《基於等離子波的納米光刻光學裝置》是中國科學院光電技術研究所於2005年6月21日申請的專利，該專利的申請號為2005100119717，公布號為CN1710490，授權公布日為2005年12月21日，發明人是羅先剛、陳旭南、李海穎、石建平、杜春雷。
《基於等離子波的納米光刻光學裝置》是由反射鏡（1）和（6）、均勻器（2）、濾光片（3）、HG燈光源（4）、橢球反射鏡（5）和透鏡組（7）組成的均勻照明系統照明金屬掩模（8），使緊接觸放置矽片（10）上的抗蝕劑塗層（9）感光，HG燈光源（4）是使用可見光波段長波長光，在均勻照明位置放置的掩模是單層或多層金屬掩模（8），它與安放在其下方的抗蝕劑塗層（9）之間為無間隙緊接觸，或被抽真空。該發明是用HG燈光源發出的G線436納米長波長光，照明金屬掩模，激發其金屬掩模表面電漿，形成等離子表面波傳播，穿過金屬掩模出射小發散角光用於光刻，不受衍射極限的限制，也不需要複雜昂貴的極短波長光源與雷射，就可製作出納米量級的任意高解析度圖形。
2016年12月7日，《基於等離子波的納米光刻光學裝置》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《基於等離子波的納米光刻光學裝置》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：基於等離子波的納米光刻光學裝置
- 公布號：CN1710490
- 授權日：2005年12月21日
- 申請號：2005100119717
- 申請日：2005年6月21日
- 申請人：中國科學院光電技術研究所
- 地址：四川省成都市雙流350信箱
- 發明人：羅先剛、陳旭南、李海穎、石建平、杜春雷
- Int.Cl.：G03F7/20
- 代理機構：北京科迪生專利代理有限責任公司
- 代理人：劉秀娟、成金玉
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
由於製作納米圖形結構需要大幅度提高2005年6月前光刻設備的解析度，因為衍射極限的限制，一般對於掩模圖形孔尺寸遠小于波長的納米級孔和縫圖形時，光不能穿過，無法進行光刻製作納米圖形。所以都採用縮短波長光刻製作的方法，主要有極紫外、X射線、離子束投影、以及電子束光刻等等。這些方法都需要極短波長光源電磁輻射系統及光學系統，不僅技術複雜，而且投資十分昂貴。近年來產生了用一般波長（248-365納米）雷射，用一到多層金屬掩模進行接觸接近光學光刻，製作納米結構圖形的新方法，但由於要用雷射作光源和用較複雜結構的多層金屬掩模，光刻效率有限，成本與前者相比雖然大幅下降，但還是比較高，不利於廣泛推廣套用。
發明內容
專利目的
《基於等離子波的納米光刻光學裝置》的技術解決問題：克服上述相關技術的不足，提供一種基於等離子波的納米光刻光學裝置，該裝置既不需要縮短波長和用複雜昂貴的極短波長光源電磁輻射系統，也不需要雷射系統，用HG燈長波長光和單層或多層金屬掩模就能進行納米光刻，製作出納米量級的任意圖形。
技術方案
