基于表面等離子體的超分辨光刻理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、光刻技術(shù)是集成電路的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，其主要目的是將掩模板上的圖形復(fù)制到硅片上。整個(gè)芯片工藝所能達(dá)到的最小尺寸就是由光刻技術(shù)決定的。由于受光學(xué)衍射極限的約束，傳統(tǒng)光刻的分辨力只能達(dá)到半個(gè)波長(zhǎng)水平。通常情況下，人們通過減小工作波長(zhǎng)或者提高數(shù)值孔徑的方法提高光刻圖形的分辨力。但面臨著波長(zhǎng)持續(xù)縮短和數(shù)值孔徑極限的成本和技術(shù)障礙。分辨力受限的本質(zhì)在于攜帶物體精細(xì)結(jié)構(gòu)信息的高頻倏逝波傳播距離短，不能傳輸至像面參與成像所致。近年來，近場(chǎng)光學(xué)的迅速發(fā)展，

2、使得對(duì)倏逝波的操控和調(diào)節(jié)成為可能，以表面等離子體(SPs)為代表的突破衍射極限的方法受到了廣泛關(guān)注。
　　本論文主要是利用 SPs調(diào)控光波信息的傳輸，開展基于SPs的超分辨光刻理論和實(shí)驗(yàn)研究。主要內(nèi)容可分為三個(gè)部分：利用金屬/介質(zhì)多層膜超材料傳輸衍射受限的圖形信息實(shí)現(xiàn)一對(duì)一的超分辨光刻成像；利用超材料的濾波傳輸特性使得單一衍射級(jí)次的高頻倏逝波通過，并相互干涉產(chǎn)生深亞波長(zhǎng)的光刻圖形；分析膜層表面粗糙度對(duì)納米尺度光刻圖形質(zhì)量的影響。具

3、體研究?jī)?nèi)容和結(jié)果為：
　　1.基于SPs的超分辨成像光刻研究。一方面，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了多層膜結(jié)構(gòu)可以有效傳輸倏逝波提高光刻分辨力的理論。利用平面型金屬/介質(zhì)復(fù)合納米薄膜設(shè)計(jì)出可以傳輸物體精細(xì)結(jié)構(gòu)信息的超材料，通過共濺射方法制備復(fù)合多層膜，最終實(shí)驗(yàn)獲得了特征尺寸100 nm的亞波長(zhǎng)掩模的光刻圖像。另一方面，針對(duì)一對(duì)一成像形式的超分辨光刻中掩模圖形特征尺寸難以持續(xù)減小的問題，提出了一種超分辨縮小成像光刻結(jié)構(gòu)。主要是以金屬/介質(zhì)多層膜超材料為

4、基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出曲面-平面混合膜層結(jié)構(gòu)的光刻結(jié)構(gòu)，模擬結(jié)果表明任意間隔的縫隙的特征尺寸從100 nm可被縮小至28 nm(3.5倍縮小)。這種方法利用大特征尺寸的掩模獲得小特征尺寸的圖形，避免了小特征尺寸的掩模加工難題。
　　2.基于SPs的超分辨干涉光刻研究。限于表面?zhèn)鬏數(shù)腟Ps可干涉形成周期圖形，但存在干涉區(qū)域面積小、光場(chǎng)不均勻、掩模加工復(fù)雜的問題，本文提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種基于新型多層膜超材料的體等離子體(BPs)干涉光刻結(jié)構(gòu)。主

5、要是利用金屬/介質(zhì)多層膜構(gòu)造新型的等離子體超材料，它具有較窄的波矢量傳輸通帶窗口，可以選擇傳輸特定級(jí)次的衍射波，并在光刻膠層形成大面積的均勻深亞波長(zhǎng)干涉光刻圖形。作為示例，我們利用制備的超平埋入式掩模和多層膜超材料選擇傳輸雙束、四束BPs波，在光刻膠層干涉獲得均勻的半周期45 nm(~λ/8)的一維、二維光刻圖形。而且，進(jìn)一步計(jì)算表明，通過調(diào)節(jié)多層膜的幾何參數(shù)還可以獲得更小分辨力至22.5 nm(~λ/16)的周期圖形，以及六束BPs干

6、涉的蜂巢狀圖形。另外，借鑒傳統(tǒng)多波束干涉原理，系統(tǒng)研究了利用多束 BPs干涉獲得超衍射的多樣化圖形方法，推導(dǎo)出各干涉周期圖形的周期計(jì)算公式，完善了近場(chǎng)表面波干涉理論。這部分工作在納米光刻方面，提供了一種具有經(jīng)濟(jì)、可并行、大面積、圖形均勻等優(yōu)勢(shì)的加工方法。
　　3.納米膜層粗糙度檢測(cè)及其對(duì)光刻圖形質(zhì)量的影響分析。一方面，針對(duì)常用的銀/膠/銀三層膜構(gòu)成的SPs共振腔成像光刻結(jié)構(gòu)，結(jié)合模板剝離技術(shù)，檢測(cè)了金屬透射膜層的上、下表面粗糙度。

7、并從薄膜的生長(zhǎng)模式方面分析了不同襯底材料對(duì)生長(zhǎng)薄膜的表面粗糙度影響。另一方面，針對(duì)以單層膜超透鏡和多層膜超材料為基礎(chǔ)的兩種 SPs超分辨光刻結(jié)構(gòu)，比較分析了膜層粗糙度對(duì)光刻圖形質(zhì)量的影響，包括光刻圖形的邊緣粗糙度、光強(qiáng)度等關(guān)鍵參量。并從光學(xué)傳遞函數(shù)和 SPs傳輸模式等方面解釋了膜層和掩模缺陷在兩種光刻結(jié)構(gòu)中造成不同效果的原因，闡述了具有空間頻率選擇特性的光刻結(jié)構(gòu)對(duì)膜層缺陷容忍度較高的特點(diǎn)，并利用SPs波導(dǎo)光刻結(jié)構(gòu)驗(yàn)證了分析結(jié)果。這部分研