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文檔簡(jiǎn)介
1、<p><b> 中文4500字</b></p><p> 出處:Xie Z, Yu W, Wang T, et al. Plasmonic Nanolithography: A Review[J]. Plasmonics, 2011, 6(3):565-580.</p><p> 綜述:等離子體納米光刻</p><p> Z
2、hihua Xie &Weixing Yu & Taisheng Wang &</p><p> Hongxin Zhang & Yongqi Fu & Hua Liu & Fengyou Li &</p><p> Zhenwu Lu & Qiang Sun</p><p> 接收于2011年1
3、月9日/承認(rèn)于2011年5月23日/網(wǎng)上出版于2011年5月31日</p><p> ©斯普林格科學(xué)+商業(yè)傳媒,LLC2011</p><p><b> 摘要</b></p><p> 表面等離子體激元(SPPs)在最近十年間引起了極大的關(guān)注,并且由于不受衍射極限限制</p><p> 的能力而被成功應(yīng)
4、用到納米級(jí)光刻中。這篇文章回顧了被認(rèn)為是下一代納米光刻最卓越的技術(shù)之一的等離子體納米光刻近期的發(fā)展。納米光刻實(shí)驗(yàn)建立在SPPs效應(yīng)的基礎(chǔ)上。從細(xì)節(jié)回顧三種類型的等離子體納米光刻措施:接觸式納米光刻,透鏡成像式納米光刻,和直寫式納米光刻,并且相應(yīng)的分析對(duì)比它們的優(yōu)缺點(diǎn)。最后,暗示了等離子體納米光刻的發(fā)展趨勢(shì)。</p><p> Z. Xie : T. Wang : H. Zhang : H. Liu : F. L
5、i : Z. Lu : Q. Sun</p><p><b> 光電子工程中心,</b></p><p> 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,</p><p><b> 中國(guó)科學(xué)院,</b></p><p> 長(zhǎng)春,吉林130033,中國(guó)</p><p> Z. Xie
6、 : T. Wang</p><p> 中國(guó)科學(xué)院研究生院,</p><p> 北京100039, 中國(guó)</p><p><b> W. Yu (*)</b></p><p> 應(yīng)用光學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,</p><p> 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,</p><p&
7、gt;<b> 中國(guó)科學(xué)院,</b></p><p> 長(zhǎng)春,吉林130033,中國(guó)</p><p> 郵箱:yuwx@ciomp.ac.cn</p><p><b> Y. Fu (*)</b></p><p><b> 物理電子學(xué)院,</b></p>
8、<p><b> 電子科技大學(xué),</b></p><p> 成都610054,四川省,中國(guó)</p><p> 郵箱:yqfu@uestc.edu.cn</p><p><b> 關(guān)鍵字</b></p><p> 等離子體納米光刻,接觸式納米光刻,透鏡成像式光刻</p>
9、;<p><b> 介紹</b></p><p> 光刻技術(shù)和電子束蝕刻技術(shù)相比,由于它的高生產(chǎn)量和更有效率的成本,縱觀最近幾十年的光寫技術(shù),被認(rèn)作是半導(dǎo)體工業(yè)制作技術(shù)的主流。更高的產(chǎn)量,更低的成本,更好的解決方案,以及對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化是我們通常追求的目標(biāo)。之前已開(kāi)發(fā)了多種納米光刻技術(shù),比如電子束蝕刻,納米壓印光刻,浸潤(rùn)筆光刻等等。對(duì)于電子束蝕刻,低于10nm的最小分辨率已
10、經(jīng)被展示了,但此項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)量很低,以至于它主要用于遮片的制作而非大規(guī)模生產(chǎn)。隨著低于10nm工藝和高產(chǎn)量的解決,納米壓印光刻被應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)。然而,作為一種替代措施,納米壓印光刻仍然存在一些問(wèn)題。其中一個(gè)問(wèn)題就是在壓印過(guò)后的剩余抗蝕層可能會(huì)限制它的應(yīng)用。浸潤(rùn)筆光刻和電子束光刻一樣有低產(chǎn)量的缺點(diǎn)。除了上述技術(shù),光子光刻也是納米光刻的一項(xiàng)重要技術(shù)。納米光刻中傳統(tǒng)的光子光刻包括光學(xué)投影光刻(193浸潤(rùn)式光刻),X射線光刻,超紫外光刻,波帶片
