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曲面金属—电介质多层复合结构超分辨特性及其光刻效应研究

胡继刚  
【摘要】: 本论文推导了柱坐标系下曲面金属-电介质多层复合结构的等效介质理论和色散方程,分析了曲面金属-电介质多层复合结构实现超分辨效应的物理机理及其条件;研究了结构的几何参数、介电常数和结构所处的环境介质对其远场超分辨特性的影响,提出并数值验证了利用阻抗匹配方法增强曲面金属-电介质多层复合结构远场超分辨能力的技术方案;研究了曲面金属-电介质多层复合结构的近场光刻效应,提出利用阻抗匹配方法提高结构超衍射极限近场光刻质量的方法;研究了金属-电介质多层阵列结构和柱对称曲面金属-电介质多层阵列结构的聚焦效应,实现了焦点位置的动态调控,上述研究在近场光刻领域存在重要的潜在应用价值。 本论文的研究工作和成果如下: 1.研究了柱坐标系下曲面金属-电介质多层复合结构的等效介质理论和色散方程,讨论了该结构中电磁波的能流特性对结构色散的依赖关系,明晰了曲面金属-电介质多层复合结构实现超分辨效应的物理机理及其条件,为超分辨和近场光刻的曲面金属-电解质复合结构的结构设计及其性能优化做了理论铺垫。 2.建立了色散时域有限差分方法(FDTD)和电磁场的有限元方法(FEM)的数值计算平台,通过理论分析和数值计算相结合的方法,研究了金属-电介质多层复合结构的几何参数、介电常数分布、光源位置、波长以及结构所处的环境介质等因素对其远场超分辨成像的影响。提出了一种利用阻抗匹配的方法提高结构超分辨成像质量的设计方案,结构的成像对比度提高为未采用阻抗匹配的方法条件下的4倍。 3.利用电磁场的有限元方法(FEM),研究了金属-电介质多层复合结构的几何参数、介电常数分布、入射光波波长以及结构所处的环境介质等因素对于其近场光刻效应的影响。对用于近场光刻的金属-电介质多层复合结构的相关参数进行了优化设计;根据阻抗匹配原理,提出并数值验证了一种提高结构近场光刻质量的技术方案,得到了40nm的横向光刻分辨率和0.39的光场强度对比度,取得了很好的效果。 4.研究了锥状金属-电介质多层阵列结构和柱对称曲面金属-电介质多层阵列结构的聚焦效应,着重讨论了几何参数(结构出射端锥角)、光波入射角度对其近场聚焦特性的影响,分析了聚焦效应产生的物理机理。研究了金属-电介质多层阵列结构的近场偏折聚焦效应,实现了聚焦焦斑的横向动态调控,横向调控的角度范围可达45°;研究了锥状曲面金属-电介质多层阵列结构对径向偏振光的聚焦效应,数值实现了较理想的调焦深度(3.5μm)和聚焦焦斑半径(170nm)。


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