專利名稱：探針誘導(dǎo)表面等離子體共振光刻裝置及其光刻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光刻裝置，特別是一種探針誘導(dǎo)表面等離子體共振光刻裝置及其光 刻方法。
背景技術(shù)：
隨著納米加工、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)、集成電路等技術(shù)的迅速發(fā)展，為 其服務(wù)的光刻技術(shù)也成了各國研究的焦點。在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用的光刻技術(shù)正沿著 UV-DUV-EUV的技術(shù)路線快速發(fā)展，在一定程度上滿足了微納器件特征尺度進(jìn)一 步縮小的要求。然而，在納米加工、MEMS和一些特殊集成電路方面，由于產(chǎn)品個 性化、小批量和更新周期變短等特點，無法使用大規(guī)模集成電路所采用的技術(shù)進(jìn)行 加工，且半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用的光刻機(jī)價格昂貴，動輒數(shù)億元的投資也為光刻技術(shù)的 利用筑起了很高的門檻。研發(fā)具有成本低、操作簡單、分辨率高等特點的光刻設(shè)備 就成了光刻技術(shù)發(fā)展的一個重要分支。目前，在這個分支上己經(jīng)有多種技術(shù)產(chǎn)生， 像激光直寫技術(shù)、探針刻蝕技術(shù)和近場光學(xué)光刻技術(shù)等。
在近場光學(xué)光刻技術(shù)方面，美國貝爾實驗室的Betzig等采用錐形光纖探針的近 場掃描光學(xué)顯微鏡(簡稱為NSOM)，在傳統(tǒng)的光刻膠上很容易地實現(xiàn)了約為100nm 的光刻線，顯示了在近場光學(xué)中光點不受衍射極限影響的優(yōu)點。但是這一光刻方法 采用的光纖探針容易損壞，光纖探針內(nèi)錐形區(qū)域的光的傳遞效率極低，為10—6; NSOM光刻速度慢， 一般為5um/s左右，而且光刻范圍很小，最大只有100ixmX 100 y m左右，實際應(yīng)用受到很大限制。Kuwahara等將超分辨近場結(jié)構(gòu)用于光刻， 并在可見光照射下刻出了線寬小于100nm的溝槽。至今超分辨近場結(jié)構(gòu)光刻技術(shù) 已經(jīng)實現(xiàn)了 50nm以下的記錄點，具有非常好的前景。但近年來的研究也發(fā)現(xiàn)了不 少問題 一是超分辨掩膜容易出現(xiàn)熱疲勞現(xiàn)象而導(dǎo)致超分辨性能下降；二是采用貴 金屬(如鉑、金和鈀等)和多層結(jié)構(gòu)(目前有的達(dá)到9層)，制作工藝復(fù)雜、成本 昂貴；三是需要利用盤狀介質(zhì)高速旋轉(zhuǎn)中的動態(tài)效應(yīng)，難以應(yīng)用于任意形狀的圖形 刻蝕。
探針誘導(dǎo)表面等離子體共振光刻技術(shù)屬于近場光學(xué)光刻技術(shù)的范疇，其利用探 針在近場距離(非接觸)內(nèi)對介質(zhì)/金屬層界面形成的表面等離子體共振增強(qiáng)場進(jìn)行擾動，使得耦合積聚的光能在臨近探針的區(qū)域內(nèi)傳播，從而在探針處實現(xiàn)高能量 光的泄漏，進(jìn)而在介質(zhì)表面上實現(xiàn)刻蝕。
該技術(shù)的原理雖然已經(jīng)被提出，但是與之對應(yīng)的光刻裝置還沒有出現(xiàn)，因此設(shè) 計一種與之對應(yīng)的光刻裝置就成為很有必要的工作。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于根據(jù)探針誘導(dǎo)表面等離子體共振光刻原理，提供一種探針誘 導(dǎo)表面等離子體共振光刻裝置及其光刻方法，該裝置具有光刻所需激光功率低、光 刻分辨率高、不易損壞探針和光刻膜層簡單的特點，該裝置還具有原子力顯微鏡的 功能。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是
一種探針誘導(dǎo)表面等離子體共振光刻裝置，其特點是該裝置由表面等離子體激 發(fā)裝置、探針控制裝置、樣品臺、探針狀態(tài)檢測裝置、光學(xué)顯微鏡和控制系統(tǒng)組成