11、陣列光刻等等。光學(xué)投影光刻由于它的高產(chǎn)量主要應(yīng)用于工業(yè)。但是隨著更小特征尺寸的要求,傳統(tǒng)的光學(xué)投影光刻不可以解決由于衍射極限限制而導(dǎo)致的問(wèn)題。一般而言,提高光學(xué)投影光刻的分辨率是通過(guò)減小照射光波長(zhǎng)或增大數(shù)值孔徑來(lái)實(shí)現(xiàn)的,這也導(dǎo)致很多復(fù)雜</p><p> 近場(chǎng)光學(xué)光刻提供了一種新的擺脫衍射極限限制并且實(shí)現(xiàn)不受理論限制的分辨率。最近,報(bào)道了很多不同類型的近場(chǎng)光刻。傳統(tǒng)的近場(chǎng)光刻通過(guò)使用諸如光耦合薄膜或相移薄膜等特
12、殊的薄膜已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了低于50nm級(jí)別的分辨率。但是近場(chǎng)光刻的一個(gè)最主要缺點(diǎn)就是光的透射比很低。對(duì)于薄膜上小于照射波長(zhǎng)的孔徑,因?yàn)榻^大部分的光被衍射和反射,抵達(dá)抗蝕層的光便極少。這導(dǎo)致了曝光時(shí)間很長(zhǎng)和照片對(duì)比度低。</p><p> 新近,基于表面等離子體激元(SPPs)理論發(fā)展的近場(chǎng)光學(xué)被用于進(jìn)一步改善近場(chǎng)光刻分辨率的目的。表面等離子體(SPs)是存在于金屬或電介質(zhì)界面的聚集電子。SPs有它自己獨(dú)特的色散關(guān)系,這
13、種色散關(guān)系也決定了超越衍射極限的分辨率,它可以用等式(1)來(lái)表示</p><p><b> ?。?)</b></p><p> 其中,是真空中光的波長(zhǎng),和分別是電介質(zhì)層和金屬層的介電常數(shù)。從色散方程,我們可以得到表面等離子體的波長(zhǎng)比真空中光波波長(zhǎng)短,較短的波長(zhǎng)對(duì)于超越衍射極限的分辨率起作用。表面等離子體以兩種形式存在,傳播形式和局域化形式。在光滑薄膜上,表面等離子體
14、激元在金屬介質(zhì)表面以倏逝電磁波的形式傳播,這是金屬表面自由傳導(dǎo)電子集體振蕩的結(jié)果。通常,由于光波和等離子體波的動(dòng)量不匹配,表面等離子體激元不易被激發(fā)。帶有孔徑排列和周期分布的金屬薄膜可以補(bǔ)償不匹配的動(dòng)量進(jìn)而激發(fā)表面等離子體激元。局域表面等離子體共振并非在水平面?zhèn)鞑?,而是限制了隔離納米粒子附近表面的電磁場(chǎng)。對(duì)于單一的亞波長(zhǎng)孔徑,由于局域化表面等離子體的存在,傳播可被增強(qiáng)。至于周期性的孔徑陣列,傳播的增強(qiáng)則是由局域化等離子體和表面等離子體的
15、完整效應(yīng)引起的。基于表面等離子體理論的光刻技術(shù)被稱為等離子體光子光刻。對(duì)于等離子體光子光刻,由于透射比的增大,分辨率和對(duì)比度可被顯著提高。最近,有很多基于表面等離子體的光刻實(shí)驗(yàn)。計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真顯示了使用365nm波長(zhǎng)的照射光可以達(dá)到20nm的分辨率??瓷先サ入x子體光子光刻擁有滿足高分辨率的潛力。在這篇文章中,我們首先會(huì)</p><p><b> 等離子體納米光刻</b></p>
16、<p> 一般的說(shuō),等離子體納米光刻依照曝光措施可以被分成三種類型:接觸式納米光刻,平面透鏡成像納米光刻,和直寫式納米光刻。在接下來(lái)的章節(jié),我們會(huì)把實(shí)驗(yàn)分成上述三種類型盡可能多的回顧等離子體納米光刻。</p><p><b> 等離子體接觸式光刻</b></p><p> 等離子體接觸式光刻是一種為了提高亞波長(zhǎng)成像質(zhì)量的模式化的倏逝近場(chǎng)光學(xué)光刻。在
17、此項(xiàng)措施中,源于金屬薄膜的光刻膠暴露在表面等離子體激元下。由于表面等離子體激元僅在金屬薄膜以下幾十個(gè)納米傳播,薄膜和光刻膠的緊密接觸就很有必要。使用此項(xiàng)技術(shù)付出了很多的努力。</p><p> 在2005年,Srituravanich et al.實(shí)驗(yàn)性的證明了通過(guò)在銀薄膜使用平面孔徑的方法把納米光刻的半節(jié)距分辨率縮小到了60nm.光源是一個(gè)峰值輻射為365nm的過(guò)濾汞燈。原理圖如圖1a所示。薄膜由帶有周期性分
