用于纳米结构功能器件的表面等离子体光刻技术研究

发布时间：2020-05-05 05:15

【摘要】：光刻是当今世界制备集成电路、微电子与光电子纳米功能器件的关键技术。受光学衍射极限的影响,传统光刻的分辨率只有半个波长左右。随着信息化与集成度的飞速发展,对高分辨率纳米结构功能器件的需求不断增长。现有商业化的高分辨率纳米制备技术,比如FIB、EBL等,存在诸如制备效率低、设备昂贵等问题。近年来新发展的表面等离子体(SP)光刻技术,可突破光学衍射极限而实现超分辨光刻。当前SP光刻技术主要针对密集光栅图形的分辨率验证研究,在应用于具体纳米功能器件制备方面还有大量工作需继续研究。本论文主要开展了用于纳米结构功能器件制备的SP光刻技术理论与实验研究。内容分为四个部分:一是奇模SP干涉光刻技术研究;二是腔体式SP成像光刻用于超表面全息图的制备研究;三是反射式SP成像光刻用于制备局域表面等离子体共振(LSPR)传感芯片的研究;四是高分辨率小分子体系i-线光刻胶的研究。具体完成内容如下:1.奇模SP干涉光刻技术研究。本文提出一种基于金属/介质/金属腔体结构的奇模SP干涉光刻方法,可获得大面积深亚波长光栅图形。理论研究表明奇模SP相对于偶模具有更大的横向波矢,腔体结构可有效调制电场分量,提高干涉光场的分辨率和对比度。实验上使用周期180nm的激发光栅与20nmAl/50nmPr/50nmAl腔体结构,获得半周期45nm(约?(14)8)、深50nm、面积20mm×20mm的光刻图形。同时工艺上采用膜层翻转与靶材掺杂技术来降低膜层粗糙度对干涉光场的负面影响。随胶厚的降低可进一步提高光刻分辨率,胶厚20nm时半周期分辨率为35nm。激发光栅尺寸为光刻图形的2倍,可使用常规的激光干涉制备,不需要EBL或FIB等昂贵设备制备。该方法有望为大面积纳米光栅的制备提供一种经济有效的方法。2.腔体式SP成像光刻用于超表面全息图的制备研究。相对于干涉光刻,成像光刻可制备图形类型更为灵活。超表面全息图一般为各向异性的纳米结构,具有强大的光束控制能力,在全息成像、防伪标识、存储等方面有较大的应用前景。而当前所报道的全息超表面几乎都是由FIB、EBL加工,低的加工效率与高昂的成本阻碍了其在实际应用方面的进展。本文设计了腔体式SP成像光刻结构用于超表面全息图的制备。模拟结果表明20nmAg/30nmPr/50nmAg的SP共振腔体既可以有效放大倏逝波又可以调制成像面的电场分量,相比于近场与超透镜光刻,有效提高了图形分辨率与保真度。为减少掩模与样品的接触污染问题,掩模图形区域设计了空气间隔层。在实验上,基于设计的光刻与刻蚀传递结构,获得单元特征尺寸95nm×175nm、周期300nm、面积9μm×9μm的小面积Au全息超表面,以及单元特征尺寸195nm×350nm、周期500nm、面积1mm×1mm的大面积彩色离轴全息超表面。在所制备样品上成功获得清晰的全息成像,验证了所提方案的可行性。该方法还具有批量制备纳米图形的能力,有望为超表面器件的批量制备提供一种经济有效的方法。3.反射式SP成像光刻用于LSPR生物传感芯片制备的研究。LSPR生物传感芯片具有灵敏度高、体积小等优势,在药物、生物等检测方面具有广泛的应用前景。但是当前传感芯片主要由纳米球自组装法、化学湿法合成等方式制备,存在图形可调形状有限、工艺可控性差等问题。本文提出反射式SP成像光刻来实现传感芯片的制备。基于入射光透过纳米孔的光强并不是均匀分布,而是从圆心向四周方向逐渐降低的原理,巧妙设计出圆孔沟槽掩模,通过调节曝光剂量可得到不同形貌的光刻图形,尤其是常规掩模设计难以实现的尖角菱形或尖角三角形结构纳米图形。作为示例,在设计的方阵排布的圆孔掩模下,实验上获得纳米沟槽、尖角菱形、以及圆点形等纳米图形,特征尺寸约50nm~150nm、周期500nm、面积8mm×8mm;在设计的错位排布的圆孔掩模下,获得纳米沟槽、尖角三角形、以及圆点形等纳米图形,特征尺寸约20nm~100nm,周期500nm,面积1mm×1mm。使用IBE刻蚀技术将光刻图形一步传递到Ag功能层,制备出一系列不同形貌的LSPR传感芯片。本文巧妙地使用Ag膜,即可作为产生SP的超材料来增强分辨率,也可作为传感芯片的功能材料,简化了实验工艺。该方法有望为大面积、高均匀性传感芯片的制备提供一种高分辨率且经济便捷的途径。4.高分辨率小分子体系i-线光刻胶的研究。受限于当前商业化i-线光刻胶不能满足SP超分辨光刻中高分辨率、超薄胶膜厚度、低线边缘粗糙度(LER)等需求。本文提出小分子体系i-线光刻胶的研制。在文献合成原理的基础上,通过合成条件的改进,制备出高纯度的PHS-DNB小分子材料的光刻胶。并且通过混合溶剂的方法,解决了胶本体溶解度差的问题,使得胶膜厚度在10nm~100nm范围可调,表面粗糙度小(RMS=0.42nm)。实验表明该胶具有高的对比度(PHS-39,?=5.4)与高的留膜率(大于90%),同时由于大量苯基的存在使得光刻胶具有优异的抗刻蚀性。并且通过对光刻工艺的研究与优化,实验获得一系列高质量纳米图形,半周期37.5nm时LER(3?)=4.49nm。相比于商业胶,该胶对半周期22nm与32nm的光刻图形质量也有显著提高。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN305.7

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