① 所述的表面等離子體激發(fā)裝置為在樣品表面產(chǎn)生表面等離子體共振，為光刻 提供能量源，該等離子體激發(fā)裝置由光刻激光器、擴(kuò)束鏡、第一反射鏡、聚焦鏡、 小半球凸透鏡、折射率油和樣品組成，其位置關(guān)系是由所述的光刻激光器出射的 平行光經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束、第一反射鏡反射和聚焦鏡會聚后，經(jīng)所述的小半球凸透鏡、 折射率油聚焦在所述的樣品的上表面，所述的折射率油位于所述的小半球凸透鏡的
上平面和所述的樣品之間，所述的折射率油的折射率與所述的小半球凸透鏡的折射 率相同；
② 所述的探針控制裝置由探針及探針座、 一維壓電陶瓷、支架、螺紋副和電機(jī) 構(gòu)成，所述的探針及探針座固定在所述的一維壓電陶瓷上，該一維壓電陶瓷、螺紋 副和電機(jī)均安裝在所述的支架上，所述的支架通過電機(jī)和兩個螺桿的軸端與所述的 樣品臺的底座接觸連接，所述的一維壓電陶瓷驅(qū)動所述的探針及探針座在豎直方向 上移動，所述的螺紋副用于手動調(diào)節(jié)所述的探針及探針座的高度，所述的電機(jī)用于 驅(qū)動所述的探針在豎直方向上自動逼近所述的樣品；
③ 所述的樣品臺由底座、二維壓電陶瓷、樣品夾持器構(gòu)成，所述的二維壓電陶 瓷置于所述的底座上并與所述的樣品夾持器相連，所述的樣品夾持器是樣品放置和 固定的平臺，所述的二維壓電陶瓷驅(qū)動所述的樣品夾持器帶動所述的樣品在水平方 向上的運動，以調(diào)節(jié)樣品的光刻位置；④ 所述的探針狀態(tài)檢測裝置由檢測激光器、會聚鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、 成像鏡和四象限探測器組成，其位置關(guān)系是由所述的檢測激光器發(fā)出的激光經(jīng)所 述的會聚鏡會聚后經(jīng)第二反射鏡反射，會聚點落在所述的探針及探針座的探針針尖 背面，由該探針針尖背面反射的反射光經(jīng)第三反射鏡反射、所述的成像鏡成像在所 述的四象限探測器上，用于檢測探針針尖的形變從而確定探針針尖與樣品之間的壓 力大小；
⑤ 所述的光學(xué)顯微鏡位于所述的樣品臺和所述的探針狀態(tài)檢測裝置的正上方， 用于觀察樣品和探針針尖的位置；
(D所述的控制系統(tǒng)分別與所述的光刻激光器、 一維壓電陶瓷、電機(jī)、二維壓電 陶瓷和四象限探測器相連，根據(jù)所述的四象限探測器提供的數(shù)據(jù)，得到探針與樣品 表面之間的狀態(tài)，驅(qū)動所述的樣品臺運動，控制表面等離子體激發(fā)裝置在所述的探 針針尖與樣品表面之間產(chǎn)生表面等離子體共振，進(jìn)行光刻。
所述的光刻激光器為脈沖可調(diào)的半導(dǎo)體激光器，或由固體連續(xù)激光器或氣體激 光連續(xù)器與光調(diào)制器組成的脈沖激光器系統(tǒng)。
所述的電機(jī)為伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)。
所述的檢測激光器可為各種連續(xù)激光器。
所述的光學(xué)顯微鏡是人眼觀察的顯微鏡，或是電荷耦合器件，或互補(bǔ)式金屬氧 化物半導(dǎo)體作為接收器件的顯微鏡。
所述的聚焦鏡、會聚鏡、成像鏡是一塊透鏡或由多快透鏡組成的透鏡組構(gòu)成的。 所述的控制系統(tǒng)是一臺計算機(jī)，或由計算機(jī)和控制箱組成。
利用上述的探針誘導(dǎo)表面等離子體共振光刻裝置進(jìn)行光刻的方法，包括如下步
驟
① 將樣品放置在所述的樣品臺的樣品夾持器上并固定；
② 調(diào)節(jié)第一反射鏡的位置，使由第一反射鏡反射的光束經(jīng)聚焦鏡聚焦后的光束 與樣品上表面的夾角與樣品的表面等離子體共振角相等；
③ 調(diào)節(jié)所述的螺紋副和驅(qū)動所述的電機(jī)，使所述的探針針尖向所述的樣品表面 逼近，逼近過程中通過光學(xué)顯微鏡和探針狀態(tài)檢測裝置進(jìn)行檢測，直至所述的探針 針尖與樣品表面之間的距離接近所述的一維壓電陶瓷的量程的中間值，所述的支架 大致水平；④ 在所述的控制系統(tǒng)的控制下，按下述流程進(jìn)行光刻
