1、研究背景 21世紀必將是納米科技的時代。納米量級結(jié)構(gòu)作為研究微觀量子世界的重要基礎(chǔ)之一, 由于光刻的高生產(chǎn)率，光刻已經(jīng)成為一個制作微納結(jié)構(gòu)的強大工具。為了提高其能力,光刻技術(shù)已經(jīng)向兩個主要方向發(fā)展:高分辨率,高生產(chǎn)量和高速光刻。 傳統(tǒng)的遠場光刻由于受衍射極R=/2NA(是入射光波長,NA是數(shù)值孔徑)的限制, 雖然可以通過減小和增大NA提高分辨率,但是其依然面臨技術(shù)和成本的困難。遠場光刻從根本上無法突破衍射極限的限制,近場光學(xué)的分辨率不受衍射極限的限制。為了克服衍射極限，研究人員嘗試基于近場光刻開發(fā)新的光刻過程。研究表明采用亞波長孔徑的近場光刻系統(tǒng)可以比遠場光刻系統(tǒng)具有更強的光透射量和更好的光學(xué)

2、分辨率。而且近場光刻頭直寫光刻方法，還具備可以在不同位置施加以不同劑量的光強，從而得到在二維直寫中體現(xiàn)出第三維差異的圖形的優(yōu)勢，這是傳統(tǒng)光刻方法難以實現(xiàn)的。由于直寫頭的靈巧性，甚至可以直接應(yīng)用于三維結(jié)構(gòu)的直寫中。研究現(xiàn)狀 韓國延世大學(xué)的一個研究小組采用了兩種方案：兩者都采用了裝有固體浸沒透鏡（SIL）的鋁薄膜上的領(lǐng)結(jié)（bowtie）形狀高透射能量納米孔隙，不同的是1)一種是非接觸式探針光刻方案，在孔隙上覆蓋以電介質(zhì)保護層，保護層的厚度規(guī)定了光刻探頭與光刻膠的間距，再用差距信號控制器控制孔隙與光刻膠的間距，達到的最高光刻速度200mm/s ；2)另一種方案是采用了接觸式探針光刻技術(shù)，采用變形彈簧

3、并使用壓電控制器來控制光學(xué)頭與光刻膠之間的接觸力度，受到工作臺的速度限制影響，達到的最高光刻速度為10mm/s。 Srituravanich 等制作了一個44等離子透鏡陣列附加到一個硬盤直寫頭上，硬盤直寫頭利用空氣動力學(xué)原理懸浮在旋轉(zhuǎn)硬盤上方20nm，獲得了12m/s的光學(xué)直寫速度。然而，其探頭接觸面積大，懸浮間距的準確控制存在一定困難；更重要的是，其軌跡方式受到嚴格限制（高速圓周運動），不適用于復(fù)雜圖形，也不適合并行工作方式。方案優(yōu)選方向 研究表明采用亞波長孔徑，如C型（C sharp）納米孔徑，領(lǐng)結(jié)（bowtie）形納米孔徑及其他形狀孔徑并使用固體浸沒透鏡（SIL）的近場光刻系統(tǒng)可以比遠場

4、光刻系統(tǒng)具有更強的光透射量和更好的光刻分辨率。 為了實現(xiàn)高分辨率，考慮到光產(chǎn)生的消散場呈指數(shù)式衰減，且光學(xué)孔隙與光刻膠的間距容易被各種環(huán)境條件如濕度、溫度所影響,精確控制光學(xué)孔隙與光刻膠的間距使其保持在十納米量級是其關(guān)鍵問題 ，一般采用閉環(huán)控制器控制兩者間距。 為了實現(xiàn)高速光刻，在被動保持納米間隙距離的情況下，采用并行工作的納米孔隙直寫頭陣列的方案很有前途，有望實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。 Plasmonic nanolithography with a solid immersion lens-based plasmonic optical head 為了克服近場光刻中存在的難題，Kyoung-Su P

5、ark等人設(shè)計了一中等離子納米光刻系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用帶有納米尺寸的小孔的固體浸沒透鏡作為光刻探頭來突破衍射極限，實現(xiàn)近場光刻分辨率的提高。并且該系統(tǒng)具有保持保持光刻探頭和光刻膠間的間隙的伺服控制系統(tǒng)，使得光刻時光刻探頭工作時穩(wěn)定在光刻膠表面的固定的位置，實現(xiàn)光刻的高速化。使用該系統(tǒng)，他們獲得了分辨率低于130nm的光刻圖案，并且光刻速度達到200mm/s，光刻探頭保持在光刻膠表面20nm處。Design of Plasmonic SIL Optical Head等離子SIL光刻探頭的設(shè)計如圖所示，=405nm的激光用來產(chǎn)生局部表面等離子共振進行光刻，=785nm的激光用來產(chǎn)生消散波由動態(tài)納米間隙

