增強型局域表面等離子體共振納米直寫光刻

王耀輝，何家玉，王長濤，姚　納，羅先剛

( 中國科學院光電技術研究所 微細加工光學技術國家重點實驗室，成都 610209 )

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增強型局域表面等離子體共振納米直寫光刻

王耀輝，何家玉，王長濤，姚納，羅先剛

( 中國科學院光電技術研究所 微細加工光學技術國家重點實驗室，成都 610209 )

摘要：本文將Bowtie孔徑結構與金屬-介質-金屬結構相結合，提出了一種新的局域表面等離子體共振納米直寫光刻結構，得益于金屬-介質-金屬結構中頂層透射Ag對透射光的放大增強以及底層反射Ag對透射光的反射補償作用，聚焦光斑的尺寸得到壓縮的同時深度得到了顯著提高，理論仿真中當焦斑的FWHM為28 nm時，焦斑深度可以達到20 nm以上，這相對于傳統(tǒng)納米直寫光刻結構，將焦斑的深度提升了4倍。隨后，通過相關驗證實驗在光刻膠中獲得了FWHM為47 nm，曝光深度為25 nm的焦斑圖形，進一步證實了該結構在壓縮焦斑尺寸以及提升焦斑深度上的顯著優(yōu)勢。

關鍵詞：局域表面等離子體共振；納米直寫光刻；Bowtie孔徑結構；金屬-介質-金屬結構

0　引言

近年來，一系列光學奇異現(xiàn)象的研究證實，表面等離子體(Surface Plasmon，SP)本身具備了短波長傳輸以及倏逝波耦合放大等獨特的光學特性[1]。通過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，為超衍射光學成像、光刻和傳輸?shù)难芯堪l(fā)展帶來了新機遇[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受到了廣泛關注，其以超越衍射極限的高分辨率以及簡單的系統(tǒng)結構滿足了人們對新一代光刻技術的要求，有望成為一種新的高效、低成本、高分辨力的微細加工手段。

2006年，Xu Xianfan 的研究小組首次通過利用Bowtie小孔在納米直寫光刻實驗中獲得了半高全寬(FWHM)小于100 nm的聚焦光斑[3]，證實了這種Bowtie形狀的亞波長孔徑結構相對于傳統(tǒng)的圓形、方形亞波長開孔結構能夠克服波長截止效應的限制，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孔徑結構在納米直寫光刻上的應用前景受到了廣泛關注。2012年，J. Hahn的研究小組報道了利用Bowtie孔徑結構制成的接觸式探針進行納米直寫光刻的實驗結果，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孔徑結構進行納米直寫光刻的實驗中，由于透射光在Bowtie結構下表面的尖端處發(fā)生嚴重散射，同時強度沿垂直界面方向呈指數(shù)衰減[6,8]，使得實驗得到的光刻圖形質量低、深寬比較小。這限制了Bowtie孔徑結構在納米直寫光刻上的進一步應用。

針對這一問題，本文利用金屬-介質-金屬結構(Metal-Insulator-Metal, MIM結構)取代了傳統(tǒng)方法中使用的單一光刻膠作為光學記錄介質，將Bowtie小孔與金屬(M)-介質(I)-金屬(M)結構相結合構成一種新的基于Bowtie小孔的局域表面等離子體光刻結構，簡稱為BMIM結構，與其成對比的是通常將Bowtie小孔直接與光刻膠相接觸進行曝光的光刻結構，簡稱為BI結構。下面對BMIM光刻結構的組成、原理、仿真計算結果以及驗證實驗進行介紹。

1　BMIM光刻結構

圖1為BMIM和BI光刻結構示意圖，在兩種光刻結構中，Bowtie孔徑結構均通過聚焦離子束(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孔徑結構所在金屬掩模層的材料。BMIM光刻結構中，光學記錄介質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光刻結構中，光學記錄介質僅為石英基底上旋涂的一層厚度為30 nm的光刻膠?？紤]Bowtie小孔結構的加工誤差，以及分離式曝光實驗中Bowtie小孔所在掩模與光學記錄介質之間的間隙，在結構設計中引入了厚度為5 nm的空氣層，以使仿真結果更接近真實情況。