⑤ 驅(qū)動所述的二維壓電陶瓷促動所述的樣品夾持器帶動所述的樣品，使樣品的 待刻點位于所述的探針針尖的下方；
⑥ 驅(qū)動所述的一維壓電陶瓷使所述的探針針尖進(jìn)一步逼近樣品并與樣品表面 保持幾個納米的距離；
⑦ 觸發(fā)所述的光刻激光器發(fā)射出一個激光脈沖，在所述的樣品的表面激發(fā)出表
面等離子體并產(chǎn)生共振，在所述的樣品與探針針尖之間產(chǎn)生局域增強(qiáng)場，利用此局 域增強(qiáng)場產(chǎn)生的高溫在樣品的表面刻蝕出光刻點；
⑧ 重復(fù)上述步驟⑤、◎、⑦，直至所有的待刻點完成光刻；
⑨ 光刻完成后，啟動所述的電機(jī)驅(qū)動探針針尖離開所述的樣品表面。
本發(fā)明探針誘導(dǎo)表面等離子體共振光刻裝置還具有具有原子力顯微鏡的功能， 利用本發(fā)明探針誘導(dǎo)表面等離子體共振光刻裝置對光刻后的樣品進(jìn)行原子力掃描 的方法，包括如下步驟
① 控制所述的二維壓電陶瓷，使探針針尖位于待掃描區(qū)域起點的上方；
② 根據(jù)采集四象限探測器的信號控制所述的一維壓電陶瓷，使所述的探針針尖 接觸所述的樣品表面并保持壓力值恒定，或保持恒定的距離；
③ 記錄所述的一維壓電陶瓷的輸出值，作為樣品表面高度信息；
④ 重復(fù)上述步驟①、②、③，直至掃描完全部待掃描區(qū)域；
⑤ 使探針針尖離開所述的樣品表面，通過軟件處理樣品表面信息得到樣品表面 形貌。
利用本發(fā)明探針誘導(dǎo)表面等離子體共振光刻裝置對尚未光刻的樣品進(jìn)行原子 力掃描的方法，包括如下步驟-
① 將樣品放置在所述的樣品臺的樣品夾持器上并固定；
② 調(diào)節(jié)第一反射鏡的位置，使由第一反射鏡反射的光束經(jīng)聚焦鏡聚焦后的光束 與樣品上表面的夾角與樣品的表面等離子體共振角相等；
③ 調(diào)節(jié)所述的螺紋副和驅(qū)動所述的電機(jī)，使所述的探針針尖向所述的樣品表面 逼近，逼近過程中通過光學(xué)顯微鏡和探針狀態(tài)檢測裝置進(jìn)行檢測，直至所述的探針 針尖與樣品表面之間的距離接近所述的一維壓電陶瓷的量程的中間值，所述的支架 大致水平； 控制所述的二維壓電陶瓷，使探針針尖位于待掃描區(qū)域起點的上方；
⑤ 根據(jù)采集四象限探測器的信號控制所述的一維壓電陶瓷，使所述的探針針尖 接觸所述的樣品表面并保持壓力值恒定，或保持恒定的距離；
⑥ 記錄所述的一維壓電陶瓷的輸出值，作為樣品表面高度信息；
⑦ 重復(fù)上述步驟④、 、 ，直至掃描完全部待掃描區(qū)域；
⑧ 使探針針尖離開所述的樣品表面，通過軟件處理樣品表面信息得到樣品表面 形貌。
若探針接近樣品表面時支架存在一定角度，例如5°，則實測值與理論值的比值 為1/C0S(5°)= 1.004，誤差僅為千分之四。因此可根據(jù)誤差要求調(diào)節(jié)支架的水平度。
本發(fā)明探針誘導(dǎo)表面等離子體共振光刻裝置，國內(nèi)外尚無類似的裝置。與在先 的其他光刻裝置相比，具有以下優(yōu)點
1、 光刻分辨率高光刻的分辨率與所用探針針尖的直徑相當(dāng)，而探針針尖的 直徑可以做到20nm以下，因此采用此光刻裝置可以很容易實現(xiàn)50mn以下線寬的 光刻；
2、 光刻所需要的激光功率低表面等離子體共振引起的針尖與樣品表面之間 的局域場增強(qiáng)使能量高度積聚，很低的光功率即可實現(xiàn)光刻。例如使用幾十毫瓦的 激光器即可在銀膜上光刻出圖案；
3、 采用原子力顯微鏡的控制方法控制探針和樣品，提高了探針的定位精度和 光刻的對準(zhǔn)精度；
4、 光刻過程中探針針尖與樣品采用非接觸模式，因此探針不易損壞；
5、 光刻膜層簡單，可以直接在銀膜、金膜等金屬膜上進(jìn)行光刻，不需要特殊 的膜層材料；光刻的探針采用普通的原子力探針，無需進(jìn)行額外加工；
6、 裝置采用模塊化設(shè)計，維護(hù)和升級方便；
7、 裝置本身具有原子力顯微鏡的所有功能，可以對光刻前后的樣品進(jìn)行掃描， 可實現(xiàn)在線檢測，避免樣品在光刻儀器和檢測儀器之間移動帶來的繁瑣操作。
綜上所述，本發(fā)明裝置具有光刻所需激光功率低、光刻分辨率高、不易損壞探 針和光刻膜層簡單的特點，該裝置還具有原子力顯微鏡的功能。