《基於等離子波的納米光刻光學裝置》的技術解決方案是：基於等離子波的納米光刻光學裝置，其特徵在於：均勻器、濾光片、HG燈光源、第一反射鏡、第二反射、透鏡組和橢球反射鏡組成的照明系統，HG燈光源位於橢球反射鏡第1焦點F1位置，其發出的各種波長的光分別經過橢球反射鏡和第一反射鏡反射，聚焦於第一反射鏡的第2焦點F2，再通過濾光片濾光，只有波長為436±15納米的G線特徵波長譜線光射入均勻器的入射端，再由均勻器出射的光通過第二反射鏡反射和透組鏡聚光，此時長波長光均勻照明在了位於照明系統的均勻照明位置上放置的單層或多層金屬掩模，單層或多層金屬掩模與安放在其下方的抗蝕劑塗層之間為無間隙緊接觸，或被抽真空。
所述的單層或多層金屬掩模是由石英或氮化矽基板、及三層金屬掩模圖形薄層和聚合物簿層組成，而且三層金屬掩模圖形簿層的金屬材料可以是金或銀、鋅、鉻多種金屬的不同組合，金屬圖形薄層的厚度分別各為5-500納米不等，金屬掩模第一薄層使長波長光能更高效激發產生表面等離子波，金屬掩模第二薄層能更好傳輸和放大表面等離子波，金屬掩模第三薄層能將第二薄層傳輸放大的表面等離子波局域成要光刻製作的納米圖形，聚合物薄層的厚度為1-10納米。
所述的單層或多層金屬掩模是由石英或氮化矽基板、及單層或雙層金屬掩模圖形薄層和聚合物簿層組成，而且單層或雙層金屬掩模圖形簿層的金屬材料可以是金或銀、鋅、鉻多種金屬的不同組合，金屬圖形薄層的厚度分別各為5-500納米不等，金屬掩模第一薄層使長波長光能更高效激發產生表面等離子波，並傳輸給第二薄層，第二薄層能將第一薄層傳輸的表面等離子波局域成要光刻製作的納米圖形；單層薄層金屬掩模時，掩模薄層不僅能使長波長光激發產生表面等離子波，而且把表面等離子波局域成要光刻製作的納米圖形；聚合物薄層的厚度也為1-10納米。
所述的金屬材料是金或銀、鋅、鉻金屬掩模的圖形薄層，是非密集的孔和線圖形，在最上層金屬薄層表面的無圖形區上還製作有密集的凹凸槽，槽的深度為0.5-20納米，寬度為10-20納米，該薄層能使長波長光更好激發金屬掩模產生表面等離子波。
所述的金屬掩模薄層包含單層、雙層和三層，同時包含非密集圖形或密集圖形情況，在其薄層的最下面加了TiO2薄膜的結構，TiO2膜的厚度為1-50納米，由於在最下層加了TiO2薄膜的結構，使次下層的金屬掩模薄層局域等離子波的能力大為提高，能更好光刻納米微細結構和圖形。
改善效果
1、使用該等離子波的納米光刻光學裝置時，不需要複雜昂貴的極短波長光源電磁輻射系統和雷射系統，也不需要特徵波長為248納米或308納米、365納米，或由其它光源發出的248納米-365納米之間波長譜線深紫外光，以及雷射等，只需要HG燈光源發出的波長為436納米的長波長光，就可高效激發出等離子波進行納米光刻，可大幅度降低製作納米級高解析度圖形的技術難度和設備成本；
2、使用該光學光刻裝置的金屬薄層掩模板，可以光刻製作密集的和非密集的納米量級孔和線圖形，用雙層金屬薄層掩模板時，光刻高解析度超微細圖形的效果好，用三層金屬薄層掩模板時，光刻高解析度超微細圖形的效果最好；
3、使用該光學光刻裝置，光刻製作納米量級圖形的解析度極限，由掩模圖形的線寬尺寸決定，不受入射光波長限制，因此光刻解析度可以作得很高，達到納米量級；
4、使用該光學光刻裝置製作納米量級圖形，只需要金屬掩模板，而且是單層或雙層、三層金屬薄層掩模板，可大幅度降低掩模版的製作成本；
5、由於掩模與安放在其下方的高解析度抗蝕劑塗層之間為無間隙緊接觸，或被抽真空，抗蝕劑塗層與金屬薄層之間的聚合物薄層厚度很薄，幾乎不產生衍射效應，被刻圖形陡度好。
附圖說明
圖1為《基於等離子波的納米光刻光學裝置》實施例等離子波的納米光刻光學裝置的結構圖；