圖1　BMIM光刻結構及其對照結構示意圖Fig.1　Schematic diagram of BMIM and its comparative lithography structure

當偏振方向垂直于Bowtie小孔間隙的光垂直入射到Bowtie小孔上表面時，Bowtie小孔所在Cr掩模中的自由電子被激發(fā)并沿Bowtie小孔邊緣進行重新排布，自由電子在Bowtie小孔兩個亞波長尺寸的尖端處大量堆積振蕩，產生極強的極化電場。當極化電場中的波矢與表面等離子體的波矢相匹配時，便在小孔亞波長尖端處激發(fā)得到局域表面等離子體，進一步地通過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結構上表面尖端處得到增強和限域的電場能夠透過Bowtie小孔的亞波長間隙，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光刻結構中，經(jīng)過Bowtie小孔得到增強和限域的透射光被作為光學記錄介質的MIM結構耦合進入光刻膠，在此過程中，先后經(jīng)過起到超透鏡作用[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的反射補償，在MIM波導結構中形成新的局域表面等離子體共振模式，使得經(jīng)過Bowtie小孔透射增強的場強在光刻膠中得到二次調制和放大。

2　BMIM光刻結構仿真結果分析

為了證實BMIM光刻結構在增強透射以及壓縮焦斑上相對于傳統(tǒng)BI光刻結構的優(yōu)勢，這里使用Comsol Multiphysics 4.3仿真平臺建立了圖1所示的BMIM三維模型并對其進行了仿真驗證。仿真計算中采用入射光波長為365 nm，偏振方向垂直于Bowtie小孔間隙方向。在365 nm波長下，結構中材料的介電常數(shù)分別為：εA1=-19.4+ i3.6，εAg=-2.4+i0 .25，εPR=2.59，εSiO2=2.13[11]。

由仿真結果可以發(fā)現(xiàn)兩種光刻結構在光刻膠中形成的聚焦光斑尺寸和強度的變化趨勢完全不同。如圖2(a)和(b)，通過對比兩種結構中心截面處的電場強度分布可知，在BI結構中，透射光在小孔下表面的尖端處發(fā)生嚴重的散射，經(jīng)過5 nm的空氣層后在光刻膠上表面處的強度僅有入射光強的1.5倍左右，這必然導致焦斑尺寸的展寬和曝光深度的變淺；而在BMIM結構中，透射光從Bowtie小孔的下表面被耦合進MIM結構中，形成新的局域表面等離子體共振，使其在MIM結構中得到了上層Ag的透射增強以及底層Ag的反射補償，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度及輻射形貌，形成了類似“紡錘形”的電場強度分布。圖2(c)和(d)給出了兩種結構光刻膠中心位置附近聚焦光斑的電場分布情況，相對于在BI結構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結構下的焦斑尺寸僅為28 nm，相對于BI結構壓縮了近77 %，同時焦斑強度提升了近5倍。需要說明的是，這里BMIM結構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記錄物質與光相互作用效果的影響，可以通過進一步縮小Bowtie小孔中心間隙尺寸以及選用更好性能的光刻膠來進一步壓縮焦斑尺寸。

圖2　BMIM光刻結構及其對照結構仿真效果示意圖Fig.2　Simulation results of BMIM lithography structure and its comparative lithography structure.