18、布的二維孔徑的銀薄膜層組成,銀薄膜層上下為硅層和光刻膠層(折射率分別為1.48和1.57)。銀層厚度為40nm,孔陣列周期為120nm,孔的直徑為60nm。為了增加銀層和硅層的粘附力,降低表面粗糙程度,銀層和硅層中間有一個(gè)3nm厚的粘附層。通過(guò)這種結(jié)構(gòu),小特征尺寸可以以很小的表面粗糙度耦合到銀層中,如圖1b所示。</p><p> Fig. 1 a Schematic of lithography setup
19、designed by Srituravanich et al. </p><p> b The silver mask with hole array used in this experiment</p><p> 圖1 a 由Srituravanich et al設(shè)計(jì)的光刻結(jié)構(gòu)原理圖</p><p> b 實(shí)驗(yàn)中帶有孔徑陣列的銀層</p>
20、<p> 一層15nm厚光刻膠的墊層覆蓋在銀層上。負(fù)性光致抗蝕劑(SU-8)直接覆蓋在隔離層上,并且聚合在薄膜上以消除光刻過(guò)程中薄膜和光刻膠之間的間隙差異。特征尺寸小至60nm(相當(dāng)于)的二維孔徑陣列可以通過(guò)暴露在照度為80mJ/cm2的光中獲得,如圖2所示。光刻膠的特征尺寸和薄膜上模式尺寸一樣。因此,分辨率主要受薄膜分辨率限制。由于表面等離子體激元在這種情況下非常短的傳播長(zhǎng)度(<20nm),模式保真度格外高。值得
21、注意的是由于鋁層可以在紫外范圍激發(fā)等離子體激元,鋁層也可以作為薄膜,Srituravanich et al已經(jīng)成功的使用365nm波長(zhǎng)的光源獲得了170nm周期的低于100nm的點(diǎn)陣模式。但是,通過(guò)使用商業(yè)有限差異時(shí)域軟件(微軟制作)的計(jì)算仿真結(jié)果顯示,在平面波(=365nm)照射下,通過(guò)銀孔徑陣列的電場(chǎng)傳播在電場(chǎng)強(qiáng)度上有一個(gè)明顯的增強(qiáng),與通過(guò)鋁孔徑陣列對(duì)比,場(chǎng)的分布也被緊緊限制。因此,可以推斷,在365nm波長(zhǎng)的照射下,銀層可以比鋁層
22、實(shí)現(xiàn)更好的模式。</p><p> Shao et al.開(kāi)發(fā)了一個(gè)與上述類似的表面等離子體輔助的納米光刻系統(tǒng),光源是紫外光源。光罩使用帶有光柵模式和環(huán)狀孔徑的70nm鈦合金制作。薄膜與光刻膠直接接觸,沒(méi)有分隔層。為了聚集光刻膠的光強(qiáng)以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的納米級(jí)模式并吸收到達(dá)底片的光,在光刻膠和底片之間有一層80nm后的鈦合金保護(hù)物。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,孔徑數(shù)量和周期都是影響光刻結(jié)果的關(guān)鍵因素。周期為400nm的光柵可以相當(dāng)
23、好的轉(zhuǎn)移,并且在抗蝕層可以獲得35nm高的模式。然而,擁有單一孔徑模式不可以轉(zhuǎn)移到抗蝕層,這也預(yù)示了薄膜的表現(xiàn)主要取決于薄膜上孔徑的形狀和孔徑尺寸。</p><p> Zayats和Smolyaninov提出一項(xiàng)實(shí)現(xiàn)單一亞波長(zhǎng)孔徑高透射比的措施。他們闡述了與均勻單一介質(zhì)層金屬薄膜相比,由于被周期性結(jié)構(gòu)薄膜激發(fā)的光與等離子體的耦合,在多層金屬介質(zhì)上單一亞波長(zhǎng)孔徑中的光學(xué)傳播可以被明顯增強(qiáng)。</p>
24、<p> Fig. 2 AFM image of the exposure pattern. </p><p> 圖2 曝光模式的AFM照片</p><p> 與均勻薄膜上相同尺寸的孔徑相比,這項(xiàng)舉措把光學(xué)傳播增加了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。此外,多層金屬薄膜傳統(tǒng)上可以通過(guò)成熟的薄膜積淀技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這項(xiàng)措施可以應(yīng)用于光刻技術(shù)中而且可能導(dǎo)致一個(gè)更好的結(jié)果。光刻上的應(yīng)用將會(huì)在實(shí)驗(yàn)上不斷證明
25、。類似的,光子光刻原理使用了一個(gè)設(shè)計(jì)的可以產(chǎn)生亞波長(zhǎng)特征尺寸的多層金屬—電介質(zhì)薄膜。一般而言,光刻膠中的模式構(gòu)造原理與薄膜中一樣。然而,大量的實(shí)驗(yàn)證明可以實(shí)現(xiàn)更小的特征尺寸,比如,一個(gè)周期為400nm的光柵薄膜結(jié)構(gòu),在光刻膠中可以構(gòu)造67nm的光柵結(jié)構(gòu)。</p><p> 昂貴金屬中一系列孔徑的利用說(shuō)明了在表面等離子體的諧振激勵(lì)下的傳播增強(qiáng),盡管空間分辨率某種程度上會(huì)因?yàn)橄盗锌讖降闹芷诙档?。最近的研究表明金?/p>
