大面积表面等离子激元干涉光刻

大面积表面等离子激元干涉光刻*

1郭小伟，张志友，杜惊雷，郭永康，2姚军

1四川大学物理科学与技术学院纳光子技术研究所，成都，610064

2英国达拉谟大学物理系，DL1 3DJ,UK

摘要：利用衰减全反射耦合模式激发表面等离子激元，提出一种大面积表面等离子干涉纳米光刻方法。表面等离子激元干涉可引起了电场在一定深度上具有很强的透射增强，这一特性对于近场非接触光刻很有利。通过时域有限差分法模拟显示，当用441nm的P偏振光照明三棱镜，在其底部金属覆层激发表面等离子激元，并使其干涉，在光刻胶上可获得60nm高对比度干涉条纹。该方法可制作小于入射波长的七分之一纳米图形，其光刻成本低、面积大，有着很大的应用潜力。

关键词：光刻，表面等离子体激元，干涉，纳米图形

该文的英文稿已于2006年9月在OPTICS LETTERS的31卷17期上正式发表，本文由张志友执笔

Large-area surface-plasmon polariton interference

lithography

Xiaowei Guo, Zhiyou Zhang ,Jinglei Du, Yongkang Guo

Department of Physics, Sichuan University, Chengdu 610064, China

Jun Yao

Department of Physics, Durham University, Durham DL1 3DJ, UK

Abstract:Large-area surface-plasmon polariton (SPP) interference lithography is presented that uses an attenuated total reflection-coupling mode to excite the interference of the SPPs. The interference of the SPPs causes a highly directional intensity range in a finite depth of the electric field, which is good for noncontact. Finitedifference time-domain simulations of the interference on a thin resist layer show that broad-beam illumination with a p-polarized light at a wavelength of 441 nm can produce features as small as 60 nm with high contrast, smaller than λ/7. Our results illustrate the potential for patterning periodic structures over large areas at low cost.

Key words: Lithography,Surface-plasmon polariton (SPP)，Interference，Nano-pattern

1、引言：

大规模集成电路的发展不断压缩光刻线条的特征尺寸，并要求发展纳米尺度的光刻新技术。可加工纳米线条的193浸润式扫描投影光刻系统和正在发展中的EUV光刻系统的结构越来越复杂，系统成本和光刻加工成本也越来越高。相比之下，干涉光刻可以大面积曝光且焦深长、不需要复杂、昂贵的高数值孔径光学成像系统，可实现亚微米量级的光刻线条加工，在制作周期性图形方面有很大优势 [1，2] 。消逝波干涉光刻（Evanescent wave interference lithography，EIL）[3，4]可获得纳米量级图形，但受到传播距离短，曝光深度浅，干涉条纹对比度差等限制。如果在消逝波光刻中引入表面等离子体激元（Surface Plasmon Polarizons,SPP），利用其近场透射增强特性，则会大大改善光刻图形的质量 [5] 。

SPPs通常是一种沿着金属导体表面传播的电荷疏密波。利用表面等离子体（Surface plasmon ,SP），共振干涉纳米光刻技术（Surface plasmon resonant interference nanolithography technique, SPRINT）[6]，和表面等离子体干涉纳米光刻（Surface plasmon interference nanolithography, SPIN）成功的制作了亚100nm的干涉图案[7]。然而，这两种方法都只适合

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*教育部博士点基金、国家自然科学基金（60676024）资助

小面积干涉，而且还需要制作非常精细的周期结构金属光栅掩膜。

在本文中，我们讨论了一种简单而且非常实用的方法：利用衰减全反射（Attenuated total reflection, ATR）耦合模式激发表面等离子体干涉光刻，这一方法避免了制作作为掩膜的高频光栅，并有望用于大面积纳米光刻加工。

2、原理及结构设计

实现大面积SPPs干涉光刻的装置模型如图1所示，为常用在作为表面等离子体共振(SPR)传感器系统的Kretschmann结构[8]。最上面一层是高折射率的等腰三角形或半球形棱镜，棱镜的下表面覆着一金属薄层。金属层下面为一层光刻胶，最下面一层是感光基底。光波在这种结构中传播时会由于ATR模式耦合作用而使SPPs得到增强。表面等离子体波是和表面电磁波相联系在一起的，其场矢量在金属和光刻胶的界面处最大，而在两种介质当中呈指数衰减。在金属和光刻胶界面处SPPs的色散关系可以表示为 [9] ：

k SPP = k0[εm εd/ (εm + εd)]1/2(1)

其中，k spp 为SPP的波矢，k0为入射光在自由空间中的波矢。εm为金属在相应入射光频率下的等效介电常数，εd为光刻胶的介电常数。当εm的实部接近-εd时，SPP的波矢将变得非常大，因此用SPP光刻可以极大地提高图象的分辨率。

当发生表面等离子体共振（SPR）时，入射光的波矢在水平方向上的分量k x必须和金属表面的k spp相等。K x和k spp之间的关系为：

k x = k o n p sinθi = k SPP, （2） 其中，n p为棱镜的折射率，θi为光波的入射角。如果共振频率落在光刻胶的光敏范围内，场的增强能够用来在薄的光刻胶范围进行局部曝光。

图1 大面积SPP干涉光刻(LSPPIL)结构图2 有金属覆层和没有金属覆层情况的干涉图样

Fig. 1. Schematic of the LSPPIL process. 入射波为441nm的TM偏振光；入射角θi=59.9o；

金属银层的厚度为h=30nm

Fig. 2. Electric field distribution of the interference patterns for the coated and uncoated prism configurations under the conditions: the incidence wavelength λ=441 nm, TM polarization; the incidence angle θi=59.9°; the thickness of the silver film h=30 nm.

当两束较宽的p偏振相干平面波以近共振角入射到棱镜的基底上，在界面各处将激发多个相应的SPP，这表明大面积表面等离子体激元干涉光刻（Large-area surface plasmon polariton interference lithography,LSPPIL）与SPRINT和SPIN有本质的不同，其结果是在光刻胶层形成了干涉条纹。很显然，如果金属覆层和棱镜足够大的话，这种方法可用于进行大面积的干涉。值得指出的是，如果入射波长和材料确定了，干涉条纹的周期也就随之确定了！

3、大面积SPPs干涉光刻实验模拟及结果分析

通过时域有限差分（FDTD）数值方法模拟了SPP干涉条纹的分布特征，在模拟过程中使用了完美匹配边界层[10]。而作为对比，我们给出了在相同条件下有金属覆层和无金属覆层两种情况下的干涉图样。其中，金属覆层和光刻胶的折射率分别取为1.94325和1.53，金属为银，对于441nm的入射光其介电系数为-8.9170+0.2320i。