增强型局域表面等离子体共振纳米直写光刻

王耀辉，何家玉，王长涛，姚　纳，罗先刚

( 中国科学院光电技术研究所 微细加工光学技术国家重点实验室，成都 610209 )



增强型局域表面等离子体共振纳米直写光刻

王耀辉，何家玉，王长涛，姚纳，罗先刚

( 中国科学院光电技术研究所 微细加工光学技术国家重点实验室，成都 610209 )

摘要：本文将Bowtie孔径结构与金属-介质-金属结构相结合，提出了一种新的局域表面等离子体共振纳米直写光刻结构，得益于金属-介质-金属结构中顶层透射Ag对透射光的放大增强以及底层反射Ag对透射光的反射补偿作用，聚焦光斑的尺寸得到压缩的同时深度得到了显著提高，理论仿真中当焦斑的FWHM为28 nm时，焦斑深度可以达到20 nm以上，这相对于传统纳米直写光刻结构，将焦斑的深度提升了4倍。随后，通过相关验证实验在光刻胶中获得了FWHM为47 nm，曝光深度为25 nm的焦斑图形，进一步证实了该结构在压缩焦斑尺寸以及提升焦斑深度上的显著优势。

关键词：局域表面等离子体共振；纳米直写光刻；Bowtie孔径结构；金属-介质-金属结构

0　引言

近年来，一系列光学奇异现象的研究证实，表面等离子体(Surface Plasmon，SP)本身具备了短波长传输以及倏逝波耦合放大等独特的光学特性[1]。通过电磁波耦合表面等离子体集群振荡，使倏逝波的位相、振幅和传输行为操控成为了可能，为超衍射光学成像、光刻和传输的研究发展带来了新机遇[2]。在表面等离子体研究热潮中，基于局域表面等离子体共振的纳米直写光刻技术受到了广泛关注，其以超越衍射极限的高分辨率以及简单的系统结构满足了人们对新一代光刻技术的要求，有望成为一种新的高效、低成本、高分辨力的微细加工手段。

2006年，Xu Xianfan 的研究小组首次通过利用Bowtie小孔在纳米直写光刻实验中获得了半高全宽(FWHM)小于100 nm的聚焦光斑[3]，证实了这种Bowtie形状的亚波长孔径结构相对于传统的圆形、方形亚波长开孔结构能够克服波长截止效应的限制，在小孔的下表面获得超越衍射极限的聚焦光斑[4-5]。自此，Bowtie孔径结构在纳米直写光刻上的应用前景受到了广泛关注。2012年，J. Hahn的研究小组报道了利用Bowtie孔径结构制成的接触式探针进行纳米直写光刻的实验结果，得到了线宽为22 nm的直写光刻图形但其曝光深度只有约2 nm[6-7]。然而在目前利用Bowtie孔径结构进行纳米直写光刻的实验中，由于透射光在Bowtie结构下表面的尖端处发生严重散射，同时强度沿垂直界面方向呈指数衰减[6,8]，使得实验得到的光刻图形质量低、深宽比较小。这限制了Bowtie孔径结构在纳米直写光刻上的进一步应用。

针对这一问题，本文利用金属-介质-金属结构(Metal-Insulator-Metal, MIM结构)取代了传统方法中使用的单一光刻胶作为光学记录介质，将Bowtie小孔与金属(M)-介质(I)-金属(M)结构相结合构成一种新的基于Bowtie小孔的局域表面等离子体光刻结构，简称为BMIM结构，与其成对比的是通常将Bowtie小孔直接与光刻胶相接触进行曝光的光刻结构，简称为BI结构。下面对BMIM光刻结构的组成、原理、仿真计算结果以及验证实验进行介绍。

1　BMIM光刻结构

图1为BMIM和BI光刻结构示意图，在两种光刻结构中，Bowtie孔径结构均通过聚焦离子束(FIB)加工在金属掩模层上，考虑到金属Cr材料有较小的趋附深度以及较高的反射率，故将其选为Bowtie孔径结构所在金属掩模层的材料。BMIM光刻结构中，光学记录介质由依次加工在石英基底上的底层反射Ag、光刻胶层和顶层透射Ag组成，其三层材料厚度分别为20 nm、30 nm和50 nm，而在BI光刻结构中，光学记录介质仅为石英基底上旋涂的一层厚度为30 nm的光刻胶。考虑Bowtie小孔结构的加工误差，以及分离式曝光实验中Bowtie小孔所在掩模与光学记录介质之间的间隙，在结构设计中引入了厚度为5 nm的空气层，以使仿真结果更接近真实情况。

图1　BMIM光刻结构及其对照结构示意图Fig.1　Schematic diagram of BMIM and its comparative lithography structure