26、中陡峭脊?fàn)畹目讖饺绾Y(jié)孔徑或觸角形,C形,H形孔徑等等可能會(huì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)更佳的結(jié)果。蝴蝶結(jié)狀天線形孔徑是一個(gè)重要的孔徑類型,最初由Grober et al.設(shè)計(jì)并被應(yīng)用于微波尺度的高傳播效率的近場(chǎng)光學(xué)探針。后來(lái),因?yàn)榫钟虮砻娴入x子體的諧振,增強(qiáng)強(qiáng)度的高限制熱點(diǎn)在近場(chǎng)的蝴蝶結(jié)結(jié)構(gòu)可以被觀察到。由于蝴蝶結(jié)結(jié)構(gòu)而增強(qiáng)的透射比已經(jīng)被應(yīng)用到很多領(lǐng)域,例如等離子體波導(dǎo)的高效率激發(fā)等等,最近,這也成功作為一種新奇的手段而被應(yīng)用到納米光刻中以提高分辨率。
27、</p><p> 蝴蝶結(jié)形孔徑與蝴蝶結(jié)形天線相對(duì)應(yīng),如圖3所示。兩種結(jié)構(gòu)都由兩臂組成,兩個(gè)指向?qū)Ψ降匿h利的尖端間形成了一個(gè)小間隙。仿真結(jié)果暗示了在505nm級(jí)別的共振,在蝴蝶結(jié)尖端的相應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)是照射場(chǎng)的15000倍,這一點(diǎn)與蝴蝶結(jié)形天線相當(dāng)。但真實(shí)的表現(xiàn)很大程度上受孔徑尺寸,金屬材質(zhì),波長(zhǎng),極化等其它因素的影響。一個(gè)有蝴蝶結(jié)形狀孔徑的薄膜可被應(yīng)用于接觸式光刻中,并且已經(jīng)表現(xiàn)了良好的效果,Xu et al.最先
28、把蝴蝶結(jié)形孔徑應(yīng)用到等離子體接觸式光刻中,并且使用蝴蝶結(jié)形孔徑解決了特征尺寸低于50nm的二維孔問(wèn)題,帶有30nm間隙的150nm厚的鋁制薄膜的蝴蝶結(jié)形孔徑覆蓋在硅制基底上。鋁由于它的小的趨膚深度和高反射率而被選擇為薄膜材料。薄膜由355nm的半導(dǎo)體泵浦的固體激光器光束在垂直間隙方向極化。實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。實(shí)驗(yàn)在等級(jí)為10的超凈間內(nèi)的手套箱內(nèi)進(jìn)行,以盡可能的降低污染并防止暴露在光刻膠中環(huán)境中光的影響。用一個(gè)3倍紫外物鏡,激光束聚焦到一
29、個(gè)薄膜層上直徑為110μm的光斑。激光的偏振光束被引導(dǎo)穿過(guò)蝶形孔的間隙。實(shí)驗(yàn)中使用了一個(gè)正性光致抗蝕劑(希普利S1805).由于孔徑的深度和尺寸直接受曝光時(shí)間的影響,</p><p> Fig. 3 Schematic of bowtie aperture (left) and antenna (right).</p><p> 圖3 蝶形孔徑(左)和天線(右)原理圖</p&g
30、t;<p> Fig. 4 Schematic diagram of the experimental lithography system designed by Xu et al.</p><p> 圖4 Xu et al.設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)光刻系統(tǒng)原理圖</p><p><b> 總結(jié)</b></p><p> 在這篇文章中
31、,我們回顧了三種類型的等離子體納米光刻技術(shù):接觸式納米光刻,透鏡成像式納米光刻,和直寫式納米光刻。對(duì)于這三種納米光刻技術(shù)提供了一些實(shí)驗(yàn)和比較。通過(guò)上述分析,我們可以得出高分辨率是等離子體光刻的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。等離子體光刻產(chǎn)量低,模式接替等問(wèn)題則需要進(jìn)一步的研究,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)真正地納米工業(yè)化生產(chǎn)??傊?,等離子體光刻是下一代納米光刻中最有發(fā)展前景的技術(shù),并且有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的潛力。</p><p><b> 參考用
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