王耀輝，何家玉，王長(zhǎng)濤，姚　納，羅先剛

( 中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所 微細(xì)加工光學(xué)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610209 )

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增強(qiáng)型局域表面等離子體共振納米直寫光刻

王耀輝，何家玉，王長(zhǎng)濤，姚納，羅先剛

( 中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所 微細(xì)加工光學(xué)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610209 )

摘要：本文將Bowtie孔徑結(jié)構(gòu)與金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)相結(jié)合，提出了一種新的局域表面等離子體共振納米直寫光刻結(jié)構(gòu)，得益于金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)中頂層透射Ag對(duì)透射光的放大增強(qiáng)以及底層反射Ag對(duì)透射光的反射補(bǔ)償作用，聚焦光斑的尺寸得到壓縮的同時(shí)深度得到了顯著提高，理論仿真中當(dāng)焦斑的FWHM為28 nm時(shí)，焦斑深度可以達(dá)到20 nm以上，這相對(duì)于傳統(tǒng)納米直寫光刻結(jié)構(gòu)，將焦斑的深度提升了4倍。隨后，通過(guò)相關(guān)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)在光刻膠中獲得了FWHM為47 nm，曝光深度為25 nm的焦斑圖形，進(jìn)一步證實(shí)了該結(jié)構(gòu)在壓縮焦斑尺寸以及提升焦斑深度上的顯著優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：局域表面等離子體共振；納米直寫光刻；Bowtie孔徑結(jié)構(gòu)；金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)

0　引言

近年來(lái)，一系列光學(xué)奇異現(xiàn)象的研究證實(shí)，表面等離子體(Surface Plasmon，SP)本身具備了短波長(zhǎng)傳輸以及倏逝波耦合放大等獨(dú)特的光學(xué)特性[1]。通過(guò)電磁波耦合表面等離子體集群振蕩，使倏逝波的位相、振幅和傳輸行為操控成為了可能，為超衍射光學(xué)成像、光刻和傳輸?shù)难芯堪l(fā)展帶來(lái)了新機(jī)遇[2]。在表面等離子體研究熱潮中，基于局域表面等離子體共振的納米直寫光刻技術(shù)受到了廣泛關(guān)注，其以超越衍射極限的高分辨率以及簡(jiǎn)單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)滿足了人們對(duì)新一代光刻技術(shù)的要求，有望成為一種新的高效、低成本、高分辨力的微細(xì)加工手段。

2006年，Xu Xianfan 的研究小組首次通過(guò)利用Bowtie小孔在納米直寫光刻實(shí)驗(yàn)中獲得了半高全寬(FWHM)小于100 nm的聚焦光斑[3]，證實(shí)了這種Bowtie形狀的亞波長(zhǎng)孔徑結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)的圓形、方形亞波長(zhǎng)開(kāi)孔結(jié)構(gòu)能夠克服波長(zhǎng)截止效應(yīng)的限制，在小孔的下表面獲得超越衍射極限的聚焦光斑[4-5]。自此，Bowtie孔徑結(jié)構(gòu)在納米直寫光刻上的應(yīng)用前景受到了廣泛關(guān)注。2012年，J. Hahn的研究小組報(bào)道了利用Bowtie孔徑結(jié)構(gòu)制成的接觸式探針進(jìn)行納米直寫光刻的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到了線寬為22 nm的直寫光刻圖形但其曝光深度只有約2 nm[6-7]。然而在目前利用Bowtie孔徑結(jié)構(gòu)進(jìn)行納米直寫光刻的實(shí)驗(yàn)中，由于透射光在Bowtie結(jié)構(gòu)下表面的尖端處發(fā)生嚴(yán)重散射，同時(shí)強(qiáng)度沿垂直界面方向呈指數(shù)衰減[6,8]，使得實(shí)驗(yàn)得到的光刻圖形質(zhì)量低、深寬比較小。這限制了Bowtie孔徑結(jié)構(gòu)在納米直寫光刻上的進(jìn)一步應(yīng)用。