6、控制器保持光刻探頭與光刻膠表面的間隙。納米小孔采用C型孔，由FIB工藝在鋁膜上制得。等離子SIL光刻探頭的制造工藝流程Fabrication of Plasmonic SIL Optical HeadControl process schematic of full system configurationDesign of Nanogap Control Algorithm該系統(tǒng)有個模式切換伺服系統(tǒng)(Mode-switching Servo)，有四種工作模式Approach mode、Handover mode、Closed-loop gap servo mode和Safety mode，以

7、保證光刻過程中探頭的快速移動和安全。The experiment air-gap position signal using a SIL on a PC diskAir gap controller由DOB、dead-zone nonlinear controller和base air-gap controller組成。其中，間隙錯誤信號（GES）由base air-gap controller檢測。Block diagram of the servo system 間隙控制伺服系統(tǒng)(Gap servo controller)由disturbance observer（DOB）、dead-zo

8、ne nonlinear controller，narrow-band disturbance filter（NBDF）和base air-gap controller組成。e(k)r(K)d(k)y(k)P(z)-Q(z)Q(z)C(z)+CNBDF(z)QPN-1(z)QPN-1(z)UNBDF(k)Ubase(k)Experiment Setup405nm波長的激光用來光刻，780nm波長的激光用來進行光刻探頭和光刻膠間的間隙控制。光刻頭嵌入到一個300nm厚的鋁膜中，C-shape納米小孔鑲嵌在SIL的中心，通過動態(tài)間隙控制使得探頭穩(wěn)定在光刻膠上方的20nm處。Schematic of

9、 the plasmonic nanolithography optical head with the SIL-based near-field opticsSchematic of the experimental setup for the plasmonic nanolithography system using a plasmonic optical head with a near-field active-gap control. 785nm波長激光光源部分，用來保持探頭和光刻膠間的間隙The experimental setup for plasmonic nanolitho

10、graphy1 簡單示意圖簡單示意圖2 探頭部分介紹探頭部分介紹3 整體實驗平臺建立整體實驗平臺建立納米光刻簡單示意圖3個部分：個部分：激光源部分：Use 405nm dilde laser;機械快門控制曝光時間。光學(xué)顯微鏡部分：這個部分為了光學(xué)對準。NA為0.8的物鏡安裝在顯微鏡上，組裝顯微物鏡和SIL獲得NA為1.2，能高精度地定位納米孔隙。所以這些只能在Z軸直線運動，具有100nm的分辨率，sample是放在能在xy方向掃描的受PZT驅(qū)動的平臺上，具有2nm的分辨率。納米孔隙部分：是近場光刻系統(tǒng)的核心部分，探頭部分的結(jié)構(gòu)探頭部分的結(jié)構(gòu)懸持結(jié)構(gòu)的設(shè)計懸持結(jié)構(gòu)的設(shè)計:傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)接觸時，

11、產(chǎn)生水平方向的位移，定位精度低接觸時，受力均勻，定位精度高規(guī)格參數(shù)：規(guī)格參數(shù)：激光發(fā)生器（laser source）：Crystalaser, BCL-025-405S；顯微物鏡（objective lens）：Nikon CFI LU Plan Epi EL WD 100 x；光刻膠（positive photoresist）：Dongjin Semichem, DPR i-7200P；壓電控制器模塊（piezo controller module）：Physik Instrumente, E-509.S3, E-516 & E-503（控制sample satge的運動，0.4nm

12、的x、y方向定位精度）；數(shù)字模式I/O模塊（digital pattern I/O board）:National Instruments,NI-6534；通過控制光源功率、stage的移動速度、曝光時間來調(diào)節(jié)曝光劑量，從而可以得到各種不同線寬的尺寸（最小30nm的分辨率）。實驗結(jié)果實驗結(jié)果 雖然飛行等離子體透鏡光刻陣列系統(tǒng)可以獲得很高的光刻速度。但這種飛行模式需要建立在旋轉(zhuǎn)基地的基礎(chǔ)之上，并且氣流速度需要達到一個明確的級別之上才能產(chǎn)生足夠的空氣動力學(xué)升力來保持等離子體飛行頭和光刻膠之間的納米間隙。這個間隙很容易受到環(huán)境影響，比如濕度或溫度。而且隨著陣列透鏡數(shù)量的增加，其探頭接觸面積大，納米間

13、隙的準確控制會變得更加困難。更重要的是這種模式的運動軌跡受到嚴格控制，不適用于復(fù)雜圖形的光刻，而且不適合于并行工作方式。韓國延世大學(xué)的納米光刻實驗室提出了一種高分辨率和高光刻速度的納米光刻直寫系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有一個接觸探頭。采用接觸式探頭，可以穩(wěn)定的控制探頭與光刻膠間的納米間隙，并且移除了復(fù)雜的間隙控制系統(tǒng)，實現(xiàn)刻寫的高速化。而且這種結(jié)構(gòu)可以容易的實現(xiàn)多探頭的陣列，使每個探頭都能很好的保持與光刻膠間的納米間隙，提高光刻的效率。使用具有接觸式探頭的納米光刻系統(tǒng)，他們通過實現(xiàn)獲得了50nm的光刻分辨率和10mm/s的光刻速度。接觸式探頭的等離子納米光刻 接觸式探頭是該系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。它基于一個SIL

