發(fā)布時間：2018-07-03 11:25

  本文選題：表面等離子干涉 + 周期減小光刻�。� 參考：《哈爾濱工業(yè)大學》2016年博士論文

【摘要】：隨著微納米加工技術和納米光學技術的發(fā)展,加工周期性光學結構的方法在向著高精度、高分辨率和低成本的方向發(fā)展。其中,基于表面等離子干涉原理的微納米加工技術發(fā)展迅速,擁有很大的應用潛力。運用該原理實現大面積、高深度、周期減小的光刻技術和加工工藝意義重大,是制造納米級特征尺寸光學元件領域的熱點和難點。本課題“基于表面等離子干涉原理的周期減小光刻技術研究”,對該技術領域存在的主要技術問題與科學問題進行了深入地理論分析、仿真模擬和實驗驗證。主要完成的工作如下:1.針對傳統(tǒng)等離子干涉光刻時由于入射波與干涉波的重疊,無法實現周期減小光刻的問題,設計了一種基于雙曲線超材料結構與表面等離子干涉效應的光刻方法。該方法利用雙曲線超材料結構對透過光柵掩膜板的波段進行頻率選擇,屏蔽掉入射波對光刻圖案的影響,從而實現周期減小光刻。根據該方法,設計含有鋁-氧化鋁雙曲線超材料結構和700nm周期鋁光柵的掩膜板,搭建曝光平臺。利用405nm波長的UV激光光源對涂覆在彈性基底上的光刻膠進行曝光,得到了周期350nm(掩膜板周期1/2)、線寬100nm、區(qū)域面積15mm×15mm的均勻光柵圖案。實驗表明:使用該結構進行光刻不需要EUV光源和減震平臺,利用普通UV光源就可以制作大面積的亞波長周期的光柵。2.為了提高基于等離子干涉原理的周期減小光刻的生產效率,優(yōu)化超材料結構,提出了一種用近零折射率(ENZ)超材料多層膜結構與表面等離子干涉相結合的方法。通過對金屬-非金屬構成的多層膜在UV波段產生ENZ超材料特性和等離子干涉波在ENZ超材料中的傳播進行分析,提出針對不同曝光波長和光柵掩膜周期實現周期減小光刻的優(yōu)化設計方法;設計了SPP干涉激發(fā)結構,通過有限元仿真,分析了隔離層的厚度對干涉波的共振強度和波長的影響;計算得到掩膜板光柵周期與SPP干涉波周期的匹配條件,利用該方法可以實現1/n倍(n為偶數)掩膜板光柵周期的周期減小光刻;對多層膜擁有超材料特性所需層數的極限條件進行分析;計算入射光激發(fā)的表面等離子干涉波在垂直方向的波矢,根據波矢調節(jié)ENZ多層膜結構的透射波段實現頻率選擇;對構成ENZ雙曲線超材料的條件進行了分析,給出了適合光刻結構的多層膜材料組合;對220nm周期的鋁光柵掩膜和405nm波長的UV光源,通過建立的優(yōu)化理論設計光刻結構,得到周期為掩膜板周期1/2(110nm)的光柵圖案。3.設計了一種可以在高空間頻率下得到超大曝光深度圖案的等離子光刻方法,克服了傳統(tǒng)等離子光刻中,由于表面等離子波離開金屬表面后成指數衰減所導致的光刻圖案淺的缺點。該結構利用了光柵的一階衍射、表面等離子干涉和多層波導疊加的復合作用:利用空間頻率選擇原理設計光柵和多層波導,從而實現帶通濾波的功能,只將金屬光柵激發(fā)的一階衍射光引入波導中,并在波導結構中產生諧振,使原本傳播距離很短的倏逝波增強為傳遞波,實現周期減小的超大曝光深度光刻。由于受到一階衍射光的限制,該方法只能產生1/2掩膜板周期的圖案。使用周期為245nm的鋁光柵掩膜板進行光刻實驗,曝光顯影后得到了周期122.5nm(掩膜板周期的1/2)、線寬55nm、深度超過100nm的均勻光柵圖案。理論分析與實驗結果證實了該方法可以實現大面積、高深度和周期減小的亞波長光刻。
[Abstract]:With the development of micro nano processing technology and nano optical technology, the method of machining periodic optical structure is developing in the direction of high precision, high resolution and low cost. Among them, the micro nano machining technology based on the principle of surface plasma interferometry has rapid development and has great application potential. The application of this principle to large area and high depth is realized by this principle. Photolithography and processing technology with periodic reduction are of great significance. It is a hot and difficult point in the field of manufacturing nanoscale feature size optical components. This topic is "the study of photolithography based on the principle of surface plasma interference". The main technical and scientific problems in this field are theoretically analyzed. True simulation and experimental verification. The main work is as follows: 1. for traditional plasma interference photolithography, due to the overlap of the incident wave and interference wave, it is impossible to achieve periodic reduction of photolithography. A photoetching method based on hyperbolic hyperbolic structure and surface plasma interference is designed. This method uses hyperbolic hypermaterial structure. The frequency selection of the band through the grating mask plate is selected, and the shielding fall into the impact of the photolithography on the photolithography pattern is shielded, thereby reducing the photolithography. According to this method, a mask plate containing aluminum alumina hyperbolic hyperbolic structure and 700nm periodic aluminum grating is designed, and an exposure platform is built. The 405nm wavelength UV laser light source is used to cover the elasticity. The photoresist on the substrate is exposed, and the uniform grating pattern of the periodic 350nm (the mask plate period 1/2), the line width 100nm and the area area of 15mm x 15mm is obtained. The experiment shows that the use of this structure does not require the EUV light source and the shock absorption