【摘要】：光刻是當(dāng)今世界制備集成電路、微電子與光電子納米功能器件的關(guān)鍵技術(shù)。受光學(xué)衍射極限的影響,傳統(tǒng)光刻的分辨率只有半個波長左右。隨著信息化與集成度的飛速發(fā)展,對高分辨率納米結(jié)構(gòu)功能器件的需求不斷增長�，F(xiàn)有商業(yè)化的高分辨率納米制備技術(shù),比如FIB、EBL等,存在諸如制備效率低、設(shè)備昂貴等問題。近年來新發(fā)展的表面等離子體(SP)光刻技術(shù),可突破光學(xué)衍射極限而實現(xiàn)超分辨光刻。當(dāng)前SP光刻技術(shù)主要針對密集光柵圖形的分辨率驗證研究,在應(yīng)用于具體納米功能器件制備方面還有大量工作需繼續(xù)研究。本論文主要開展了用于納米結(jié)構(gòu)功能器件制備的SP光刻技術(shù)理論與實驗研究。內(nèi)容分為四個部分:一是奇模SP干涉光刻技術(shù)研究;二是腔體式SP成像光刻用于超表面全息圖的制備研究;三是反射式SP成像光刻用于制備局域表面等離子體共振(LSPR)傳感芯片的研究;四是高分辨率小分子體系i-線光刻膠的研究。具體完成內(nèi)容如下:1.奇模SP干涉光刻技術(shù)研究。本文提出一種基于金屬/介質(zhì)/金屬腔體結(jié)構(gòu)的奇模SP干涉光刻方法,可獲得大面積深亞波長光柵圖形。理論研究表明奇模SP相對于偶模具有更大的橫向波矢,腔體結(jié)構(gòu)可有效調(diào)制電場分量,提高干涉光場的分辨率和對比度。實驗上使用周期180nm的激發(fā)光柵與20nmAl/50nmPr/50nmAl腔體結(jié)構(gòu),獲得半周期45nm(約?(14)8)、深50nm、面積20mm×20mm的光刻圖形。同時工藝上采用膜層翻轉(zhuǎn)與靶材摻雜技術(shù)來降低膜層粗糙度對干涉光場的負面影響。隨膠厚的降低可進一步提高光刻分辨率,膠厚20nm時半周期分辨率為35nm。激發(fā)光柵尺寸為光刻圖形的2倍,可使用常規(guī)的激光干涉制備,不需要EBL或FIB等昂貴設(shè)備制備。該方法有望為大面積納米光柵的制備提供一種經(jīng)濟有效的方法。2.腔體式SP成像光刻用于超表面全息圖的制備研究。相對于干涉光刻,成像光刻可制備圖形類型更為靈活。超表面全息圖一般為各向異性的納米結(jié)構(gòu),具有強大的光束控制能力,在全息成像、防偽標識、存儲等方面有較大的應(yīng)用前景。而當(dāng)前所報道的全息超表面幾乎都是由FIB、EBL加工,低的加工效率與高昂的成本阻礙了其在實際應(yīng)用方面的進展。本文設(shè)計了腔體式SP成像光刻結(jié)構(gòu)用于超表面全息圖的制備。模擬結(jié)果表明20nmAg/30nmPr/50nmAg的SP共振腔體既可以有效放大倏逝波又可以調(diào)制成像面的電場分量,相比于近場與超透鏡光刻,有效提高了圖形分辨率與保真度。為減少掩模與樣品的接觸污染問題,掩模圖形區(qū)域設(shè)計了空氣間隔層。在實驗上,基于設(shè)計的光刻與刻蝕傳遞結(jié)構(gòu),獲得單元特征尺寸95nm×175nm、周期300nm、面積9μm×9μm的小面積Au全息超表面,以及單元特征尺寸195nm×350nm、周期500nm、面積1mm×1mm的大面積彩色離軸全息超表面。在所制備樣品上成功獲得清晰的全息成像,驗證了所提方案的可行性。該方法還具有批量制備納米圖形的能力,有望為超表面器件的批量制備提供一種經(jīng)濟有效的方法。3.反射式SP成像光刻用于LSPR生物傳感芯片制備的研究。LSPR生物傳感芯片具有靈敏度高、體積小等優(yōu)勢,在藥物、生物等檢測方面具有廣泛的應(yīng)用前景。但是當(dāng)前傳感芯片主要由納米球自組裝法、化學(xué)濕法合成等方式制備,存在圖形可調(diào)形狀有限、工藝可控性差等問題。本文提出反射式SP成像光刻來實現(xiàn)傳感芯片的制備�；谌肷涔馔高^納米孔的光強并不是均勻分布,而是從圓心向四周方向逐漸降低的原理,巧妙設(shè)計出圓孔溝槽掩模,通過調(diào)節(jié)曝光劑量可得到不同形貌的光刻圖形,尤其是常規(guī)掩模設(shè)計難以實現(xiàn)的尖角菱形或尖角三角形結(jié)構(gòu)納米圖形。作為示例,在設(shè)計的方陣排布的圓孔掩模下,實驗上獲得納米溝槽、尖角菱形、以及圓點形等納米圖形,特征尺寸約50nm~150nm、周期500nm、面積8mm×8mm;在設(shè)計的錯位排布的圓孔掩模下,獲得納米溝槽、尖角三角形、以及圓點形等納米圖形,特征尺寸約20nm~100nm,周期500nm,面積1mm×1mm。使用IBE刻蝕技術(shù)將光刻圖形一步傳遞到Ag功能層,制備出一系列不同形貌的LSPR傳感芯片。本文巧妙地使用Ag膜,即可作為產(chǎn)生SP的超材料來增強分辨率,也可作為傳感芯片的功能材料,簡化了實驗工藝。該方法有望為大面積、高均勻性傳感芯片的制備提供一種高分辨率且經(jīng)濟便捷的途徑。4.高分辨率小分子體系i-線光刻膠的研究。受限于當(dāng)前商業(yè)化i-線光刻膠不能滿足SP超分辨光刻中高分辨率、超薄膠膜厚度、低線邊緣粗糙度(LER)等需求。本文提出小分子體系i-線光刻膠的研制。在文獻合成原理的基礎(chǔ)上,通過合成條件的改進,制備出高純度的PHS-DNB小分子材料的光刻膠。并且通過混合溶劑的方法,解決了膠本體溶解度差的問題,使得膠膜厚度在10nm~100nm范圍可調(diào),表面粗糙度小(RMS=0.42nm)。實驗表明該膠具有高的對比度(PHS-39,?=5.4)與高的留膜率(大于90%),同時由于大量苯基的存在使得光刻膠具有優(yōu)異的抗刻蝕性。并且通過對光刻工藝的研究與優(yōu)化,實驗獲得一系列高質(zhì)量納米圖形,半周期37.5nm時LER(3?)=4.49nm。相比于商業(yè)膠,該膠對半周期22nm與32nm的光刻圖形質(zhì)量也有顯著提高。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN305.7

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本文編號：2649600