圖1是本發(fā)明探針誘導(dǎo)表面等離子體共振光刻裝置的系統(tǒng)組成示意圖；圖2是本發(fā)明第一個較佳實施例的結(jié)構(gòu)示意圖3是圖2中探針控制裝置2的俯視圖4是本發(fā)明第二個較佳實施例的結(jié)構(gòu)示意圖5是本發(fā)明表面等離子體激發(fā)裝置1的另一個可選方案示意圖6是本發(fā)明探針狀態(tài)檢測裝置4的第二可選方案示意圖7是本發(fā)明探針狀態(tài)檢測裝置4的第三可選方案示意圖
圖8是本發(fā)明探針狀態(tài)檢測裝置4的第四可選方案示意圖
具體實施例方式
下面參照附圖和實施例對本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)和操作方法進(jìn)行詳細(xì)闡述，但不應(yīng) 以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
先請參閱圖1、圖2和圖3，圖1是本發(fā)明探針誘導(dǎo)表面等離子體共振光刻裝 置的系統(tǒng)組成示意圖；圖2是本發(fā)明第一個較佳實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖2 中探針控制裝置2的俯視圖；由圖可見，本發(fā)明探針誘導(dǎo)表面等離子體共振光刻裝 置由表面等離子體激發(fā)裝置l、探針控制裝置2、樣品臺3、探針狀態(tài)檢測裝置4、 光學(xué)顯微鏡5和控制系統(tǒng)6組成參見圖2和圖3，本發(fā)明第一個較佳實施例的結(jié) 構(gòu)包括
① 所述的表面等離子體激發(fā)裝置1為光刻提供能源，該等離子體激發(fā)裝置1由 脈沖可調(diào)的半導(dǎo)體激光器101a、擴(kuò)束鏡103、第一反射鏡104、聚焦鏡105、小半 球凸透鏡106、折射率油107和樣品108組成，其位置關(guān)系是所述的折射率油107 位于所述的小半球凸透鏡106的上平面和所述的樣品108之間，所述的折射率油107 的折射率與所述的小半球凸透鏡106的折射率相同，由所述的光刻激光器101a出 射的平行光經(jīng)擴(kuò)束鏡103擴(kuò)束、第一反射鏡104反射和聚焦鏡105會聚后，經(jīng)所述 的小半球凸透鏡106、折射率油107聚焦在所述的樣品108的上表面；
② 所述的探針控制裝置2由探針及探針座201、 一維壓電陶瓷202、支架203、 螺紋副204和步進(jìn)電機(jī)205構(gòu)成，所述的探針及探針座201固定在所述的一維壓電 陶瓷202上，該一維壓電陶瓷202、螺紋副204和步進(jìn)電機(jī)205均安裝在所述的支 架203上，所述的支架203通過步進(jìn)電機(jī)205的軸端和螺紋副204的軸端位于所述 的樣品臺3的底座301上，所述的一維壓電陶瓷202驅(qū)動所述的探針及探針座201 在豎直方向上移動，所述的螺紋副204用于手動調(diào)節(jié)所述的探針及探針座201的高度，所述的步進(jìn)電機(jī)205用于驅(qū)動所述的探針在豎直方向上自動逼近所述的樣品 108;
③ 所述的樣品臺3由底座301、 二維壓電陶瓷302、樣品夾持器303構(gòu)成，所述 的二維壓電陶瓷302置于所述的底座301上并與所述的樣品夾持器303相連，所述 的樣品夾持器303是樣品108放置和固定的平臺，所述的二維壓電陶瓷302驅(qū)動所 述的樣品夾持器303帶動所述的樣品108在水平方向上的運動，以調(diào)節(jié)樣品108的 光刻位置；
④ 所述的探針狀態(tài)檢測裝置4由檢測激光器401 、會聚鏡402a、第二反射鏡403、 第三反射鏡404、成像鏡405和四象限探測器406組成，其位置關(guān)系是由所述的 檢測激光器401發(fā)出的激光經(jīng)所述的會聚鏡402a會聚后經(jīng)第二反射鏡403反射， 會聚點落在所述的探針及探針座201的探針針尖背面，由該探針針尖背面反射的反 射光經(jīng)第三反射鏡404反射、所述的成像鏡405成像在所述的四象限探測器406上， 用于檢測探針針尖的形變從而確定探針針尖與樣品之間的壓力大小，通過調(diào)節(jié)四象 限探測器406和成像鏡405之間的距離可以調(diào)節(jié)四象限探測器406上的光斑大小和 系統(tǒng)的靈敏度；