圖2為《基於等離子波的納米光刻光學裝置》中單層金屬掩模板實施例1的結構放大示意圖；
圖3為《基於等離子波的納米光刻光學裝置》中雙層金屬掩模板實施例2的結構放大示意圖；
圖4為《基於等離子波的納米光刻光學裝置》中三層金屬掩模板實施例3的結構放大示意圖；
圖5為《基於等離子波的納米光刻光學裝置》中金屬掩模薄層圖形（含單層、雙層和三層）為非密集圖形的無圖形區上表面製作的密集分布凹凸槽實施例4的結構放大示意圖；
圖6為《基於等離子波的納米光刻光學裝置》中金屬掩模薄層圖形（含單層、雙層和三層為非密集圖形或密集圖形）實施例5加TiO2膜的結構放大示意圖。
技術領域
《基於等離子波的納米光刻光學裝置》是一種基於等離子波的納米光刻光學裝置，屬於微細加工技術製作納米器件的緊接觸光刻曝光技術領域。
權利要求
1、《基於等離子波的納米光刻光學裝置》特徵在於：均勻器（2）、濾光片（3）、HG燈光源（4）、反射鏡（1）、反射鏡（6）、透鏡組（7）和橢球反射鏡（5）組成的照明系統，HG燈光源（4）位於橢球反射鏡（5）第1焦點F1位置，其發出的各種波長的光分別經過橢球反射鏡（5）和反射鏡（6）反射，聚焦於反射鏡（6）的第2焦點F2，再通過濾光片（3）濾光，只有波長為436±15納米的G線特徵波長譜線光射入均勻器（2）的入射端，再由均勻器（2）出射的光通過反射鏡（1）反射和透組鏡（7）聚光，此時長波長光均勻照明在位於照明系統的均勻照明位置上放置的單層或多層金屬掩模（8），單層或多層金屬掩模（8）與安放在其下方的抗蝕劑塗層（9）之間為無間隙緊接觸，或被抽真空。
2、根據權利要求1所述的基於等離子波的納米光刻光學裝置，其特徵還在於：所述的單層或多層金屬掩模（8）是由石英或氮化矽基板（11）、及三層金屬掩模圖形薄層（12″）和聚合物簿層（13）組成，而且三層金屬掩模圖形簿層（12″）的金屬材料可以是金或銀、鋅、鉻多種金屬的不同組合，金屬圖形薄層（12″）的厚度分別各為5-500納米，金屬掩模第一薄層使長波長光能更高效激發產生表面等離子波，金屬掩模第二薄層能更好傳輸和放大表面等離子波，金屬掩模第三薄層能將第二薄層傳輸放大的表面等離子波局域成要光刻製作的納米圖形，聚合物薄層（13）的厚度為1-10納米。
3、根據權利要求1所述的基於等離子波的納米光刻光學裝置，其特徵還在於：所述的單層或多層金屬掩模（8）是由石英或氮化矽基板（11）、及雙層金屬掩模圖形薄層（12’）和聚合物簿層（13）組成，而且雙層金屬掩模圖形簿層（12’）的金屬材料可以是金或銀、鋅、鉻多種金屬的不同組合，金屬圖形薄層（12’）的厚度分別各為5-500納米，金屬掩模第一薄層使長波長光能更高效激發產生表面等離子波，並傳輸給第二薄層，第二薄層能將第一薄層傳輸的表面等離子波局域成要光刻製作的納米圖形；聚合物薄層（13）的厚度為1-10納米。
4、根據權利要求1所述的基於等離子波的納米光刻光學裝置，其特徵還在於：所述的單層或多層金屬掩模（8）是由石英或氮化矽基板（11）、及單層金屬掩模圖形薄層（12）和聚合物簿層（13）組成，而且單層金屬掩模圖形簿層（12）的金屬材料可以是金或銀、鋅、鉻多種金屬組成，金屬圖形薄層（12）的厚度為5-500納米，該薄層金屬掩模能使長波長光激發產生表面等離子波的同時，並把表面等離子波局域成要光刻製作的納米圖形，聚合物薄層（13）的厚度為1-10納米。