針對(duì)這一問(wèn)題，本文利用金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)(Metal-Insulator-Metal, MIM結(jié)構(gòu))取代了傳統(tǒng)方法中使用的單一光刻膠作為光學(xué)記錄介質(zhì)，將Bowtie小孔與金屬(M)-介質(zhì)(I)-金屬(M)結(jié)構(gòu)相結(jié)合構(gòu)成一種新的基于Bowtie小孔的局域表面等離子體光刻結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱為BMIM結(jié)構(gòu)，與其成對(duì)比的是通常將Bowtie小孔直接與光刻膠相接觸進(jìn)行曝光的光刻結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱為BI結(jié)構(gòu)。下面對(duì)BMIM光刻結(jié)構(gòu)的組成、原理、仿真計(jì)算結(jié)果以及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)進(jìn)行介紹。

1　BMIM光刻結(jié)構(gòu)

圖1為BMIM和BI光刻結(jié)構(gòu)示意圖，在兩種光刻結(jié)構(gòu)中，Bowtie孔徑結(jié)構(gòu)均通過(guò)聚焦離子束(FIB)加工在金屬掩模層上，考慮到金屬Cr材料有較小的趨附深度以及較高的反射率，故將其選為Bowtie孔徑結(jié)構(gòu)所在金屬掩模層的材料。BMIM光刻結(jié)構(gòu)中，光學(xué)記錄介質(zhì)由依次加工在石英基底上的底層反射Ag、光刻膠層和頂層透射Ag組成，其三層材料厚度分別為20 nm、30 nm和50 nm，而在BI光刻結(jié)構(gòu)中，光學(xué)記錄介質(zhì)僅為石英基底上旋涂的一層厚度為30 nm的光刻膠?？紤]Bowtie小孔結(jié)構(gòu)的加工誤差，以及分離式曝光實(shí)驗(yàn)中Bowtie小孔所在掩模與光學(xué)記錄介質(zhì)之間的間隙，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入了厚度為5 nm的空氣層，以使仿真結(jié)果更接近真實(shí)情況。

圖1　BMIM光刻結(jié)構(gòu)及其對(duì)照結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Schematic diagram of BMIM and its comparative lithography structure

當(dāng)偏振方向垂直于Bowtie小孔間隙的光垂直入射到Bowtie小孔上表面時(shí)，Bowtie小孔所在Cr掩模中的自由電子被激發(fā)并沿Bowtie小孔邊緣進(jìn)行重新排布，自由電子在Bowtie小孔兩個(gè)亞波長(zhǎng)尺寸的尖端處大量堆積振蕩，產(chǎn)生極強(qiáng)的極化電場(chǎng)。當(dāng)極化電場(chǎng)中的波矢與表面等離子體的波矢相匹配時(shí)，便在小孔亞波長(zhǎng)尖端處激發(fā)得到局域表面等離子體，進(jìn)一步地通過(guò)間隙中的局域表面等離子體形成的縱向方向上的類F-P腔共振和橫向方向上的等離子體共振[9]，Bowtie結(jié)構(gòu)上表面尖端處得到增強(qiáng)和限域的電場(chǎng)能夠透過(guò)Bowtie小孔的亞波長(zhǎng)間隙，在Bowtie小孔下表面的尖端處形成超衍射極限的聚焦光斑。在BMIM光刻結(jié)構(gòu)中，經(jīng)過(guò)Bowtie小孔得到增強(qiáng)和限域的透射光被作為光學(xué)記錄介質(zhì)的MIM結(jié)構(gòu)耦合進(jìn)入光刻膠，在此過(guò)程中，先后經(jīng)過(guò)起到超透鏡作用[1]的頂層透射Ag倏逝放大以及起到金屬反射襯底作用[10]的底層Ag的反射補(bǔ)償，在MIM波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中形成新的局域表面等離子體共振模式，使得經(jīng)過(guò)Bowtie小孔透射增強(qiáng)的場(chǎng)強(qiáng)在光刻膠中得到二次調(diào)制和放大。

