本發明專利技術提供一種基于金屬—介質—探針（Tip-Insulator-Metal,TIM）結構的表面等離子體超衍射光刻方法，其特征是由金屬—介質—探針構成TIM共振腔結構，光從包含有所述共振腔的基底正入射，在所述探針的針尖激發局域表面等離子體（LSP），激發的局域表面等離子體波在向下衰減傳播的過程中被金屬反射層反射耦合，并經多次反射引起共振，使得夾在所述金屬反射層和探針中間的介質記錄層中形成縱向分布相對均勻的規則圓形光斑模式。該方法克服了傳統探針直寫光刻深度淺的問題，使得所述介質記錄層不同深度處的光斑大小（FWHM）一致，能量均勻。本發明專利技術極大的改善了傳統直寫探針光刻的光斑質量。并且該方法所用結構簡單。可以大大降低光刻線寬。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及近場直寫光刻技術，具體涉及一種基于金屬一介質一探針(Tip-Insulator-Metal, TIM)結構的表面等離子體超衍射光刻方法,能夠有效的改善光斑質量和提高光刻深度
技術介紹
隨著信息領域的飛速發展，光電子 器件結構尺寸不斷縮小，從而迫切需求光刻分辨率能夠突破衍射極限的限制。近場光刻是近年來這方面研究的重要領域之一，其通過激發金屬表面的等離子激元(SPPs)，利用激發的SPP波矢大于光在真空中的波矢，來達到突破衍射極限的目的。其中探針直寫光刻，由于無需制造高精度掩膜，并且刻寫結構靈活有望提供一種成本低，分辨率高，刻寫速度快的納米加工手段。直寫光刻中，光刻分辨率受探針針尖的影響巨大，最早使用的SNOM光纖探針(Antosiewicz, T. J. &Szoplik, T. Enhancedenergy throughput in corrugated, tapered, metal-coated SNOM probes. Proc. of SPIE6987，698705-698711)，由于耦合傳輸效率太低而難以推廣使用。美國的張翔課題組用啞鈴狀的天線孔徑做探針(zhang, X. Maskless Plasmonic Lithography at 22nm Resolution,scientific reports, 1_6)。在355nm的脈沖光源下,通過合理控制光功率和脈沖延時得到了 22nm的線寬。雖然天線孔徑在一定程度上提高了光的耦合透射率。然而，天線孔徑探針隨著結構尺寸的減小，其制作難度將會成倍增加。并且其刻出的線條深度也才1-2個納米。上海光機所提出一種探針誘導表面等離子體光刻，利用純金屬探針二次誘導表面等離子體增強來實現光刻(Xiaogang Hong, Wendong Xu et al. Field enhancement effect ofmetal probe in evanescent field. CHINESE OPTICS LETTERS. Vol. 7，No. I (2009))。然而其存在首次激發的表面等離子光場構成背景干擾，對比度太低的缺點。另外其使用的傾斜照明激發SP，存在光斑不對稱，背景光強高、需要使用棱鏡照明，樣品移動容易導致照明變化等問題。
技術實現思路
本專利技術考慮的上述存在的不足，目的在于提供一種基于金屬一介質探針( Μ)結構的表面等離子體超衍射光刻方法，進一步縮小光斑尺寸，增大光刻深度，改善光斑質量。本專利技術采用的技術方案是一種基于金屬一介質探針(TIM)結構的表面等離子體超衍射光刻方法，激光從基底下方正入射，基底上方是由金屬反射層，介質記錄層和金屬探針構成的TIM結構的諧振腔，所述的基底的材料為對所選波長透明的玻璃，所述的金屬反射層材料為能夠共振激發表面等離子體的金屬或摻雜合成金屬膜層材料，要求其介電常數實部的絕對值與介質記錄層介質的介電常數實部的數值大小相差小于10%，所述的介質記錄層為有機或無機感光材料，其厚度范圍Inm 50nm，所述的金屬探針為無孔金屬探針或有孔探針，所述的金屬探針尖端到記錄介質層上表面的距離范圍為O 10nm，入射光在所述金屬探針針尖激發局域表面等離子體(LSP)，該LSP波在所述金屬探針針尖近場衰減傳播過程中被所述金屬反射層反射耦合，在所述TIM諧振腔中產生共振增強，從而使得中間的所述介質記錄層中產生規則圓形對稱分布的納米光斑。其中，所述的基底的材料為透明玻璃上再加一層介電常數大于4的高折射率介質層。其中，所述的金屬反射層材料為金、銀、鋁。其中，所述的介質記錄層具體為光刻膠或氧化碲，并且選擇不同介質記錄層厚度時，金屬探針下方的金屬反射層厚度尺寸相應調整。其中，所述的金屬探針為無孔金屬探針時，其為鍍金屬膜的實心探針或實心金屬探針；所述的金屬探針為有孔探針時，其為納米圓孔或蝴蝶結型結構產生納米透射光斑的開孔形狀。 