当偏振方向垂直于Bowtie小孔间隙的光垂直入射到Bowtie小孔上表面时，Bowtie小孔所在Cr掩模中的自由电子被激发并沿Bowtie小孔边缘进行重新排布，自由电子在Bowtie小孔两个亚波长尺寸的尖端处大量堆积振荡，产生极强的极化电场。当极化电场中的波矢与表面等离子体的波矢相匹配时，便在小孔亚波长尖端处激发得到局域表面等离子体，进一步地通过间隙中的局域表面等离子体形成的纵向方向上的类F-P腔共振和横向方向上的等离子体共振[9]，Bowtie结构上表面尖端处得到增强和限域的电场能够透过Bowtie小孔的亚波长间隙，在Bowtie小孔下表面的尖端处形成超衍射极限的聚焦光斑。在BMIM光刻结构中，经过Bowtie小孔得到增强和限域的透射光被作为光学记录介质的MIM结构耦合进入光刻胶，在此过程中，先后经过起到超透镜作用[1]的顶层透射Ag倏逝放大以及起到金属反射衬底作用[10]的底层Ag的反射补偿，在MIM波导结构中形成新的局域表面等离子体共振模式，使得经过Bowtie小孔透射增强的场强在光刻胶中得到二次调制和放大。

2　BMIM光刻结构仿真结果分析

为了证实BMIM光刻结构在增强透射以及压缩焦斑上相对于传统BI光刻结构的优势，这里使用Comsol Multiphysics 4.3仿真平台建立了图1所示的BMIM三维模型并对其进行了仿真验证。仿真计算中采用入射光波长为365 nm，偏振方向垂直于Bowtie小孔间隙方向。在365 nm波长下，结构中材料的介电常数分别为：εA1=-19.4+ i3.6，εAg=-2.4+i0 .25，εPR=2.59，εSiO2=2.13[11]。

由仿真结果可以发现两种光刻结构在光刻胶中形成的聚焦光斑尺寸和强度的变化趋势完全不同。如图2(a)和(b)，通过对比两种结构中心截面处的电场强度分布可知，在BI结构中，透射光在小孔下表面的尖端处发生严重的散射，经过5 nm的空气层后在光刻胶上表面处的强度仅有入射光强的1.5倍左右，这必然导致焦斑尺寸的展宽和曝光深度的变浅；而在BMIM结构中，透射光从Bowtie小孔的下表面被耦合进MIM结构中，形成新的局域表面等离子体共振，使其在MIM结构中得到了上层Ag的透射增强以及底层Ag的反射补偿，在两次局域表面等离子体共振的作用下，入射到光刻胶中的透射光保持了较高的强度及辐射形貌，形成了类似“纺锤形”的电场强度分布。图2(c)和(d)给出了两种结构光刻胶中心位置附近聚焦光斑的电场分布情况，相对于在BI结构光刻胶中得到的垂直于小孔间隙方向上的FWHM为128 nm的聚焦光斑，相同方向上，BMIM结构下的焦斑尺寸仅为28 nm，相对于BI结构压缩了近77 %，同时焦斑强度提升了近5倍。需要说明的是，这里BMIM结构中的焦斑尺寸主要受到Bowtie小孔中心间隙尺寸的影响以及光学记录物质与光相互作用效果的影响，可以通过进一步缩小Bowtie小孔中心间隙尺寸以及选用更好性能的光刻胶来进一步压缩焦斑尺寸。

图2　BMIM光刻结构及其对照结构仿真效果示意图Fig.2　Simulation results of BMIM lithography structure and its comparative lithography structure.

图3给出了两个结构光刻胶中聚焦光斑的强度增强因子与FWHM在光刻胶中的变化情况。BI结构中，聚焦光斑的FWHM从光刻胶上表面的40 nm迅速展宽到135 nm，同时强度增强因子由光刻胶上表面的2倍左右以指数形式衰减到0.5倍以下，这种因散射迅速展宽同时强度骤减的场分布在光刻胶中进行感光，势必会导致所获得到的图形边缘模糊，对比度差，分辨力低。而在BMIM光刻结构的光刻胶中，聚焦光斑的FWHM始终保持在50 nm以下，同时其强度保持为入射光强度的5～10倍，呈现两端强度高，中间强度低的变化趋势，这与图2中得到的“纺锤形”的电场分布相吻合。

图3　两种光刻结构下，聚焦光斑强度与尺寸在光刻胶中变化对比曲线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　验证实验结果及分析

图4(a)给出了通过FIB加工所得的Bowtie孔径阵列的近场扫描电子显微镜示意图(SEM)，进一步缩小显微镜的观察范围，可以看到FIB加工的Bowtie结构尺寸与要求加工尺寸的误差在1 nm以内，同时Bowtie结构边缘线条的笔直度及纵向的陡直度都很好地满足了设计要求。

