專利名稱：一種基于移相原理提高分辨率的超衍射成像器件及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于移相原理提高分辨率的超衍射成像 器件及其制作方法。
背景技術(shù)：
自2000年P(guān)endry提出“完美透鏡”和“超透鏡”的概念以后，基于表面等離子體 的超分辨成像光刻技術(shù)以其低成本、高效率以及高分辨率等優(yōu)點(diǎn)而受到人們的廣泛關(guān)注。 2005年Xiang. Z.首次從實(shí)驗(yàn)上利用“超透鏡”在365nm光源下獲得60nm的超分辨光刻，新 西蘭R. J. Blaikie也對(duì)超透鏡成像光刻做了更深入的研究。然而，盡管“超透鏡”可突破衍 射極限，但它仍然會(huì)由于損耗、散射等因素而限制其分辨率，目前文獻(xiàn)所報(bào)道的超透鏡成像 光刻所獲得的最小線寬為60nm。傳統(tǒng)成像光刻工藝中，移相掩模技術(shù)常被用來(lái)提高光刻系統(tǒng)的分辨率，它通過(guò)在 相鄰?fù)腹鈪^(qū)引入η相位差，在像的邊緣部分產(chǎn)生干涉相消的作用，以提高像的對(duì)比度，從 而提高成像分辨率。根據(jù)這一原理可知，若將移相掩模技術(shù)應(yīng)用于超分辨成像光刻中，也將 有效提高光刻分辨率。然而，傳統(tǒng)移相掩模的加工需要在掩模圖形區(qū)域沉積約一個(gè)波長(zhǎng)的 移相層，這對(duì)于線寬只有20nm 40nm的超分辨光刻掩模來(lái)說(shuō)，要在寬度只有20nm 40nm 范圍內(nèi)加工如此厚的移相層顯然是不現(xiàn)實(shí)的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有超分辨成像光刻難以實(shí)現(xiàn)40nm及以下光 刻分辨力的問(wèn)題，提供一種提高分辨率的移相超衍射成像器件及其制作方法，該成像器件 具有能有效提高分辨率、容易加工等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足40nm以下線寬的超衍射光刻應(yīng)用需 求。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種基于移相原理提高分辨率的超 衍射成像器件，其特征在于最底部的紫外光透明基片和其上帶有圖形的鉻膜組成鉻掩模， 鉻掩模的透光部分交替填充著PMMA和金屬銀材料，填充的PMMA和金屬銀材料的厚度與鉻 膜的厚度相等，保證交替填充材料之后鉻掩模的表面平整度，鉻掩模及填充材料之上分別 為厚度為25nm 55nm PMMA匹配層和厚度為30nm 35nm金屬銀層。所述鉻膜的厚度為 50nm,以保證鉻膜對(duì)波長(zhǎng)365nm的紫外光透過(guò)率在5 %以內(nèi)，并使填充材料后鉻膜上相鄰?fù)?光區(qū)的相位差約為π ； ；25nm 55nm的PMMA匹配層和30nm 35nm金屬銀層能夠很好的 實(shí)現(xiàn)表面等離子體的動(dòng)量匹配，盡可能的傳遞包含高頻信息在內(nèi)的各種信息，實(shí)現(xiàn)超分辨 成像。制作上述用于提高超透鏡成像光刻分辨率的移相掩模，步驟如下(1)選擇石英或氟化鈣等材料制作紫外光透明基片；(2)利用濺射或蒸鍍方法在紫外光透明基片一面上加工厚度50nm的鉻膜，使鉻膜對(duì)波長(zhǎng)365nm的紫外光透過(guò)率在5%以內(nèi)；(3)利用聚焦離子束在所述鉻膜上加工20nm 40nm的密集納米圖形；(4)通過(guò)電子束誘導(dǎo)沉積，使相互間隔的圖形凹槽中填充金屬銀材料；(5)利用旋涂的方法在樣片上涂上IOOnm 200nm的PMMA，使PMMA填滿剩下的凹 糟，并使樣片表面粗糙度小于Inm ；(6)利用反應(yīng)離子刻蝕機(jī)將鉻膜之上的PMMA刻蝕至25 55nm的厚度；(7)利用濺射或蒸鍍方法在PMMA表面沉積一層30 35nm的金屬銀膜，即可制成 用于提高超透鏡成像光刻分辨率的移相掩模。所述步驟(3)中聚焦離子束加工的圖形深度應(yīng)當(dāng)大于等于鉻膜的厚度，以保證透 光區(qū)徹底透光。所述步驟中銀的厚度與鉻膜的厚度相等，其誤差不得大于5%，以保證填充材 料后的鉻掩模的表面為一個(gè)平面。所述步驟(5)中旋涂PMMA的次數(shù)可為2次及以上，使PMMA充分填滿凹糟，并保證 樣片的表面粗糙度小于lnm。