【基金标书】2011CB301800-表面等离子体超分辨成像光刻基础研究

项目名称： 表面等离子体超分辨成像光刻基础研究 首席科学家： 罗先刚 中国科学院光电技术研究所 起止年限： 托部门： 中国科学院 二、预期目标 项目总体目标 本项目以国家在国民经济和国防高科技领域对信息科学技术中新一代微纳信息器件的重大需求为牵引，研究 衍射光刻中的关键基本物理问题，结合我国中长期科技战略发展规划中的“极大规模集成电路制造技术及成套工艺”和“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”两个重大专项对微纳制造技术的重大战略需求，重点 针对 分辨成像光刻技术中若干关键科学技术问题（比如衍射极限问题、分辨极限问题、感光机制问题、损耗问题、 分辨成像器件设计、制备技术、工艺技术等）开展系统研究，并取得原创性成果，作出系统性和创新性贡献，建立相应的研究基地和人才队伍，形成 具有核心自主知识产权 的 刻技术平台。通过本项目研究，使我国在 分辨成像光刻理论、技术和应用方面，总体达到国际先进水平，部分方面处于国际领先地位，力争形成新一代光学光刻技术路线，为采用光学方法突破 16至 10下光刻线宽节点奠定基础。 P 超衍 射和超分辨成像理论和技术体系，为 16宽节点以下光学光刻技术奠定理论和方法基础。 P 光刻技术平台和技术标准草案，在 刻分辨力极限、 光机理、损耗及能量利用率、焦深等关键问题研究方面取得突破。 一批学术带头人，建立 分辨成像实验平台与 超衍射光学光刻技术研究基地， 为未来 5 10 年研发 16宽节点以下的超分辨成像光刻器件和系统奠定理论和技术基础。 年预期目标： P 超分辨成像理论模型，建立超衍射与衍射受限光学成像一体化设计和分 析方法并构建相关软件。 P 超分辨光刻感光机理模型，并用于研究对比度、焦深、工作距等关键 学光刻工艺理论和技术。 1）在 365长条件下，获得 32宽分辨力 分辨成像器件；（ 2）制作特征尺寸为 32光栅、 符等集成电路常用典型图形结构。 衍射成像和光刻过程，获得 16宽分辨力的 学成像设计结果。 文 100 篇以上，申请发明专利 100 项以上 ， 培养研究生65 名左右。 三、研究方案 体 思路 瞄准信息产业中光学光刻领域对突破衍射极限成像光刻技术的重大需求，抓住表面等离子体光刻正处于探索性研发阶段的机遇，集成我国在光学工程、微细加工技术、微纳集成、物理、化学、材料、信息技术等方面的优势，瞄准该领域一些前沿性重大理论、核心工艺问题，进行多学科交叉合作研究，对相关核心基础科学问题进行深入系统地探索，以期获得一些具有原始创新的突破和成果，取得一批自主知识产权的核心技术，培养造就一支具有国际水平的研究队伍，为我国新一代微纳光子功能材料和器件的长远发展奠定坚实的基础。 按上述指导思想，根据项目的总体目 标和五年目标，针对基本的关键科学问题，结合国内优势力量，在前期 973 项目超衍射机制、超分辨成像以及 线性复合材料等研究基础上，以 衍射行为规律和物理机制入手， 深入和系统地 开展表面等离子体光学成像及光刻技术研究，解决限制 刻分辨力的物理因素、 光刻介质相互作用机理、影响 刻效率的关键物理问题、超分辨成像光刻器件原理和方法以及 衍射光学光刻技术和工艺等关键科学技术问题， 获得 32宽分辨力 分辨成像器件，制作特征尺寸为 32光栅、符等集成电路常用典型图形结构 两项标志性 成果，并建立 分辨成像应用基础研究的理论和技术平台、研究基地以及人才队伍。 术路线 律和操纵方法研究方面： （ 1） 继续发展矢量杨顾算法，使其能适用于分析亚波长范围的超衍射电磁行为和超分辨成像理论计算，用来指导研究在 的影响下，电磁波突破衍射极限限制的原理和实现途径，并进行相关器件设计。结合光刻技术、溶胶凝胶法、以及自组装等手段，将设计的器件制作出，并利用 及微区 外 红外分光光度计等各种微结构表征手段，研 究纳米金属微结构的形貌、尺寸、周期性、介电参数等对超衍射行为的影响。 （ 2） 类比传统材料科学中原子、分子、晶胞、缺陷、复合材料的结构划分体系，分层次开展超衍射光学材料结构与物性之间的关系规律研究。