图4　Bowtie小孔阵列近场扫描电子显微镜(SEM)示意图Fig.4　SEM image of bowtie aperture array

在MIM光学记录介质加工中，首先将底层反射Ag通过磁控溅射的手段加工在厚度为3 mm，直径为25 mm的石英基底上，镀膜过程中，真空腔体压强为～3×10−4Pa，沉积速率为3 nm/s，通过原子力显微镜(AFM)对加工得到的厚度为50 nm的底层反射Ag的表面形貌进行扫描，得到其表面粗糙度为0.6 nm，如图5(a)；随后将被去离子水1:1稀释的正性光刻胶(AR-P 3170，ALLRESIST GmbH, Strausberg)通过甩胶机以4 800 r/s的转速旋涂在底层反射Ag上表面，持续时间30 s，形成厚度为30 nm的光刻胶层，之后将样品放在100 ℃的热板上进行烘焙，持续时间120 s；最后在30 nm光刻胶层上表面通过热蒸发的方式沉积厚度为20 nm的上层透射Ag，沉积速度为0.12 nm/s，如图5(b)，上层透射Ag表面的粗糙度约为1.2 nm。图5(c)为借助近场扫描电子显微镜得到的MIM光学记录介质的断面SEM图，从图中可以看出在MIM结构中三层材料界面在较小的检测范围下仍清晰可见，均保持了较好的表面粗糙度，通过对镀膜工艺参数条件的控制，三层材料厚度的误差都在5.0 %以下。

图5　MIM结构各层表面形貌示意图以及MIM结构断面SEM示意图(a) 底层反射Ag表面形貌; (b) 顶层透射Ag表面形貌; (c) MIM结构断面SEM图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

通过对光刻工艺以及曝光剂量的探索，我们在实验上获得了BMIM光刻结构下的曝光焦斑。图6给出了利用功率为(2.0±0.2) mW/cm2的i线汞灯光源进行曝光，持续时间为15 s时，通过原子力显微镜扫描光刻胶表面得到的典型聚焦光斑表面形貌图6，焦斑在垂直和平行于小孔间隙方向的尺寸分别为47 nm和102 nm，进一步通过原子力显微镜检测得到焦斑的深度为25 nm。将实验结果与图2中仿真计算得到的聚焦光斑的电场分布相比较，如图7。可知，焦斑的形状与仿真结果基本吻合，而由于FIB加工Bowtie小孔的误差，以及近场曝光实验中Bowtie小孔与光学记录介质不可能做到如仿真情况下的完全贴紧，使得实验得到的焦斑尺寸较仿真计算中得到的焦斑尺寸有一定程度的展宽。

图6　BMIM光刻结构曝光所得典型聚焦光斑的三维表面形貌图Fig.6　Surface morphology of AFM images of generated spots in photo-resist achieved by BMIM structure

图7　典典典典典典典x方方方方方方方方方方图(实方)与与与与与与与与方(虚方)方的的的的图Fig.7　Comparison of fitted experimental (solid line) and numerical results (line) for BMIM structure BMIM structure

近场曝光实验的相关结果进一步证实了BMIM光刻结构相对于传统BI光刻结构光斑在压缩焦斑，增大曝光深度上的显著优势。另外，在BMIM结构实验结果中，聚焦光斑在垂直于Bowtie结构间隙方向的焦斑尺寸要明显小于平行于间隙方向的焦斑尺寸，这与国际上报道的传统方式下利用Bowtie小孔得到的实验结果不同。BMIM光刻结构下聚焦光斑不仅保持了平行于间隙方向的尺寸不变，还将垂直于间隙方向上的焦斑尺寸压缩到只有BI结构下的1/3左右，这在实验上进一步证实了MIM结构对透射光的耦合调制作用。

4　结论

本文基于对局域表面等离子体共振的研究，通过将Bowtie孔径结构与金属-介质-金属结构（MIM结构）相结合提出了一种增强型的基于局域表面等离子体共振的纳米直写光刻结构，并在仿真与实验中证明了新型结构在基于Bowtie孔径结构的纳米光刻中，对焦斑尺寸的压缩以及曝光深度的提升有着显著改善作用。该研究结果有望用于纳米直写光刻、超衍射成像、光存储等领域。

参考文献：

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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

作者简介：王耀辉(1989-)，男(汉族)，河南鹤壁人。硕士研究生，主要从事局域表面等离子体研究。E-mail: wangyaohui_cn@126.com。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61138002)

收稿日期：2015-03-11； 收到修改稿日期：2015-04-21

文章编号：1003-501X(2016)01-0071-06

中图分类号：O53；TN305.7

文献标志码：A

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