所述步驟(6)中反應(yīng)離子刻蝕的氣體可以為02。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明在普通鉻掩模的相鄰?fù)腹鈪^(qū)交替填充對(duì)紫外光分別具有正負(fù)介電系數(shù) 的PMMA和金屬銀材料，分別對(duì)透射光進(jìn)行相位延遲和相位超前的調(diào)制，從而大大增強(qiáng)相鄰 透光區(qū)相位差的調(diào)制效率，使移相層在較薄的厚度范圍內(nèi)即可獲得η相位差，提高成像分 辨率。此外，在紫外光波段，金屬銀還能對(duì)含有亞波長(zhǎng)信息的消逝波進(jìn)行放大，抵消由于吸 收所帶來(lái)的能量損耗，提高光能利用率。(2)與傳統(tǒng)的超衍射成像器件相比，本發(fā)明中的移相超衍射成像器件可有效提高 成像分辨率，實(shí)現(xiàn)40nm及以下密集線條的光刻。在制作方法上，本發(fā)明中的移相超衍射成 像器件無(wú)需在寬度只有20nm 40nm范圍內(nèi)沉積約一個(gè)波長(zhǎng)的移相層，而只需在圖形透光 區(qū)中交替填充約50nm厚的PMMA和金屬銀即可。該移相超衍射成像器件不僅有效的提高了 超分辨成像光刻的分辨率，而且還可以增加光刻的焦深，為40nm以下線寬圖形的超衍射光 刻應(yīng)用提供了一種新型、有效的移相掩模和制作方法。


圖1為本發(fā)明移相超衍射成像器件制作方法的流程圖；圖2為本發(fā)明移相超衍射成像器件結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的步驟3在石英基片加工一定厚度鉻膜后的移相超衍射成像器件結(jié) 構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的步驟4在鉻膜圖形凹槽中填充金屬銀后的移相超衍射成像器件結(jié) 構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明的步驟5在鉻膜圖形剩下的凹槽中填充PMMA后的移相超衍射成像 器件結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明的步驟6經(jīng)反應(yīng)離子束刻蝕PMMA后的移相超衍射成像器件結(jié)構(gòu)示 意圖7為本發(fā)明的步驟7在PMMA上沉積金屬銀后的移相超衍射成像器件結(jié)構(gòu)示意 圖；圖fe和圖8b分別為超透鏡成像光刻中分別使用普通掩模和移相掩模時(shí)的光場(chǎng)分 布，其中照明光波長(zhǎng)為365nm，掩模圖形線寬為20nm周期為40nm ；圖9a和圖9b分別為超透鏡成像光刻中分別使用普通掩模和移相掩模時(shí)的光場(chǎng)分 布，其中照明光波長(zhǎng)為365nm，掩模圖形線寬為30nm周期為60nm ；圖IOa和圖IOb分別為超透鏡成像光刻中分別使用普通掩模和移相掩模時(shí)的光場(chǎng) 分布，其中照明光波長(zhǎng)為365nm，掩模圖形線寬為40nm周期為80nm。圖中1為掩模石英基片，2為鉻膜，3為填充的銀，4為填充的PMMA，5為沉積的銀層。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
詳細(xì)介紹本發(fā)明。但以下的實(shí)施例僅限于解釋本發(fā) 明，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)包括權(quán)利要求的全部?jī)?nèi)容，而且通過(guò)以下實(shí)施例本領(lǐng)域技術(shù)人員 即可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明權(quán)利要求的全部?jī)?nèi)容。本發(fā)明的實(shí)施例1，是制作周期為40nm、線寬為20nm的周期線條的移相掩模，曝光 波長(zhǎng)為365nm，該掩模包括透明石英基底、鉻膜圖形以及透光區(qū)填充的PMMA和金屬銀。