2　BMIM光刻結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果分析

為了證實(shí)BMIM光刻結(jié)構(gòu)在增強(qiáng)透射以及壓縮焦斑上相對(duì)于傳統(tǒng)BI光刻結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，這里使用Comsol Multiphysics 4.3仿真平臺(tái)建立了圖1所示的BMIM三維模型并對(duì)其進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真計(jì)算中采用入射光波長(zhǎng)為365 nm，偏振方向垂直于Bowtie小孔間隙方向。在365 nm波長(zhǎng)下，結(jié)構(gòu)中材料的介電常數(shù)分別為：εA1=-19.4+ i3.6，εAg=-2.4+i0 .25，εPR=2.59，εSiO2=2.13[11]。

由仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)兩種光刻結(jié)構(gòu)在光刻膠中形成的聚焦光斑尺寸和強(qiáng)度的變化趨勢(shì)完全不同。如圖2(a)和(b)，通過(guò)對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)中心截面處的電場(chǎng)強(qiáng)度分布可知，在BI結(jié)構(gòu)中，透射光在小孔下表面的尖端處發(fā)生嚴(yán)重的散射，經(jīng)過(guò)5 nm的空氣層后在光刻膠上表面處的強(qiáng)度僅有入射光強(qiáng)的1.5倍左右，這必然導(dǎo)致焦斑尺寸的展寬和曝光深度的變淺；而在BMIM結(jié)構(gòu)中，透射光從Bowtie小孔的下表面被耦合進(jìn)MIM結(jié)構(gòu)中，形成新的局域表面等離子體共振，使其在MIM結(jié)構(gòu)中得到了上層Ag的透射增強(qiáng)以及底層Ag的反射補(bǔ)償，在兩次局域表面等離子體共振的作用下，入射到光刻膠中的透射光保持了較高的強(qiáng)度及輻射形貌，形成了類似“紡錘形”的電場(chǎng)強(qiáng)度分布。圖2(c)和(d)給出了兩種結(jié)構(gòu)光刻膠中心位置附近聚焦光斑的電場(chǎng)分布情況，相對(duì)于在BI結(jié)構(gòu)光刻膠中得到的垂直于小孔間隙方向上的FWHM為128 nm的聚焦光斑，相同方向上，BMIM結(jié)構(gòu)下的焦斑尺寸僅為28 nm，相對(duì)于BI結(jié)構(gòu)壓縮了近77 %，同時(shí)焦斑強(qiáng)度提升了近5倍。需要說(shuō)明的是，這里BMIM結(jié)構(gòu)中的焦斑尺寸主要受到Bowtie小孔中心間隙尺寸的影響以及光學(xué)記錄物質(zhì)與光相互作用效果的影響，可以通過(guò)進(jìn)一步縮小Bowtie小孔中心間隙尺寸以及選用更好性能的光刻膠來(lái)進(jìn)一步壓縮焦斑尺寸。

圖2　BMIM光刻結(jié)構(gòu)及其對(duì)照結(jié)構(gòu)仿真效果示意圖Fig.2　Simulation results of BMIM lithography structure and its comparative lithography structure.

圖3給出了兩個(gè)結(jié)構(gòu)光刻膠中聚焦光斑的強(qiáng)度增強(qiáng)因子與FWHM在光刻膠中的變化情況。BI結(jié)構(gòu)中，聚焦光斑的FWHM從光刻膠上表面的40 nm迅速展寬到135 nm，同時(shí)強(qiáng)度增強(qiáng)因子由光刻膠上表面的2倍左右以指數(shù)形式衰減到0.5倍以下，這種因散射迅速展寬同時(shí)強(qiáng)度驟減的場(chǎng)分布在光刻膠中進(jìn)行感光，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致所獲得到的圖形邊緣模糊，對(duì)比度差，分辨力低。而在BMIM光刻結(jié)構(gòu)的光刻膠中，聚焦光斑的FWHM始終保持在50 nm以下，同時(shí)其強(qiáng)度保持為入射光強(qiáng)度的5～10倍，呈現(xiàn)兩端強(qiáng)度高，中間強(qiáng)度低的變化趨勢(shì)，這與圖2中得到的“紡錘形”的電場(chǎng)分布相吻合。