5、根據權利要求4所述的基於等離子波的納米光刻光學裝置，其特徵還在於：所述的單層金屬圖形薄層（12）為非密集的孔和線圖形，其最上層金屬薄層表面的無圖形區上還製作有密集的凹凸槽（14），槽的深度為0.5-20納米，寬度為10-20納米，該薄層能使長波長光更好激發金屬掩模產生表面等離子波。
6、根據權利要求3或4或5所述的基於等離子波的納米光刻光學裝置，其特徵還在於：在所述的單層、雙層和三層的金屬掩模薄層圖形（12、12’、12”）的最下面還加有TiO2薄膜（15）的結構，TiO2膜的厚度為1-50納米。
實施方式
如圖1所示，《基於等離子波的納米光刻光學裝置》由反射鏡1和6、HG燈光源4、均勻器2、濾光片3、橢球反射鏡5和透鏡組7組成均勻照明系統，在照明系統的均勻照明位置放置金屬掩模8和緊接觸放置的塗有抗蝕劑塗層9的矽片10組成。由位於橢球反射鏡5第1焦點F1位置的HG燈光源4，發出包括波長為308納米或365納米、436納米等譜線和各種波長的光，通過橢球反射鏡5反射，以及反射鏡6反射，聚焦於第2焦點F2，再通過濾光片3濾光，只有波長為436±15納米的G線特徵波長譜線光充滿射入均勻器2的入射端，由均勻器2出射的光通過反射鏡1反射和透組鏡7聚光，此時長波長光均勻照明了金屬掩模8。這裡均勻器2和透組鏡7都起了均勻照明作用；透組鏡7的焦距與口徑需和均勻器2，以及需均勻照明的面積相匹配，均勻器2以選購5×5-11×11陣列為較好，有利於照明均勻；橢球反射鏡5，為防止因燈的發熱量大而砸毀，選購的口徑不能太小。被均勻照明的金屬掩模8由於436±15納米的長波長光激發了掩模金屬表面的電漿，使之產生了表面等離子波，表面等離子波通過金屬掩模8的圖形孔和線，從金屬掩模8的下表面射出，使在金屬掩模8下方緊接觸放置的矽片10上塗的抗蝕劑塗層9感光，光刻出納米量級高解析度的超微細圖形，金屬掩模8的下表面與安放在下方的高解析度抗蝕劑塗層9之間為無間隙緊接觸，層間的空氣或由真空系統排除。
如圖2所示，金屬掩模8由石英或氮化矽基板11、單層金屬掩模圖形薄層12和聚合物簿層13組成，其中石英或氮化矽基板11的厚度至少為1.5微米以上，金屬掩模圖形薄層12的厚度為5-500納米，金屬掩模圖形簿層12的金屬材料是金或銀、鋅、鉻，聚合物薄層13厚度很薄，為1-10納米，有一定彈性，能對金屬掩模圖形起保護作用，延長金屬掩模使用壽命。HG燈光源4的G線光能通過圖形尺度比波長小得多的納米金屬掩模8，使抗蝕劑塗層9感光，是因為帶有超微細圖形的金屬掩模在436納米的G線光照射下，被激發產生了波長很短的等離子表面波，等離子表面波可穿過納米金屬掩模圖形薄層12的掩模圖形納米孔和縫傳播，並被局域，以很小發散角射出，就好像是深紫外光源4的光直接穿過金屬掩模8的圖形孔和縫射出一樣，使緊貼接觸放置的抗蝕劑塗層9感光，光刻出納米量級的高解析度超微細圖形。