該掩模的制作步驟如圖2所示(1)選擇石英制作紫外光透明基片；(2)利用磁控濺射在紫外光透明基片一面上加工厚度為50nm的鉻膜，使鉻膜對(duì)波 長(zhǎng)365nm的紫外光透過(guò)率在5 %以內(nèi)；(3)利用聚焦離子束在所述鉻膜上加工周期為40nm、線寬為20nm的密集型納米圖 形；(4)通過(guò)電子束誘導(dǎo)沉積，使相互間隔的圖形凹槽中填充金屬銀，銀的厚度與鉻膜 的厚度相等，其誤差不得大于5% ；(5)利用旋涂的方法在樣片上涂上IOOnm的PMMA，使PMMA填滿剩下的凹糟，并使 樣片表面粗糙度小于Inm ；(6)利用反應(yīng)離子刻蝕機(jī)將鉻膜之上的PMMA刻蝕至25nm厚；(7)利用磁控濺射在PMMA上沉積一層厚度為30nm的金屬銀層，即可制成實(shí)現(xiàn) 20nm分辨力的移相超衍射成像器件。通過(guò)數(shù)值計(jì)算可知，50nm厚的鉻膜和移相填充材料即可獲得20nm的光刻分辨率。 如圖8所示，圖8a和8b分別為超透鏡成像光刻中分別使用常規(guī)超衍射成像器件和移相超 衍射成像器件時(shí)的光場(chǎng)分布，其中照明光波長(zhǎng)為365nm，掩模圖形線寬為20nm周期為40nm。 顯然，使用常規(guī)超衍射成像器件無(wú)法將20nm的密集線條分辨開來(lái)，而使用實(shí)施例1中所述 的移相超衍射成像器件卻可清晰的分辨出20nm的密集線條。本發(fā)明的實(shí)施例2，是制作周期為60nm、線寬為30nm的周期線條的移相掩模，曝光 波長(zhǎng)為365nm，該掩模包括透明石英基底、鉻膜圖形以及透光區(qū)填充的PMMA和金屬銀。該掩模的制作步驟如圖2所示(1)選擇石英制作紫外光透明基片；
(2)利用磁控濺射在紫外光透明基片一面上加工厚度為50nm的鉻膜，使鉻膜對(duì)波 長(zhǎng)365nm的紫外光透過(guò)率在5 %以內(nèi)；(3)利用聚焦離子束在所述鉻膜上加工周期為60nm、線寬為30nm的密集型納米圖 形；(4)通過(guò)電子束誘導(dǎo)沉積，使相互間隔的圖形凹槽中填充金屬銀，銀的厚度與鉻膜 的厚度相等，其誤差不得大于5% ；(5)利用旋涂的方法在樣片上涂上150nm的PMMA，使PMMA填滿剩下的凹糟，并使 樣片表面粗糙度小于Inm ；(6)利用反應(yīng)離子刻蝕機(jī)將鉻膜之上的PMMA刻蝕至50nm厚；(7)利用磁控濺射在PMMA上沉積一層厚度為35nm的金屬銀層，即可制成實(shí)現(xiàn) 30nm分辨力的移相超衍射成像器件。通過(guò)數(shù)值計(jì)算可知，50nm厚的鉻膜和移相填充材料即可獲得30nm的光刻分辨率。 如圖9所示，圖9a和9b分別為超透鏡成像光刻中分別使用常規(guī)超衍射成像器件和移相超 衍射成像器件時(shí)的光場(chǎng)分布，其中照明光波長(zhǎng)為365nm，掩模圖形線寬為30nm周期為60nm。 顯然，使用常規(guī)超衍射成像器件無(wú)法將30nm的密集線條分辨開來(lái)，而使用實(shí)施例2中所述 的移相超衍射成像器件卻可清晰的分辨出30nm的密集線條。本發(fā)明的實(shí)施例3，是制作周期為80nm、線寬為40nm的周期線條的移相掩模，曝光 波長(zhǎng)為365nm，該掩模包括透明石英基底、鉻膜圖形以及透光區(qū)填充的PMMA和金屬銀。該掩模的制作步驟如圖2所示(1)選擇石英制作紫外光透明基片；(2)利用磁控濺射在紫外光透明基片一面上加工厚度為50nm的鉻膜，使鉻膜對(duì)波 長(zhǎng)365nm的紫外光透過(guò)率在5 %以內(nèi)；(3)利用聚焦離子束在所述鉻膜上加工周期為80nm、線寬為40nm的密集型納米圖 形；(4)通過(guò)電子束誘導(dǎo)沉積，使相互間隔的圖形凹槽中填充金屬銀，銀的厚度與鉻膜 的厚度相等，其誤差不得大于5% ；(5)利用旋涂的方法在樣片上涂上200nm的PMMA，使PMMA填滿剩下的凹糟，并使 樣片表面粗糙度小于Inm ；(6)利用反應(yīng)離子刻蝕機(jī)將鉻膜之上的PMMA刻蝕至55nm厚；(7)利用磁控濺射在PMMA上沉積一層厚度為30nm的金屬銀層，即可制成實(shí)現(xiàn) 40nm分辨力的移相超衍射成像器件。通過(guò)數(shù)值計(jì)算可知，50nm厚的鉻膜和移相填充材料即可獲得40nm的光刻分辨率。 圖IOa和IOb分別為超透鏡成像光刻中分別使用常規(guī)超衍射成像器件和移相超衍射成像器 件時(shí)的光場(chǎng)分布，其中照明光波長(zhǎng)為365nm，掩模圖形線寬為40nm周期為80nm。顯然，使用 常規(guī)超衍射成像器件無(wú)法將40nm的密集線條分辨開來(lái)，而使用實(shí)施例3中所述的移相超衍 射成像器件卻可清晰的分辨出40nm的密集線條。
