[发明专利]一种基于导模干涉的超分辨直写光刻机及其光刻方法

说明书

技术领域

本发明涉及微电子、微纳光子器件制备等微纳加工领域的光刻机技术领域，特别涉及一种基于导模干涉的超分辨直写光刻机及其光刻方法。

背景技术

光刻技术是一种精密的微细加工技术。现有的超分辨光刻机技术主要包括离子束、电子束、X射线光刻，扫描探针显微技术，近场光学显微镜技术，纳米压印，表面等离子体干涉光刻技术等。上述主要的光刻手段在实际应用中都有着局限性。其主要存在的问题为：

1、操作不便。电子束光刻对真空的要求限制了其使用范围，离子束光刻也需要在真空下工作。

2、成本高。X射线多是同步辐射加速器所产生的，而诸如电子束光刻技术的设备造价昂贵，维护开销巨大。

3、产率低。如基于近场光学显微镜的光刻技术需要精密的近场距离控制系统，扫描速度慢，刻写范围小，操作复杂。同样的问题也存在于电子束、离子束曝光技术。

4、稳定性差。传统设备诸如近场光纤探针等容易损坏，要定期更换。电子束也容易对样品造成破坏。纳米压印等利用掩模版的超分辨光刻技术，必须注意掩模板在使用过程中的挤压、受热变形，而且掩模板本身的制作也具有相当大的难度。

5、要求苛刻。表面等离子体干涉光刻技术中，由于表面等离子体的穿透深度小，所以要求光刻胶厚度必须很薄，否则，表面等离子体不易被激发。另外，表面等离子体的损耗大、传输距离短，很难实现大面积亚波长光栅的刻写，且只有TM光才能激发表面等离子体。

发明内容

本发明的目的是克服现有超分辨光刻机技术的不足，提出一种基于长波紫外或可见光波段的激光所激发的导模干涉场实现高宽比、长宽比均较大的亚波长光栅的大面积刻写，是一种低成本、实用性强的超分辨光刻机技术。

实现上述目的的技术方案如下：

一种基于导模干涉的超分辨直写光刻机，该光刻机包括：激光光源，近端反射镜，偏振元件组，光刻胶，金属薄膜，玻璃基底，匹配油，棱镜和远端反射镜；其中：

所述的偏振元件组，用于改变激光的偏振方向，得到可以激发损耗小、传输距离长的导模的TE或TM偏振光；

所述的激光光源，用于激发多层平面薄膜中的导波模式，简称导模，所述激光光源所发射激光，经过近端反射镜反射后，通过改变偏振方向的偏振元件组后，使之形成TE或TM偏振光，TE或TM偏振光以一个选定的固定角度入射到金属薄膜与玻璃基底的界面激发前向传播的导模；同时，从棱镜反射出来的激光经右侧的远端反射镜反射后，重新入射到金属薄膜与玻璃基底的分界面激发后向传播的导模；两列导模相互干涉从而在光刻胶中形成周期性干涉场，曝光光刻胶；然后通过显影、定影等后续工艺处理，便可在金属薄膜上得到超分辨光栅。

进一步的，所用偏振元件组是由偏振片及1/2波片组成的偏振元件组。

进一步的，所述的激光光源为长波紫外激光光源，或可见光波段激光光源，优选的如：325nm波长的氦镉激光器。

进一步的，所述的超分辨光栅的周期可以通过导模的选择来控制，从而实现不同周期的亚波长超分辨光栅的刻写。

进一步的，通过TE或TM偏振光激发不同的导模，实现大面积亚波长超分辨光栅刻写。

进一步的，通过改变光刻胶的厚度，得到不同波矢的导模，通过导模的选择来实现不同周期、不同高宽比的亚波长超分辨光栅刻写。

进一步的，通过改变所述的激光光源的光源波长和/或玻璃基底上所镀金属种类，得到不同导模，并通过选择合适的导模，以实现大面积亚波长超分辨光栅的刻写。

进一步的，在上述基于导模干涉的超分辨直写光刻机的技术上，提出一种基于导模干涉的超分辨直写光刻机的光刻方法，具体步骤如下：在玻璃基底上蒸镀一层金属薄膜，进而旋涂数百纳米厚的光刻胶，烘干后通过与棱镜折射率相近的匹配油置于棱镜上；激光光源所发射激光，经过近端反射镜反射后，通过改变偏振方向的偏振元件组后，使之形成TE或TM偏振光，再通过棱镜，以一个选定的固定角度入射到玻璃基底与金属薄膜的界面激发前向传播的导模；同时，从棱镜中反射出来的激光经右侧的远端反射镜反射后，重新入射到玻璃基底与金属薄膜的界面激发后向传播的导模；两列导模在光刻胶中形成周期性干涉场，曝光光刻胶；最后通过显影、定影等后续工艺处理，便可在金属薄膜上得到超分辨光栅。

本发明技术方案的原理为：

所述激光光源，通过所设计的光路，可以激发不同的导波模式，其相互干涉在光刻胶中形成周期性分布的条纹。此过程无需掩模，并且此结构可以通过照射光场进行动态调控；