接近式表面等离子体透镜光刻分辨力增强原理和方法研究

【摘要】：随着微电子行业的急速发展,集成电路的特征尺寸不断缩小,对光刻分辨力的要求越来越高。传统投影光刻受光学系统衍射极限影响,分辨力只有半个波长左右。主要原因是携带亚波长信息的倏逝波,沿传播方向强度指数衰减,没有参与成像。接近式表面等离子体(SP)透镜实现增强倏逝波,克服衍射极限,获得超分辨成像。但是,接近式SP透镜光刻分辨力仍然受限于曝光波长以及工作距(物与成像记录结构之间距离),称为近场衍射极限。分辨力越高的SP光刻,工作距越短,因此在深亚波长分辨力的接近式SP透镜光刻实验中,物与成像记录结构通常需要物理接触。本文通过调制SP透镜物图形衍射的频谱分布,结合操控像平面处电场分量,实现倏逝波在成像过程中放大增强,从而突破近场衍射极限,拓展接近式SP光刻工作距,提高成像分辨力。基于这一方法,开展了接近式SP透镜分辨力增强的原理理论研究,构建了SP透镜超分辨成像数理模型,基于模型和数值计算结果分析成像规律,设计SP透镜光刻结构,并且进行光刻实验验证。主要研究成果如下:1、提出了浸没式离轴照明SP透镜的方法。通过浸没式离轴照明大幅度地平移物图形衍射的频谱,结合SP共振腔透镜调制像平面处电场极化分量,从而增强成像信息中的倏逝波,实现了SP透镜成像空间拓展以及分辨力增强。提出了浸没式离轴照明Hyperlens的接近式SP透镜缩小成像方法,获得了深亚波长分辨力的SP光刻图形。建立了离轴照明SP透镜的成像数理模型,并通过全模仿真进行验证。2、设计了棱镜浸没离轴照明(kx,inc=1.5k0)SP共振腔透镜的成像结构,通过光刻实验获得了60nm分辨力光刻图形,工作距拓展到120nm,是传统近场光刻工作距的8倍。进一步利用在掩模出射面刻画浅沟槽的方法,将离散图形准周期化,实验上显著抑制了离轴照明下离散线条边缘图形畸变,提高了离轴照明的SP成像光刻图形兼容性。3、利用金属/介质多层膜结构空间频谱滤波特性,设计了双曲色散超材料浸没离轴照明光束(kx,inc=2.51k0)的照明源结构。结合SP共振腔透镜,实现32nm分辨力光刻图形,工作距拓展到60nm,是正入射Superlens光刻结构的6倍。实验上,通过SP干涉倍频方法证明了双曲色散超材料的频谱滤波特性,得到半周期36nm的干涉条纹。进一步的光刻实验获得分辨力32nm、空气工作距40nm的光刻胶记录图形。4、提出了双曲色散超材料激发亚波长分辨力的近场无衍射Bessel-SP聚焦光束方法,设计了近场Bessel-SP聚焦透镜。利用双曲色散超材料传输高频SP模式,聚焦透镜选择性地耦合出倏逝波,在径向极化照明下,实现了传播距离80nm范围内,近场Bessel-SP聚焦光束半高全宽保持62nm。相比于开孔金属透镜,分辨力提高了3.2倍。将SP共振腔透镜作为成像记录结构,调控光刻胶区域电场分量,光刻实验证明了40nm工作距下,圆极化照明近场Bessel-SP聚焦透镜,焦斑半高全宽68nm,曝光胶深30nm。