[发明专利]一种基于共振腔结构实现大面积超分辨光刻方法

说明书

本发明提出一种基于共振腔结构实现大面积超分辨光刻方法，在硅基底或硅膜层上制备包含有介质层和金属层的共振腔结构，在共振腔结构上制备一层特殊感光材料。上层感光材料在一定传统干涉光刻照明条件下透过率或/和折射率发生明显变化，并在第二次照明中作为振幅型掩模光栅使用。硅基底/感光材料/金属层组成的共振腔结构可以激发表面等离子体效应，并在共振腔体内实现上层感光材料形成的振幅型掩模光栅高频横向波矢的干涉，从而实现大面积的超分辨光刻。该方法与传统的干涉光刻相结合，通过共振腔结构的二次干涉效应，可将传统干涉光刻的分辨力至少提高2倍，为百纳米量级以下特征尺寸的硅基功能器件的制备提供了一种廉价的、简单的方法。

技术领域

本发明属于微纳光刻加工技术及微纳器件加工领域，具体涉及一种基于共振腔结构实现大面积超分辨光刻方法。

背景技术

光的干涉是光波动性的基本特征。当两束光波的频率相同，振动方向相同，并且拥有固定不变的相位差时，就能形成稳定的明暗交替的干涉条纹。这种强度周期性变化的条纹如果记录在感光层上会呈现出厚度周期性变化的图样，从而实现“光刻”，激光干涉技术就是基于此种原理。该技术具有无需掩模，大视场，长焦深等特点，现广泛应用于很多纳米图形及纳米器件加工等领域。激光干涉技术的分辨力d＝λ/(2sinθ)，对比密集(L/S＝1：1)结构，干涉光刻的极限CD为λ/4。显然，想要获得更高的分辨力，只有采用更短的激发波长。

表面等离子体(surface plasmon，SP)是金属中的自由电子受到外界的电磁扰动，在金属和介质的表面产生集体振荡的行为。和自由空间中的光波相比，SP具有短波长特性。利用该特性，罗先刚课题组使用周期300nm，缝宽50nm的Ag光栅，在436nm工作波长下获得了周期100nm的干涉条纹。之后，有研究小组利用金属-介质-金属的共振腔模式增强了干涉条纹的对比度，将激发光源进一步缩小到193nm的时候，模拟仿真上可获得22nm的分辨力。金属-介质-金属的共振腔模式利用底层金属对倏逝波的进一步共振放大可实现高分辨力、高对比度的干涉图形，但是考虑到共振腔的共振作用，中间介质层的厚度一般在50nm及以下，这就为金属图形的传递带来了困难。因为就一般金属材料而言，其和光刻胶的刻蚀比都很低。因此本发明提出了利用硅基材料代替原有共振腔结构中的底层金属，本方法可以利用深硅刻蚀工艺直接制备硅基器件，同时也可以用硅作为中间传递刻蚀的掩蔽层实现其他材料的刻蚀制备。

另一方面，传统用于激发共振腔体中表面等离子体干涉的光栅是用电子束光刻或者聚焦离子束加工的，在大面积加工方面成本昂贵。在本发明中，利用廉价的激光干涉技术获得周期性的光场使特殊感光材料的透过率或/和折射率发生改变，进而用作第二次表面等离子体干涉光刻的激发光栅。最终利用表面等离子体的短波长特性获得分辨力为百纳米及以下的大面积干涉图形，因此本发明也提供了一种百纳米量级以下大面积硅掩模的廉价制备方法。

发明内容

本发明的要解决的技术问题为：

(1)、目前大面积纳米图形掩模加工大都采用电子束加工的方式，本发明提供了一种120nm及以下周期大面积密集掩模加工的替代技术，能解决大面积纳米图形加工昂贵的问题；

(2)、表面等离子体光刻虽能实现较高的分辨力，但大都采用接触的光刻模式，这样会带来掩模的污染和损伤问题，减小掩模的使用寿命；

(3)、表面等离子体光刻中，掩模与光刻基片均为硬质材料，即便在压力作用下接触，二者因面形的差异必然存在厚度不均的间隙分布，从而影响表面等离子体光刻的成像对比度，从而导致大面积图形光刻效果分布差异，甚至严重缺陷。

(4)、表面等离子体光刻中传统的共振腔一般由金属-介质-金属组成的腔体结构构成，在实际应用中需要刻蚀底层金属后才能实现功能材料的传递，这样会带来光刻线条线边缘粗糙度增大，也会带来一定的金属污染问题。