⑤ 所述的光學(xué)顯微鏡501位于所述的樣品臺3和所述的探針狀態(tài)檢測裝置4的 正上方，用于觀察樣品和探針針尖的位置；
⑥ 所述的控制系統(tǒng)6包括計算機(jī)601和控制箱602。計算機(jī)601的作用是給控 制箱602發(fā)送各種控制命令，控制箱602傳遞的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理、顯示。所 述的計算機(jī)601通過所述的控制箱602與所述的半導(dǎo)體激光器101a、 一維壓電陶瓷 202、步進(jìn)電機(jī)205、 二維壓電陶瓷302和四象限探測器406相連，根據(jù)所述的四象 限探測器406提供的數(shù)據(jù)，得到探針與樣品表面之間的狀態(tài)，驅(qū)動所述的樣品臺3 運動，控制表面等離子體激發(fā)裝置1在所述的探針針尖與樣品表面之間產(chǎn)生表面等 離子體共振，進(jìn)行光刻。
該控制箱602至少包括以下四個作用
1) 數(shù)據(jù)采集用于接收四象限探測器406的信號；
2) 輸出控制調(diào)制半導(dǎo)體激光器101a、驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)205的轉(zhuǎn)動、驅(qū)動一維 壓電陶瓷202和二維壓電陶瓷302
3) 控制軟件對整個系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制；4)與計算機(jī)之間的通訊系統(tǒng)接收計算機(jī)的指令并將獲取的數(shù)據(jù)傳遞給計算 機(jī)。
在上述裝置中，所述的步進(jìn)電機(jī)205也可以是伺服電機(jī)。
在上述裝置中，所述的光學(xué)顯微鏡501是人眼觀察的顯微鏡，或是電荷耦合器 件，或互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體作為接收器件的顯微鏡。
在上述裝置中，所述的聚焦鏡105、會聚鏡402a、成像鏡405是一塊透鏡或由 多快透鏡組成的透鏡組構(gòu)成的。
利用上述第一個較佳實施例裝置進(jìn)行光刻的具體操作步驟如下
① 將樣品108放置在所述的樣品臺3的樣品夾持器303上并固定；
② 調(diào)節(jié)第一反射鏡104的位置，使由第一反射鏡104反射的光束經(jīng)聚焦鏡105 聚焦后的光束與樣品108上表面的夾角與樣品108的表面等離子體共振角相等，此 角度根據(jù)光刻不同的材料結(jié)構(gòu)測得；
③ 調(diào)節(jié)所述的螺紋副204和驅(qū)動所述的步進(jìn)電機(jī)205，使所述的探針針尖向所 述的樣品108表面逼近，逼近過程中通過光學(xué)顯微鏡501和探針狀態(tài)檢測裝置4進(jìn) 行檢測，直至所述的探針針尖與樣品108表面之間的距離接近所述的一維壓電陶瓷 202的量程的中間值，所述的支架203大致水平；
④ 在所述的控制系統(tǒng)6的控制下，按下述流程進(jìn)行光刻
⑤ 驅(qū)動所述的二維壓電陶瓷302促動所述的樣品夾持器303帶動所述的樣品 108，使樣品108的待刻點位于所述的探針針尖的下方；
⑥ 驅(qū)動所述的一維壓電陶瓷202使所述的探針針尖進(jìn)一步逼近樣品108并與樣 品108表面保持幾個納米的距離，例如2nm;
⑦ 觸發(fā)所述的半導(dǎo)體激光器101a發(fā)射出一個激光脈沖，在所述的樣品108的 表面激發(fā)出表面等離子體并產(chǎn)生共振，在所述的樣品108與探針針尖之間產(chǎn)生局域 增強(qiáng)場，利用此局域增強(qiáng)場產(chǎn)生的高溫在樣品108的表面刻蝕出光刻點；
⑧ 重復(fù)上述步驟⑤、 、⑦，直至所有的待刻點完成光刻；
⑨ 光刻完成后，啟動所述的步進(jìn)電機(jī)205驅(qū)動探針針尖離開所述的樣品108表面。
光刻后的圖形可以利用本發(fā)明裝置進(jìn)行原子力掃描，也可以對非光刻樣品進(jìn)行 掃描以査看樣品表面形貌利用本發(fā)明探針誘導(dǎo)表面等離子體共振光刻裝置對光刻后的樣品進(jìn)行原子力 掃描的方法，其特征在于包括如下步驟
① 控制所述的二維壓電陶瓷302，使探針針尖位于待掃描區(qū)域起點的上方；