圖3　兩種光刻結(jié)構(gòu)下，聚焦光斑強(qiáng)度與尺寸在光刻膠中變化對(duì)比曲線Fig.3　FWHM and Intensity enhancement ratio of the spot for the two structure at different positions along the z-direction in the photo-resist

3　驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖4(a)給出了通過(guò)FIB加工所得的Bowtie孔徑陣列的近場(chǎng)掃描電子顯微鏡示意圖(SEM)，進(jìn)一步縮小顯微鏡的觀察范圍，可以看到FIB加工的Bowtie結(jié)構(gòu)尺寸與要求加工尺寸的誤差在1 nm以內(nèi)，同時(shí)Bowtie結(jié)構(gòu)邊緣線條的筆直度及縱向的陡直度都很好地滿足了設(shè)計(jì)要求。

圖4　Bowtie小孔陣列近場(chǎng)掃描電子顯微鏡(SEM)示意圖Fig.4　SEM image of bowtie aperture array

在MIM光學(xué)記錄介質(zhì)加工中，首先將底層反射Ag通過(guò)磁控濺射的手段加工在厚度為3 mm，直徑為25 mm的石英基底上，鍍膜過(guò)程中，真空腔體壓強(qiáng)為～3×10?4Pa，沉積速率為3 nm/s，通過(guò)原子力顯微鏡(AFM)對(duì)加工得到的厚度為50 nm的底層反射Ag的表面形貌進(jìn)行掃描，得到其表面粗糙度為0.6 nm，如圖5(a)；隨后將被去離子水1:1稀釋的正性光刻膠(AR-P 3170，ALLRESIST GmbH, Strausberg)通過(guò)甩膠機(jī)以4 800 r/s的轉(zhuǎn)速旋涂在底層反射Ag上表面，持續(xù)時(shí)間30 s，形成厚度為30 nm的光刻膠層，之后將樣品放在100 ℃的熱板上進(jìn)行烘焙，持續(xù)時(shí)間120 s；最后在30 nm光刻膠層上表面通過(guò)熱蒸發(fā)的方式沉積厚度為20 nm的上層透射Ag，沉積速度為0.12 nm/s，如圖5(b)，上層透射Ag表面的粗糙度約為1.2 nm。圖5(c)為借助近場(chǎng)掃描電子顯微鏡得到的MIM光學(xué)記錄介質(zhì)的斷面SEM圖，從圖中可以看出在MIM結(jié)構(gòu)中三層材料界面在較小的檢測(cè)范圍下仍清晰可見(jiàn)，均保持了較好的表面粗糙度，通過(guò)對(duì)鍍膜工藝參數(shù)條件的控制，三層材料厚度的誤差都在5.0 %以下。

圖5　MIM結(jié)構(gòu)各層表面形貌示意圖以及MIM結(jié)構(gòu)斷面SEM示意圖(a) 底層反射Ag表面形貌; (b) 頂層透射Ag表面形貌; (c) MIM結(jié)構(gòu)斷面SEM圖Fig.5　Surface morphology of AFM images of MIM structure and SEM image of the section of MIM structure(a) AFM image of lower Ag layer; (b) AFM image of top Ag layer; (c) SEM image of metal-insulator-metal structure

通過(guò)對(duì)光刻工藝以及曝光劑量的探索，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)上獲得了BMIM光刻結(jié)構(gòu)下的曝光焦斑。圖6給出了利用功率為(2.0±0.2) mW/cm2的i線汞燈光源進(jìn)行曝光，持續(xù)時(shí)間為15 s時(shí)，通過(guò)原子力顯微鏡掃描光刻膠表面得到的典型聚焦光斑表面形貌圖6，焦斑在垂直和平行于小孔間隙方向的尺寸分別為47 nm和102 nm，進(jìn)一步通過(guò)原子力顯微鏡檢測(cè)得到焦斑的深度為25 nm。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖2中仿真計(jì)算得到的聚焦光斑的電場(chǎng)分布相比較，如圖7?？芍?，焦斑的形狀與仿真結(jié)果基本吻合，而由于FIB加工Bowtie小孔的誤差，以及近場(chǎng)曝光實(shí)驗(yàn)中Bowtie小孔與光學(xué)記錄介質(zhì)不可能做到如仿真情況下的完全貼緊，使得實(shí)驗(yàn)得到的焦斑尺寸較仿真計(jì)算中得到的焦斑尺寸有一定程度的展寬。

