分辨力的限制因素和提高方法研究；搭建基于双曲色散材料的无掩模纳米光学光刻平台，实现用于32nm、22nm及以下节点图形的无掩模纳米光刻。

表面等离子体（SP）光刻是一种潜在的超分辨力和低成本光刻方法,但仍受限于近场衍射极限(短工作距)与高纳米尺度掩模的高制造成本。针对目前等离子体光刻领域存在的理论和技术缺陷，本项目开展了基于双曲色散材料的体等离子体（BPPs）的超衍射传输特性与无掩模纳米光学光刻方法研究，主要成果包括：1）研究了双曲色散材料结构参数对BPPs传输效率和频谱滤波特性的影响规律，构建了双曲色散材料的等效数理模型。2）为了进一步缩小SP光刻干涉图形周期，利用Al/SiO2多层膜双曲色散材料的带通滤波特性，结合介质光栅耦合和Al反射场增强技术，实验验证了35nm线宽图形的制备工艺。3）针对传统干涉光刻技术干涉图形周期固定的缺陷，提出了一种基于BPPs的周期可调的深亚波长干涉光刻。通过调节入射角度改变BPPs模式的波矢，从而利用双曲色散结构形成周期可调的干涉图案。4）针对现有等离子体光刻技术掩模成本高的问题，提出了基于Al-PR-Al结构的分离式SP干涉光刻，实验上获得了32nm线宽的周期性光刻图形。该方法一方面降低了光刻工艺难度，另一方面延长了掩模的使用寿命。5）为了进一步提升SP光刻的曝光面积，提出了一种基于金属/介质/金属腔体结构的奇模SP干涉光刻方法，实验上获得了半周期 45nm(约λ/8)、深 50nm、面积20mm×20mm 的光刻图形。6）针对SP光刻工作距受限的问题，设计了双曲色散材料浸没离轴照明光束的照明源结构，结合SP共振腔透镜，在60nm工作距下，实现了32nm分辨力的光刻图形。7）利用双曲色散超材料传输高频SP模式结合径向极化照明，实现了传播距离80nm半高全宽保持62nm的近场Bessel-SP聚焦光束。总之，通过本项目的研究，厘清了SP光刻中材料的等效数理模型、高分辨力与高工作距系统的设计和制造等关键科学和技术问题，为SP光刻的进一步发展和应用推广奠定了一定的基础。