② 根據(jù)采集四象限探測器406的信號控制所述的一維壓電陶瓷202，使所述的 探針針尖接觸所述的樣品表面并保持壓力值恒定，或保持恒定的距離；
③ 記錄所述的一維壓電陶瓷202的輸出值，作為樣品表面108高度信息；
④ 重復(fù)上述步驟①、②、③，直至掃描完全部待掃描區(qū)域；
⑤ 使探針針尖離開所述的樣品108表面，通過軟件處理樣品表面信息得到樣品 表面形貌。
利用本發(fā)明探針誘導(dǎo)表面等離子體共振光刻裝置對尚未光刻的樣品進(jìn)行原子 力掃描的方法，其特征在于包括如下步驟
① 將樣品108放置在所述的樣品臺3的樣品夾持器303上并固定；
② 調(diào)節(jié)第一反射鏡104的位置，使由第一反射鏡104反射的光束經(jīng)聚焦鏡105 聚焦后的光束與樣品108上表面的夾角與樣品108的表面等離子體共振角相等；
③ 調(diào)節(jié)所述的螺紋副204和驅(qū)動所述的步進(jìn)電機(jī)205，使所述的探針針尖向所
述的樣品108表面逼近，逼近過程中通過光學(xué)顯微鏡501和探針狀態(tài)檢測裝置4進(jìn) 行檢測，直至所述的探針針尖與樣品108表面之間的距離接近所述的一維壓電陶瓷
202的量程的中間值，所述的支架203大致水平；
④ 控制所述的二維壓電陶瓷302，使探針針尖位于待掃描區(qū)域起點的上方；
⑤ 根據(jù)采集四象限探測器406的信號控制所述的一維壓電陶瓷202，使所述的
探針針尖接觸所述的樣品表面并保持壓力值恒定(接觸式)，或保持恒定的距離(非 接觸式)；
⑥ 記錄所述的一維壓電陶瓷202的輸出值，作為樣品表面108高度信息；
⑦ 重復(fù)上述步驟④、 、 ，直至掃描完全部待掃描區(qū)域；
⑧ 使探針針尖離開所述的樣品108表面，通過軟件處理樣品表面信息得到樣品 表面形貌。
圖4是本發(fā)明的第二個較佳實施例裝置，與第一個較佳實施例裝置區(qū)別在于 控制系統(tǒng)6僅由一臺計算機(jī)601組成。由計算機(jī)601完成第一個較佳實施例裝置中控制箱602和計算機(jī)601的全部功能，其他系統(tǒng)和控制方法與第一個較佳實施例裝 置相同。
圖5是本發(fā)明的表面等離子體激發(fā)裝置l的一個可選方案。本方案與第一個 和第二個較佳實例中的表面等離子體激發(fā)裝置1的區(qū)別在于本方案中使用一個激 光器101b和一個光調(diào)制器102替代半導(dǎo)體激光器101a。將控制系統(tǒng)6以半導(dǎo)體激 光器101a為對象的全部操作改為對光調(diào)制器102進(jìn)行操作即可。
在上述裝置中，所述的激光器101b可以是固體激光器或氣體激光器等所有不 可自調(diào)制的激光器。
在上述裝置中，所述的光調(diào)制器102可以是聲光調(diào)制器、電光調(diào)制器、磁光調(diào) 制器或其他可以對光進(jìn)行通斷調(diào)制的光調(diào)制器件。
圖6是本發(fā)明的探針控制裝置2的一個可選方案。與第一個和第二個較佳實施 例中的探針控制裝置2的區(qū)別在于去掉了兩個螺紋副204，增加了一個導(dǎo)軌206。 導(dǎo)軌206安裝在底座301上，電機(jī)205安裝在支架203上并帶動支架203沿導(dǎo)軌206 上下運動。
電機(jī)205也可以安裝在底座301上并推動支架203沿導(dǎo)軌206上下運動。 使用本可選方案時，裝置的操作步驟與第一個較佳實施例的操作步驟的區(qū)別在 于不用調(diào)節(jié)螺紋副。
圖7是本發(fā)明的探針狀態(tài)檢測裝置4的第一個可選方案。與第一個和第二個較 佳實例中的探針狀態(tài)檢測裝置4的區(qū)別在于將會聚鏡402a變?yōu)闀坨R402b。會
聚鏡402b和會聚鏡402a的功能相同，均是將檢測激光器401出射的激光會聚在探
針的針尖處。
圖8是本發(fā)明的探針狀態(tài)檢測裝置4的第二個可選方案。與第一個和第二個較 佳實例中的探針狀態(tài)檢測裝置4的區(qū)別在于去掉了第三反射鏡404，會聚鏡402a 和會聚鏡402b可以任選一個組合成探針狀態(tài)檢測裝置。
1權(quán)利要求