如圖3所示，金屬掩模8由石英或氮化矽基板11、雙層金屬掩模圖形薄層12’和聚合物簿層13組成，其中sio2薄膜或石英光學玻璃基板11的厚度至少為1.5微米以上，金屬掩模圖形薄層12’的厚度分別為為5-500納米不等，兩金屬掩模圖形簿層12’的圖形基本相同，並對齊，金屬掩模圖形簿層12’的金屬材料是金或銀、鋅、鉻的不同組合，聚合物薄層13厚度很薄，為1-10納米，有一定彈性，能對金屬掩模圖形起保護作用，延長金屬掩模使用壽命。HG燈光源4的G線光照射到金屬掩模上，能通過圖形尺度比波長小得多的納米金屬掩模8，使抗蝕劑塗層9感光，是因為帶有超微細圖形的金屬掩模在436納米的G線光照射下，使第一層金屬掩模薄層被激發產生波長很短的等離子表面波，等離子表面波可穿過納米金屬掩模圖形薄層的掩模圖形納米孔和縫傳播，第二層金屬掩模薄層將已穿過的等離子波局域，以很小發散角射出，就好像是深紫外光源4的光直接穿過金屬掩模8的圖形孔和縫射出一樣，使緊貼接觸放置的抗蝕劑塗層9感光，光刻出納米量級的高解析度超微細圖形，由於是雙層，長波長光能較高效激發產生表面等離子波，並局域，並以很小發散角射出，就好像是深紫外光源4的光直接穿過金屬掩模8的掩模圖形孔和縫射出一樣，使緊貼接觸放置的抗蝕劑塗層9感光，較好光刻出納米量級的高解析度超微細圖形。
如圖4所示，金屬掩模8由石英或氮化矽基板11、三層金屬掩模圖形薄層12″和聚合物簿層13組成，其中sio2薄膜或石英光學玻璃基板11的厚度至少為1.5微米以上，金屬掩模圖形薄層12″為三層金屬掩模圖形薄層組成，厚度分別為5-400納米不等，金屬掩模圖形簿層12″的金屬材料是金或銀、鋅、鉻的不同組合，聚合物薄層13厚度很薄，為1-10納米，有一定彈性，能對金屬掩模圖形起保護作用，延長金屬掩模使用壽命。深紫外光源4的光能通過圖形尺度比波長小得多的納米金屬掩模8，使抗蝕劑塗層9感光，是因為帶有超微細圖形的金屬掩模在深紫外光源光的照射下，產生了波長很短的等離子表面波，等離子表面波可穿過納米金屬掩模圖形薄層12″的掩模圖形納米孔和縫傳播，以很小發散角射出，就好像是深紫外光源4的光直接穿過金屬掩模8的圖形孔和縫射出一樣，使緊貼接觸放置的抗蝕劑塗層9感光，由於金屬掩模是三層金屬掩模薄層結構，第一層薄層是使G線436納米的長波長光能更高效地激發產生出表面電漿波；第二層薄層是使更有效傳輸和放大表面等離子波，並使等離子波得到疊加；第三層的功能是重新局域表面等離子波，調製出射光波的空間分布，使之按要光刻的納米圖形要求分布，穿出金屬掩模的光能量更強，光刻出的高解析度超微細圖形的效果更好。因此對任意所需納米結構而言，掩模設計的過程就是逆問題的求解過程，也就是說，首先根據所要製作結構的形狀和圖形分布，來設計所需的光場分布，然後設計能產生所需光場分布的掩模結構，給出掩模各層的參數。
如圖5所示，金屬掩模薄層圖形12（含單層、雙層和三層）是非密集的孔和線圖形，在無圖形區上製作的密集分布凹凸槽14結構，槽的深度為0.5-20納米，其寬度為10-20納米，該薄層的密集分布凹凸槽14能使長波長光更好更有效激發金屬掩模產生表面等離子波，使非密集的孔和線圖形光刻得更好。
如圖6所示，為《基於等離子波的納米光刻光學裝置》中在金屬掩模薄層圖形包含單層、雙層和三層，同時包含非密集圖形或密集圖形情況，在金屬掩模薄層的最下面加了TiO2薄膜15的結構，TiO2膜的厚度為1-50納米，由於在最下層加了TiO2膜，TiO2膜的折射率比較大，使次下層的金屬掩模薄層局域等離子波的能力大為提高，能更好光刻納米微細結構和圖形，同時也可起保護金屬掩模薄層的雙重作用。
榮譽表彰
2016年12月7日，《基於等離子波的納米光刻光學裝置》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