權(quán)利要求
1.一種基于移相原理提高分辨率的超衍射成像器件，其特征在于最底部的紫外光透 明基片和其上帶有圖形的鉻膜組成鉻掩模，鉻掩模的透光部分交替填充著PMMA和金屬銀 材料，填充的PMMA和金屬銀材料的厚度與鉻膜的厚度相等，保證交替填充材料之后鉻掩模 的表面平整度，鉻掩模及填充材料之上分別為厚度為25nm 55nm的PMMA匹配層和厚度為 30nm 35nm的金屬銀層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于移相原理提高分辨率的超衍射成像器件，其特征在于 所述紫外光透明基片為石英或氟化鈣紫外透明材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于移相原理提高分辨率的超衍射成像器件，其特征在于 所述加工有圖形的鉻膜的厚度為50nm，使鉻膜對(duì)波長(zhǎng)365nm的紫外光透過(guò)率在5%以內(nèi)，并 使填充材料后鉻膜上相鄰?fù)腹鈪^(qū)的相位差約為η。
4.制作如權(quán)利要求1所述的基于移相原理提高分辨率的超衍射成像器件的制作方法， 其特征在于步驟如下(1)選擇石英或氟化鈣等材料制作紫外光透明基片；(2)利用濺射或蒸鍍方法在紫外光透明基片一面上加工厚度50nm的鉻膜，使鉻膜對(duì)波 長(zhǎng)365nm的紫外光透過(guò)率在5 %以內(nèi)；(3)利用聚焦離子束在所述鉻膜上加工20nm 40nm的密集納米圖形；(4)通過(guò)電子束誘導(dǎo)沉積，使相互間隔的圖形凹槽中填充金屬銀材料；(5)利用旋涂的方法在樣片上涂上IOOnm 200nm的PMMA，使PMMA填滿剩下的凹糟， 并使樣片表面粗糙度小于Inm ；(6)利用反應(yīng)離子刻蝕機(jī)將鉻膜之上的PMMA刻蝕至25 55nm的厚度；(7)利用濺射或蒸鍍方法在PMMA表面沉積一層30 35nm的金屬銀膜，即可制成基于 移相原理提高分辨率的超衍射成像器件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制作超衍射成像器件的方法，其特征在于所述步驟(3)中 聚焦離子束加工的圖形深度應(yīng)當(dāng)?shù)扔阢t膜的厚度，其誤差不得大于5%，以保證透光區(qū)徹底 透光。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制作超衍射成像器件的方法，其特征在于所述步驟中 金屬銀的厚度與鉻膜的厚度相等，其誤差不得大于5%，以保證填充材料后的鉻掩模的表面 為一個(gè)平面。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制作超衍射成像器件的方法，其特征在于所述步驟(5)中 旋涂PMMA的次數(shù)可為2次及以上，使PMMA充分填滿凹糟，并保證樣片的表面粗糙度小于 Inm。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制作超衍射成像器件的方法，其特征在于所述步驟(6)中 反應(yīng)離子刻蝕的氣體可以為02。
全文摘要
一種基于移相原理提高分辨率的超衍射成像器件及其制作方法，該超衍射成像器件相鄰的透光區(qū)通過(guò)交替填充具有正負(fù)介電系數(shù)的兩種材料，分別實(shí)現(xiàn)相位延遲和相位超前，大大增強(qiáng)了材料厚度對(duì)相位差的調(diào)制，使該器件更容易實(shí)現(xiàn)π相位差，從而進(jìn)一步提高其成像分辨率。這一方案解決了傳統(tǒng)超衍射成像器件難以實(shí)現(xiàn)40nm線寬以下分辨率的技術(shù)難題，在超分辨成像和納米光刻技術(shù)中具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G03F7/20GK102096334SQ20101061782
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月22日
發(fā)明者馮沁, 劉玲, 方亮, 楊歡, 王長(zhǎng)濤, 羅先剛, 賴之安 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所