1、一種探針誘導(dǎo)表面等離子體共振光刻裝置，其特征在于該裝置由表面等離子體激發(fā)裝置、探針控制裝置、樣品臺、探針狀態(tài)檢測裝置、光學(xué)顯微鏡和控制系統(tǒng)組成①所述的表面等離子體激發(fā)裝置為光刻提供能源，該等離子體激發(fā)裝置由光刻激光器、擴(kuò)束鏡、第一反射鏡、聚焦鏡、小半球凸透鏡、折射率油和樣品組成，其位置關(guān)系是所述的折射率油位于所述的小半球凸透鏡的上平面和所述的樣品之間，所述的折射率油的折射率與所述的小半球凸透鏡的折射率相同，由所述的光刻激光器出射的平行光經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束、第一反射鏡反射和聚焦鏡會聚后，經(jīng)所述的小半球凸透鏡、折射率油聚焦在所述的樣品的上表面；②所述的探針控制裝置由探針及探針座、一維壓電陶瓷、支架、螺紋副和電機(jī)構(gòu)成，所述的探針及探針座固定在所述的一維壓電陶瓷上，該一維壓電陶瓷、螺紋副和電機(jī)均安裝在所述的支架上，所述的支架通過電機(jī)的軸端和螺紋副的軸端位于所述的樣品臺的底座上，所述的一維壓電陶瓷驅(qū)動所述的探針及探針座在豎直方向上移動，所述的螺紋副用于手動調(diào)節(jié)所述的探針及探針座的高度，所述的電機(jī)用于驅(qū)動所述的探針在豎直方向上自動逼近所述的樣品；③所述的樣品臺由底座、二維壓電陶瓷、樣品夾持器構(gòu)成，所述的二維壓電陶瓷置于所述的底座上并與所述的樣品夾持器相連，所述的樣品夾持器是樣品放置和固定的平臺，所述的二維壓電陶瓷驅(qū)動所述的樣品夾持器帶動所述的樣品在水平方向上的運動，以調(diào)節(jié)樣品的光刻位置；④所述的探針狀態(tài)檢測裝置由檢測激光器、會聚鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、成像鏡和四象限探測器組成，其位置關(guān)系是由所述的檢測激光器發(fā)出的激光經(jīng)所述的會聚鏡會聚后經(jīng)第二反射鏡反射，會聚點落在所述的探針及探針座的探針針尖背面，由該探針針尖背面反射的反射光經(jīng)第三反射鏡反射、所述的成像鏡成像在所述的四象限探測器上，用于檢測探針針尖的形變從而確定探針針尖與樣品之間的壓力大??；⑤所述的光學(xué)顯微鏡位于所述的樣品臺和所述的探針狀態(tài)檢測裝置的正上方，用于觀察樣品和探針針尖的位置；⑥所述的控制系統(tǒng)分別與所述的光刻激光器、一維壓電陶瓷、電機(jī)、二維壓電陶瓷和四象限探測器相連，根據(jù)所述的四象限探測器提供的數(shù)據(jù)，得到探針與樣品表面之間的狀態(tài)，驅(qū)動所述的樣品臺運動，控制表面等離子體激發(fā)裝置在所述的探針針尖與樣品表面之間產(chǎn)生表面等離子體共振，進(jìn)行光刻。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的探針誘導(dǎo)表面等離子體共振光刻裝置，其特征在于 所述的光刻激光器為脈沖可調(diào)的半導(dǎo)體激光器，或由固體連續(xù)激光器或氣體激光連 續(xù)器和光調(diào)制器組成的脈沖激光器系統(tǒng)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的探針誘導(dǎo)表面等離子體共振光刻裝置，其特征在于 所述的電機(jī)(205)為伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的探針誘導(dǎo)表面等離子體共振光刻裝置，其特征在于 所述的檢測激光器為連續(xù)激光器。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的探針誘導(dǎo)表面等離子體共振光刻裝置，其特征在于 所述的光學(xué)顯微鏡是人眼觀察的顯微鏡，或是電荷耦合器件，或互補(bǔ)式金屬氧化物 半導(dǎo)體作為接收器件的顯微鏡。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的探針誘導(dǎo)表面等離子體共振光刻裝置，其特征在于 所述的聚焦鏡、會聚鏡、成像鏡是一塊透鏡或由多快透鏡組成的透鏡組構(gòu)成的。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的探針誘導(dǎo)表面等離子體共振光刻裝置，其特特征在于 所述的控制系統(tǒng)是一臺計算機(jī)，或由計算機(jī)和控制箱組成。
