透明微球的聚光性质及微球阵列光刻的研究

摘要

随着集成电路和集成光路的进一步发展，光刻技术特别是低成本、简单、高效的纳米尺度的光刻技术的研究越显重要。由于光学衍射极限的存在，很大程度上阻碍了高分辨光刻技术的发展。早些年发展起来的电子束光刻和聚焦离子束光刻都能实现几十纳米的光刻分辨率，但因效率低且价格昂贵而不能被用于工业化生产。紫外光的双/多光束干涉光刻受限于光学衍射极限，而深紫外光的激光设备及其昂贵，且干涉光刻所得图案有限，这使得激光干涉光刻法在高分辨光刻领域不占优势。近场扫描探针在光刻分辨率上也很容易实现100nm以内的光刻分辨率，但逐点扫描的方式使其效率极低。近年来研究表明，直径接近光波波长的微球透镜具有超分辨聚焦的能力，它可以会聚绝大部分入射光能量，并在微球接受光照的背侧附近形成亚半波长束腰且焦深接近两倍波长的焦斑。利用微球透镜聚焦形成的高能量、超衍射极限的长焦斑(photonic nanoj et)，可以对材料表面进行烧蚀，或对光刻胶进行曝光处理，实现高分辨光刻。微球辅助光刻已发展成光刻领域的热点之一。本文提出一种改进型的微球辅助光刻模型，即在微球透镜阵列和光刻胶之间加入厚度可调的透明间隔层，研究微球光刻分辨率。论文的主要工作内容和结果如下:
　　首先，利用电磁场仿真软件CST Microwave Studio对微球光刻模型进行仿真研究。研究结果表明对于2.06μm直径的微球，在波长为400nm的线偏光照射下（入射光剂量一定），当间隔层厚不同时，光刻胶表面的光强度和光斑形状不同，间隔层厚影响光场分布和有效焦斑尺寸（即微球光刻分辨率理论值）。得到的有效焦斑尺寸数据表明:随间隔层厚度由10nm逐渐增大至90nm时，光刻分辨率先下降后升高。而入射光剂量在一定范围内减小总使得光刻分辨率得到改善。综合间隔层厚值和入射光剂量对光刻分辨率的影响趋势，得到较优的一个间隔层厚度:70nm。
　　其次，用改进型的微球辅助光刻实验，验证理论仿真结果。实验得到的小孔尺寸（半高全宽）与理论数据趋势一致且接近。在间隔层为70nm时进一步减小入射光剂量，得到了小于100nm的特征小孔。
　　最后，当选用直径为1.25μm的微球时，得到有效焦斑尺寸约为35nm、有效焦深约为60nm的仿真结果。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 衍射极限和分辨率标准

1．2 微纳光刻技术研究现状

1．3 微球透镜辅助光刻研究进展

1．4 本文研究的意义及内容安排

2 微球透镜辅助光刻法

2．1 微球透镜的聚焦特性

2．2 数值研究方法和软件介绍

2．2．1 数值研究方法

2．2．2 软件介绍

2．3 微球透镜辅助光刻的应用

2．4 本章小结

3 改进型微球辅助光刻研究

3．1 数值研究

3．2 实验研究

3．2．1 样品准备

3．2．2 激光加工

3．3 实验结果和讨论

3．3．1 间隔层厚度和曝光剂量对小孔尺寸的影响

3．3．2 优化间隔层厚度和曝光剂量

3．4 优化参数实现超35nm光刻分辨率

3．5 本章小结

4 结论

4．1 结论

4．2 展望

参考文献

致谢

在校期间的科研成果