其中，所述的無孔金屬探針，其針尖形狀為圓柱形，球形或橢球形；或者所述的無孔金屬探針直接用納米小球代替探針。其中，所述的金屬探針，其金屬材料為能夠激發局域表面等離子體的Pt，Ag或Au這樣的貴金屬材料。其中，所述的金屬探針為無孔金屬探針時，其尖端曲率半徑要求在10 50nm ;所述的金屬探針為有孔探針時，其最小特征尺寸在10 50nm。其中，照明方式為正入射照明，為平行光或聚焦光束照明；當金屬探針為無孔探針時，照明從基底一側正入射照明；當探針為開孔探針時，照明可以從基底一側正入射照明，或者通過連接探針的光纖照明，或者小孔上方正入射照明；照明光波長選擇范圍為紫外、可見或紅外，要求照明光能夠對記錄介質感光。其中，所述的金屬反射層厚度根據記錄介質層厚度優化選擇。其中，金屬探針和照明光場位置固定，記錄介質層和基底通過納米位移臺相對運動，通過控制照明光場的開關，實現不同位置處的記錄介質感光，從而實現任意納米圖形光刻。本專利技術與先前的技術相比的技術效果為一，本專利技術產生的焦斑均勻性好，表現在深度可達幾十納米的范圍內，光斑尺寸一致，能量均勻。從而可以有效的增加刻蝕深度。二，本專利技術光斑的尺寸受探針針尖控制，而純金屬探針相對孔徑探針不僅容易做的很尖，而且激發的局域場能量更高。理論上可以達到幾個納米的刻蝕寬度。三，本專利技術由于激發的SPP在諧振器中多次反射共振產生光刻，并且入射光從底面正入射進諧振器，避免了斜入射產生的背景干涉場，對比度大。有利于擴展成探針陣列式光刻。附圖說明圖I為本專利技術基于TIM結構的表面等離子體超衍射光刻方法原理圖。圖2為本專利技術的一個實施案例。圖3為本專利技術的一個三維仿真計算的光強分布圖。圖4為圖3虛線處的截面圖。圖5為圖4虛線處的截面曲線圖。具體實施例方式下面參照附圖說明對本專利技術的實施案例進行介紹，但本專利技術的保護范圍并不僅限于下面實施例，應包括權利要求書中的全部內容。圖I為本專利技術基于金屬一介質一探針(TIM)結構的表面等離子超衍射光刻方法原理圖，其中TIM結構由金屬反射層3，介質記錄層2和金屬探針I構成。基底則可以為透明玻璃5，或者透明玻璃5加高介質材料4構成。入射光從基底底面正入射進TIM結構，在探針I的針尖激發局域表面等離子體，該局域表面等離子體局域在針尖表面，并且沿縱 向指數衰減。所以沒有加金屬反射層3的情況下，導致記錄層2中的刻蝕深度淺，并且光斑隨深度迅速發散。本專利技術由于增加了金屬反射層3使得衰減的局域表面等離子場被反射回TIM結構，在探針I與金屬反射層3之間形成共振耦合，不僅能夠有效的補償能量衰減，而且可以抑制光斑的發散。從而使得介質記錄層2中形成大小一致，能量均勻的規則圓形光斑。圖2為本專利技術的一個實施案例光路圖,所選入射光可以為萊燈I線(波長365nm)。激光器6發出的激光光束經聚焦透鏡7和擴束透鏡8準直擴束后，再經反射鏡9反射，垂直入射到待刻樣品12上，樣品12放置在承載臺10上。利用AFM系統11控制探針移動到與待刻樣品接觸，從而形成一個納米量級的TIM諧振腔。我們利用AFM系統11既能夠控制探針I的移動，也可以控制樣品承載臺10的移動實現任意結構的刻蝕。圖3、4、5為利用商用軟件COMSOL Multiphysics4. 2a對本專利技術進行三維仿真的光強分布結果。所使用的探針本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種基于金屬—介質—探針結構的表面等離子體超衍射光刻方法，其特征在于：激光從基底下方正入射，基底上方是由金屬反射層（3），介質記錄層（2）和金屬探針（1）構成的TIM結構的諧振腔，所述的基底的材料為對所選波長透明的玻璃，所述的金屬反射層材料為能夠共振激發表面等離子體的金屬或摻雜合成金屬膜層材料，要求其介電常數實部的絕對值與介質記錄層（2）介質的介電常數實部的數值大小相差小于10％，所述的介質記錄層（2）為有機或無機感光材料，其厚度范圍1nm～50nm，所述的金屬探針（1）為無孔金屬探針或有孔探針，所述的金屬探針（1）尖端到記錄介質層（2）上表面的距離范圍為0～10nm，入射光在所述金屬探針（1）針尖激發局域表面等離子體（LSP），該LSP波在所述金屬探針（1）針尖近場衰減傳播過程中被所述金屬反射層（3）反射耦合，在所述TIM諧振腔中產生共振增強，從而使得中間的所述介質記錄層（2）中產生規則圓形對稱分布的納米光斑。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：羅先剛，王長濤，趙澤宇，王彥欽，陶興，胡承剛，高平，黃成，姚納，劉凱鵬，
申請(專利權)人：中國科學院光電技術研究所，
類型：發明
國別省市：
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