8、利用權(quán)利要求1所述的探針誘導(dǎo)表面等離子體共振光刻裝置進(jìn)行光刻的方 法，其特征在于包括如下步驟① 將樣品放置在所述的樣品臺的樣品夾持器上并固定；② 調(diào)節(jié)第一反射鏡的位置，使由第一反射鏡反射的光束經(jīng)聚焦鏡聚焦后的光束 與樣品上表面的夾角與樣品的表面等離子體共振角相等；③ 調(diào)節(jié)所述的螺紋副和驅(qū)動所述的電機(jī),使所述的探針針尖向所述的樣品表面 逼近，逼近過程中通過光學(xué)顯微鏡和探針狀態(tài)檢測裝置進(jìn)行檢測，直至所述的探針 針尖與樣品表面之間的距離接近所述的一維壓電陶瓷的量程的中間值，所述的支架 大致水平；④ 在所述的控制系統(tǒng)的控制下，按下述流程進(jìn)行光刻⑤ 驅(qū)動所述的二維壓電陶瓷促動所述的樣品夾持器帶動所述的樣品，使所述樣 品的待刻點位于所述的探針針尖的下方；⑥ 驅(qū)動所述的一維壓電陶瓷使所述的探針針尖進(jìn)一步逼近樣品并與樣品表面 保持幾個納米的距離；⑦ 觸發(fā)所述的光刻激光器發(fā)射出一個激光脈沖，在所述的樣品的表面激發(fā)出表 面等離子體并產(chǎn)生共振，在所述的樣品與探針針尖之間產(chǎn)生局域增強(qiáng)場，利用此局 域增強(qiáng)場產(chǎn)生的高溫在樣品的表面刻蝕出光刻點；⑧ 重復(fù)上述步驟⑤、◎、⑦，直至所有的待刻點完成光刻；⑨ 光刻完成后，啟動所述的電機(jī)驅(qū)動探針針尖離開所述的樣品表面。
9、 利用權(quán)利要求1所述的探針誘導(dǎo)表面等離子體共振光刻裝置對光刻后的樣 品進(jìn)行原子力掃描的方法，其特征在于包括如下步驟① 控制所述的二維壓電陶瓷，使探針針尖位于待掃描區(qū)域起點的上方；② 根據(jù)采集四象限探測器的信號控制所述的一維壓電陶瓷，使所述的探針針尖 接觸所述的樣品表面并保持壓力值恒定，或保持恒定的距離；③ 記錄所述的一維壓電陶瓷的輸出值，作為樣品表面高度信息；④ 重復(fù)上述步驟①、②、③，直至掃描完全部待掃描區(qū)域；⑤ 使探針針尖離開所述的樣品表面，通過軟件處理樣品表面信息得到樣品表面 形貌。
10、 利用權(quán)利要求1所述的探針誘導(dǎo)表面等離子體共振光刻裝置對尚未光刻的 樣品進(jìn)行原子力掃描的方法，其特征在于包括如下步驟① 將樣品放置在所述的樣品臺的樣品夾持器上并固定；② 調(diào)節(jié)第一反射鏡的位置，使由第一反射鏡反射的光束經(jīng)聚焦鏡聚焦后的光束 與樣品上表面的夾角與樣品的表面等離子體共振角相等；③ 調(diào)節(jié)所述的螺紋副和驅(qū)動所述的電機(jī)，使所述的探針針尖向所述的樣品表面 逼近，逼近過程中通過光學(xué)顯微鏡和探針狀態(tài)檢測裝置進(jìn)行檢測，直至所述的探針 針尖與樣品表面之間的距離接近所述的一維壓電陶瓷的量程的中間值，所述的支架 大致水平；④ 控制所述的二維壓電陶瓷，使探針針尖位于待掃描區(qū)域起點的上方；⑤ 根據(jù)采集四象限探測器的信號控制所述的一維壓電陶瓷，使所述的探針針尖接觸所述的樣品表面并保持壓力值恒定，或保持恒定的距離；⑥ 記錄所述的一維壓電陶瓷的輸出值，作為樣品表面高度信息；⑦ 重復(fù)上述步驟④、 、 ，直至掃描完全部待掃描區(qū)域；⑧ 使探針針尖離開所述的樣品表面，通過軟件處理樣品表面信息得到樣品表面 形貌。
全文摘要
一種探針誘導(dǎo)表面等離子體共振光刻裝置及其光刻方法，該裝置由表面等離子體激發(fā)裝置、探針控制裝置、樣品臺、探針狀態(tài)檢測裝置、光學(xué)顯微鏡和控制系統(tǒng)組成。該裝置具有光刻所需激光功率低、光刻分辨率高、不易損壞探針、光刻膜層簡單的特點，該裝置還具有原子力顯微鏡的功能。
文檔編號G02B21/00GK101408736SQ20081020297
公開日2009年4月15日 申請日期2008年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月19日
發(fā)明者唐曉東, 徐文東, 李小剛, 洪小剛, 趙成強(qiáng) 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所