platform, and the large area of the sub wavelength period grating.2. can be made by using the ordinary UV light source to improve the basis. The plasma interference principle reduces the production efficiency of photolithography and optimizes the structure of the supermaterial. A method of combining the near zero refractive index (ENZ) supermaterial multilayer structure with the surface plasma interference is proposed. The properties of the ENZ supermaterial in the UV band and the plasma interference wave in the ENZ supermaterial are produced by the multilayer film made of metal and nonmetal. An optimization design method for reducing photolithography for different exposure wavelengths and raster mask cycles is proposed. The SPP interference excitation structure is designed. The influence of the thickness of the isolation layer on the resonance intensity and wavelength of the interference wave is analyzed by the finite element simulation. The period of the mask grating and the interference wave cycle of the SPP are calculated. With this method, the photolithography of the period of 1/n times (an even number of n) masks can be realized by this method, and the limit conditions for the number of layers required for the properties of the supermaterial are analyzed. The wave vector in the vertical direction of the surface plasma interference wave excited by the incident light is calculated and the transmission of the structure of the ENZ multilayer film is adjusted according to the wave vector. The frequency selection is realized in the band. The condition of ENZ hyperbolic hypermaterial is analyzed, and the multilayer film material suitable for the photolithography structure is given. The aluminum grating mask and the UV light source of the 405nm wavelength for the 220nm cycle are designed. The structure of the photolithography is designed by the established optimization theory, and the grating pattern.3. of the cycle period is the 1/2 (110Nm) of the mask plate period. A plasma photolithography method, which can be obtained at high spatial frequencies at high spatial frequencies, has been proposed to overcome the shortcomings of the traditional plasma lithography, due to the exponential decay of the surface plasma waves leaving the metal surface. The structure uses the first order diffraction of the grating, the surface plasma interference and the multilayer wave. The composite effect of guide superposition: using the principle of spatial frequency selection to design the grating and the multilayer waveguide, thus realizing the function of bandpass filtering, only the first order diffraction light excited by the metal grating is introduced into the waveguide, and the resonance is produced in the waveguide structure, which makes the evanescent wave which has the short propagation distance to be the transfer wave, so as to realize the ultra large aeration of the period decreasing. Optical depth photolithography. Due to the limitation of the first order diffraction light, this method can only produce the pattern of the 1/2 mask cycle. Using the aluminum grating mask plate with a period of 245nm, the photolithography experiment is carried out. After exposure development, the period 122.5nm (the 1/2 of the mask plate period), the line width 55nm, the depth over 100nm uniform grating pattern are obtained. The results confirm that this method can achieve large area, high depth and periodic subwavelength lithography.
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN305.7

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本文編號：2093480