14、透鏡，通過離子束縛住沉積的方法在SIL下表面覆蓋一層120nm厚的AI膜，并使用FIB工藝在AI膜上得到一個領(lǐng)結(jié)型（bowtie nano-aperture）納米小孔，提高光的透射能量。再在AI上覆蓋一層透光的絕緣保護層（SiO2玻璃），保護納米小孔不受污染并且穩(wěn)定的控制接觸探頭和光刻膠間的納米級間隙。最后探頭的最外層覆蓋有一層SAM，減小探頭和光刻膠間的摩擦和阻力。該接觸式探頭放置在一個特殊的圓形金屬彈簧上。該彈簧由50um厚的不銹鋼制成，彈性常數(shù)K=130N/m。探頭和光刻膠接觸后，彈簧發(fā)生形變，產(chǎn)生132.5N的豎直載荷，用來保證探頭和光刻膠間的接觸。使用該系統(tǒng)，可以在光柵掃描模式下，控

15、制光源發(fā)的開關(guān)信號，在精確位置進行光刻，得到復(fù)雜的光刻圖形。接觸式探頭結(jié)構(gòu)示意圖接觸探頭的加工工藝流程1，沉積2nm厚的Cr層，提高AI膜和SIL間的黏附性。2，沉積AI膜。3，加工納米小孔。4，沉積SiO2玻璃層。5，為了使SiO2玻璃層不僅能夠保護納米小孔不受污染，而且還能穩(wěn)定控制探頭與光刻膠間的納米間隙，其厚度由300nm減小到10nm。6，蒸渡SAM層。具有接觸使探頭的等離子納米光刻系統(tǒng)框圖實驗平臺的搭建試驗系統(tǒng)中所用儀器型號：激光發(fā)生器（laser source）：Crystalaser, BCL-025-405S；顯微物鏡（objective lens）：Nikon CFI LU

16、Plan Epi EL WD 100 x；光刻膠（positive photoresist）：Dongjin Semichem, DPR i-7200P；Piezo controller module：Physik Instrumente, E-509.S3, E-516 & E-503（控制piezo satge的運動，在X、Y方向上具有0.4nm的定位精度；Sample stage controller: National Instruments,NI-6534；AFM：Park systems，XE-100（a）（b）實驗結(jié)果（a）：單條直線的光刻，線寬50nm（FWHM），光刻

17、速度10mm/s；（b）：多條直線的陣列光刻，線寬150nm，間距1um，光刻速度 10mm/s。arbitrary shape，a spider with acontact probe光柵掃描模式下的復(fù)雜圖形光刻結(jié)果，光刻速度1mm/s，由4800個像素點組成。（a）line pattern（b）在SIL探頭系統(tǒng)下，實驗結(jié)果如圖所示。（a）：光刻速度1mm/s，最小線寬150nm。（b）：采用接觸式探頭的激光直寫光刻可以實現(xiàn)任意形狀的光刻。（a）Line pattern having a width 30 nm（b）high-speed scanning pattern在納米小孔探頭系統(tǒng)下，

18、實驗結(jié)果如圖（a）：光刻速度1mm/s，沿X軸方向。（b）：510mm/s光刻速度下得到的不同線寬的光刻直線使用接觸式探頭的納米等離子光刻系統(tǒng)可以容易的實現(xiàn)近場光刻中的納米間隙的穩(wěn)定控制，而且也容易實現(xiàn)多探頭的陣列進行并行光刻。但是光刻過程中，由于探頭要和光刻膠發(fā)生接觸，刮擦和磨損的現(xiàn)象會始終存在，這種方式不適合高速光刻。為了克服飛盤式和接觸式納米光刻系統(tǒng)的缺點，延世大學(xué)又提出了一種基于SIL非接觸式探頭的等離子納米光刻系統(tǒng)，在SIL探頭的底部又一個C形的高透射能量納米孔隙。該納米光刻系統(tǒng)使用主動間隙控制器（active gap controller）采集間隙誤差信號（GES）來精確地控制SIL探頭和光刻膠間的納米間隙，能使間隙穩(wěn)定的穩(wěn)持在20nm。因此，由于光刻過程中，探頭不會和光刻膠產(chǎn)生接觸，使用該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高速光刻。該系統(tǒng)光刻速度達到200mm/s，分辨率達到130nm。（a）（b）該光刻系統(tǒng)使用