圖3給出了兩個結構光刻膠中聚焦光斑的強度增強因子與FWHM在光刻膠中的變化情況。BI結構中，聚焦光斑的FWHM從光刻膠上表面的40 nm迅速展寬到135 nm，同時強度增強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強度驟減的場分布在光刻膠中進行感光，勢必會導致所獲得到的圖形邊緣模糊，對比度差，分辨力低。而在BMIM光刻結構的光刻膠中，聚焦光斑的FWHM始終保持在50 nm以下，同時其強度保持為入射光強度的5～10倍，呈現(xiàn)兩端強度高，中間強度低的變化趨勢，這與圖2中得到的“紡錘形”的電場分布相吻合。

圖3　兩種光刻結構下，聚焦光斑強度與尺寸在光刻膠中變化對比曲線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　驗證實驗結果及分析

圖4(a)給出了通過FIB加工所得的Bowtie孔徑陣列的近場掃描電子顯微鏡示意圖(SEM)，進一步縮小顯微鏡的觀察范圍，可以看到FIB加工的Bowtie結構尺寸與要求加工尺寸的誤差在1 nm以內，同時Bowtie結構邊緣線條的筆直度及縱向的陡直度都很好地滿足了設計要求。

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

在MIM光學記錄介質加工中，首先將底層反射Ag通過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，鍍膜過程中，真空腔體壓強為～3×10?4Pa，沉積速率為3 nm/s，通過原子力顯微鏡(AFM)對加工得到的厚度為50 nm的底層反射Ag的表面形貌進行掃描，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)通過甩膠機以4 800 r/s的轉速旋涂在底層反射Ag上表面，持續(xù)時間30 s，形成厚度為30 nm的光刻膠層，之后將樣品放在100 ℃的熱板上進行烘焙，持續(xù)時間120 s；最后在30 nm光刻膠層上表面通過熱蒸發(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)為借助近場掃描電子顯微鏡得到的MIM光學記錄介質的斷面SEM圖，從圖中可以看出在MIM結構中三層材料界面在較小的檢測范圍下仍清晰可見，均保持了較好的表面粗糙度，通過對鍍膜工藝參數(shù)條件的控制，三層材料厚度的誤差都在5.0 %以下。

圖5　MIM結構各層表面形貌示意圖以及MIM結構斷面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結構斷面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

通過對光刻工藝以及曝光劑量的探索，我們在實驗上獲得了BMIM光刻結構下的曝光焦斑。圖6給出了利用功率為(2.0±0.2) mW/cm2的i線汞燈光源進行曝光，持續(xù)時間為15 s時，通過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，進一步通過原子力顯微鏡檢測得到焦斑的深度為25 nm。將實驗結果與圖2中仿真計算得到的聚焦光斑的電場分布相比較，如圖7?？芍拱叩男螤钆c仿真結果基本吻合，而由于FIB加工Bowtie小孔的誤差，以及近場曝光實驗中Bowtie小孔與光學記錄介質不可能做到如仿真情況下的完全貼緊，使得實驗得到的焦斑尺寸較仿真計算中得到的焦斑尺寸有一定程度的展寬。

圖6　BMIM光刻結構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

近場曝光實驗的相關結果進一步證實了BMIM光刻結構相對于傳統(tǒng)BI光刻結構光斑在壓縮焦斑，增大曝光深度上的顯著優(yōu)勢。另外，在BMIM結構實驗結果中，聚焦光斑在垂直于Bowtie結構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，這與國際上報道的傳統(tǒng)方式下利用Bowtie小孔得到的實驗結果不同。BMIM光刻結構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結構下的1/3左右，這在實驗上進一步證實了MIM結構對透射光的耦合調制作用。

4　結論

本文基于對局域表面等離子體共振的研究，通過將Bowtie孔徑結構與金屬-介質-金屬結構（MIM結構）相結合提出了一種增強型的基于局域表面等離子體共振的納米直寫光刻結構，并在仿真與實驗中證明了新型結構在基于Bowtie孔徑結構的納米光刻中，對焦斑尺寸的壓縮以及曝光深度的提升有著顯著改善作用。該研究結果有望用于納米直寫光刻、超衍射成像、光存儲等領域。

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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。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61138002)

收稿日期：2015-03-11； 收到修改稿日期：2015-04-21

文章編號：1003-501X(2016)01-0071-06

中圖分類號：O53；TN305.7

文獻標志碼：A

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