圖6　BMIM光刻結(jié)構(gòu)曝光所得典型聚焦光斑的三維表面形貌圖Fig.6　Surface morphology of AFM images of generated spots in photo-resist achieved by BMIM structure

圖7　典典典典典典典x方方方方方方方方方方圖(實(shí)方)與與與與與與與與方(虛方)方的的的的圖Fig.7　Comparison of fitted experimental (solid line) and numerical results (line) for BMIM structure BMIM structure

近場(chǎng)曝光實(shí)驗(yàn)的相關(guān)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了BMIM光刻結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)BI光刻結(jié)構(gòu)光斑在壓縮焦斑，增大曝光深度上的顯著優(yōu)勢(shì)。另外，在BMIM結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，聚焦光斑在垂直于Bowtie結(jié)構(gòu)間隙方向的焦斑尺寸要明顯小于平行于間隙方向的焦斑尺寸，這與國(guó)際上報(bào)道的傳統(tǒng)方式下利用Bowtie小孔得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同。BMIM光刻結(jié)構(gòu)下聚焦光斑不僅保持了平行于間隙方向的尺寸不變，還將垂直于間隙方向上的焦斑尺寸壓縮到只有BI結(jié)構(gòu)下的1/3左右，這在實(shí)驗(yàn)上進(jìn)一步證實(shí)了MIM結(jié)構(gòu)對(duì)透射光的耦合調(diào)制作用。

4　結(jié)論

本文基于對(duì)局域表面等離子體共振的研究，通過(guò)將Bowtie孔徑結(jié)構(gòu)與金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)（MIM結(jié)構(gòu)）相結(jié)合提出了一種增強(qiáng)型的基于局域表面等離子體共振的納米直寫光刻結(jié)構(gòu)，并在仿真與實(shí)驗(yàn)中證明了新型結(jié)構(gòu)在基于Bowtie孔徑結(jié)構(gòu)的納米光刻中，對(duì)焦斑尺寸的壓縮以及曝光深度的提升有著顯著改善作用。該研究結(jié)果有望用于納米直寫光刻、超衍射成像、光存儲(chǔ)等領(lǐng)域。

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Method Investigation of Direct-writing Nanolithography Based on Enhanced Local Surface Plasmon Resonance

WANG Yaohui，HE Jiayu，WANG Changtao，YAO Na，LUO Xiangang
( State Key Laboratory of Optical Technologies on Nano-Fabrication and Micro-Engineering, Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Science, Chengdu 610209, China )

Abstract:We theoretically utilize bowtie aperture combined with the Metal-insulator-metal (MIM) scheme to obtain sub-30-nm (λ/12) high aspect plasmonic spot. The improvement of the depth profile is attributed to the asymmetry electromagnetic mode excitation in the metal-insulator-metal structure and the decaying compensation of the reflective metal layer. It is demonstrated that the depth profile of the 28 nm hot spot is more than 20 nm, which is about 4 times of the bowtie aperture without the MIM scheme. Futuremore, the spot of 47 nm diameter (FWHM) and 25 nm depth was achieved in photo-resist in the experiment, which demonstrated the advantages of the new structure on reducing the size and improving the depth profile of the spot.

Key words:local surface plasmon resonance; direct-writing nanolithography; Bowtie aperture; metal-insulator-metal structure

作者簡(jiǎn)介：王耀輝(1989-)，男(漢族)，河南鶴壁人。碩士研究生，主要從事局域表面等離子體研究。E-mail: wangyaohui_cn@126.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61138002)

收稿日期：2015-03-11； 收到修改稿日期：2015-04-21

文章編號(hào)：1003-501X(2016)01-0071-06

中圖分類號(hào)：O53；TN305.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1003-501X.2016.01.013