[发明专利]基于表面等离子体共振腔的超深亚波长可调谐纳米光刻结构与方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米量级器件的光刻制作方法，具体涉及一种基于表面等离子体效应的纳米光刻方法。

背景技术

随着纳米科技的快速发展，纳米量级器件的制作显得异常重要。光蚀刻微影法由于其易于复制、制作成本低以及适合大区域的制作等优点而被广泛应用。但是该光刻技术的加工尺寸受到光学衍射极限的限制，很难突破半波长量级的分辨率。目前提高分辨率的一种主要方法是使用更短波长的光源，如极紫外光源（EUV）、软X光、原子束，但是短波长的光学曝光光源难于制作，使用寿命短，配套的透镜材料和掩模版难以选择，同时相应匹配的光阻剂（光刻胶）的开发困难，导致这些方法的成本高，工艺方法复杂，进一步提高分辨率的能力受到制约。

文献Luo, X.; Ishihara, T. Opt. Exp. 2004, 12, 3058.中公开了一种基于金属和电解质表面等离子体（SPPs）效应的新型光刻方法，设置一层金属薄膜层，在金属薄膜层上设有远小于入射光波长的狭缝，形成金属光栅层，由此在金属光栅层与光刻胶之间产生了基于金属和电解质的表面等离子体(SPPs)效应，由于在相同光频率下，SPP的波矢比普通光源大很多，这就出现了“可见光频率，X光量级的波长”，利用该表面等离子体的光刻法所得到的分辨率比传统的衍射极限大很多。如入射光波长为436nm，采用一维银光栅，光栅周期为300nm，可以得到周期为100nm的条纹；入射波长为365nm，二维Ag光栅周期为200nm，可以得到周期为100nm的点阵。文献中也公开了类似的方法。

采用上述方法可以实现较高分辨率的光刻，但是，在入射光波长确定后，改变光刻胶厚度对刻蚀光栅周期没有影响，改变金属光栅的厚度对光栅周期的影响也很小，因此，用该方法进行刻蚀时，所刻蚀的光栅的周期可调范围小，即刻蚀条纹的分辨率几乎不可调。一个金属光栅模板只能产生一个固定周期的光栅结构。

因此，如何克服现有技术在分辨率、可调谐性及曝光深度方面的局限性，是纳米器件制作中需要解决的一个问题。

发明内容

本发明目的是提供一种基于表面等离子体效应的超深亚波长纳米光刻方法，所产生的纳米光栅分辨率高于现有传统表面等离子技术，同时，刻蚀纳米光栅的分辨率可以方便地调节；本发明同时提供一种实现上述方法的结构。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于表面等离子体效应的超深亚波长纳米光刻结构，所述光刻结构依次包括透明的上基底层、金属光栅层、光刻胶层和下基底层，在所述光刻胶层和下基底层之间设置有金属薄膜层，所述金属光栅层、光刻胶层和金属薄膜层一起构成表面等离子体的共振腔结构。

上述技术方案中，所述金属光栅层的周期不超过3000nm，厚度为不超过500nm。金属光栅周期越大，越容易制作；但如果光栅周期过大，则相邻两缝中央处的条纹强度比靠近两缝处的条纹强度低，不利于在光刻胶中形成强度均匀的条纹。

所述光刻胶层的厚度不超过80nm。光刻胶层的厚度决定了上金属光栅层/光刻胶层界面发生的表面等离子体效应与下金属层/光刻胶层界面发生的表面等离子体效应进行有效耦合的厚度，如果光刻胶太厚，两者就不能有效耦合。

所述金属薄膜层的厚度不小于5nm。如金属膜厚度太薄，下金属层/光刻胶层界面发生的表面等离子体效应太弱，以至于上金属光栅层/光刻胶层界面发生的表面等离子体效应与下金属层/光刻胶层界面发生的表面等离子体效应没有共振耦合。

一种基于表面等离子体效应的超深亚波长纳米光刻方法，采用上述的光刻结构进行光刻，入射光通过上基底层和金属光栅层后，在光刻胶层上曝光，获得光刻图像。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1．本发明的共振腔由金属光栅、光刻胶层、金属薄膜层组成，所产生的纳米条纹分辨率高于现有传统表面等离子体技术，同时可以通过调节光刻胶的厚度来改变条纹的分辨率，突破了传统利用表面等离子体光刻技术在分辨率、调谐性以及曝光深度方面的局限性。