从单元结构形式，金属点、线、环等构成的简单到复杂的结构，从电磁相互作用的规律上分门别类，总结归纳结构类型和特征，采用有限元、时域有限差分方法，结合电磁理论中电极化率、磁极化率等物理概念，研究分析结构参数线宽、间距等、材料参数、电磁波参数等对电磁响应行为（有效介电系数、磁导率、折射率、色散等）的影响，总结归纳结构类型 和特征规律，为单元结构电磁振荡模型提供思路。 （ 3） 在超衍射材料结构与电磁物性之间的关系模型上，主要从电偶极子、磁偶极子简单类比，远小于波长尺度下的近稳态电磁场分析，分布电容电感的等效电路分析等几个方面入手，建立电磁方程，求解分析单元结构对外界电磁场的响应模型，同时与严格矢量电磁分析对比，验证和改进模型。单元结构之间的电磁耦合对材料特性的影响模型方面，先从弱耦合，强耦合两种极端情况入手，结合微扰理论、等效介质理论描述材料的宏观电磁特性。对于一般耦合情况，则利用矢量电磁耦合波理论，结合简化的单元结构模型，联立 周期边界条件、缺陷边界条件，建立简化的耦合电磁方程，数值求解分析电磁行为，并与严格计算结果对比分析。 紫外频段的超衍射光学材料结构设计、制备和检测技术研究方面： （ 1） 超衍射光学材料的一般电磁特性的结构逆向设计，例如介电常数、磁导率、折射率等，首先通过结构物性的数理模型，选择初始结构形貌，结构参数，结合模拟退火、遗传算法等数值优化方法，设计电磁结构。对于额外的设计要求，例如表面阻抗特性、加工限制条件等，通过增加约束条件，结合优化算法流程设计。 （ 2） 材料色散、损耗特性是影响超衍射光学材料应用的 普遍性的关键问题。首先从色散、损耗的电磁结构模型中分析关键特征参数的影响，通过对其选择性优化达到拓展带宽、减少损耗的目的。另外，综合波长远离单元结构的共振区域、利用色散匹配的复合单元结构等进一步对其优化。超衍射光学材料的损耗优化，可以根据机制和模型，减少局域电磁模式中的磁流环路，减少电磁能在共振环路中的局域特性，甚至引入电磁能量补偿机制等方面入手对材料的结构重新设计优化。 （ 3） 用高分辨力的暗场显微镜研究纳米结构对光超衍射散射，用透射显微镜来验证光谱的位置与颗粒位置。利用用共焦显微光谱仪研究其表面等离子透射光谱。对近场光学扫描显微镜进行技术改造，研究不同照明条件、不同金属结构的 衍射行为特征。 （ 4） 从单层薄膜制备技术入手，包括单一组份、多种组份共存的膜层制备技术，选择合适的膜层制备方法，通过对现有原子镀膜和磁控溅射镀膜设备的电源、靶材、溅射方式、监控方式的改造，以满足薄膜厚度、成膜质量、膜层材料成分比例控制等方面的要求，攻关相关工艺技术问题。 （ 5） 针对曲面膜层超衍射材料结构，发展面形可控的曲面膜层制备技术。通过改造光学光刻装置，制备精确的等效灰度掩模，首先制备相应光刻材料曲面膜层，然后传递到所需的金属 或介质表面。改造膜层溅射或沉积设备，以可控剂量的薄膜沉积技术获得特定厚度分布的薄膜结构。 （ 6） 在前面的研究基础上，通过引入双靶材共溅射等技术、精密对准技术，发展复合交替膜层结构制备技术，通过对设备技术改造和优化，实现高质量交替膜层成形技术。针对纳米尺度图形的膜层填充技术、平坦化技术开展攻关研究，研究相关的膜层平坦化工艺，发展膜层厚度精确控制的平坦化停止工艺。 （ 7） 利用扫描电子显微镜（ 原子力显微镜（ 精密纳米测试手段，测量超衍射材料表面形貌、均匀性、缺陷检测，以及材料横截面结构膜层致密性 、膜层厚度、纳米图形层结构尺寸等。利用 X 射线散射分析方法测试材料内部膜层沙眼、空洞，也包括膜层结构错位等原子层次的缺陷。搭建特殊的光学检测系统，例如掩模缺陷光学检测系统，快速和高效的分析超衍射材料的内部缺陷。 （ 8） 利用紫外光频段多光谱椭偏仪精确测试超衍射材料单元膜层结构的光学常数，包括介电常数、吸收率、光学薄膜厚度等。针对椭偏仪在多层金属薄膜方面的测试缺陷，搭建用于超衍射材料的透射和反射模式的偏振光振幅和位相差异的测试实验系统，获得超衍射材料的宏观介电常数、吸收效率等实验测试结果。 物理机制、成像特性和规律研究方面 : （ 1） 采用理论分析和实验相结合的方案，从一些典型亚波长金属薄膜结构的 高频信息的传递和转换能力出发，分析将不同分量高频信息转换到自由空间的效率、信息之间相互影响。设计像方在无穷远位置，考虑位相匹配等因素，设计金属介质薄膜表面结构，实现对携带特定空间信息倏逝波的高效转换。归纳以上倏逝波信息转换和在远场恢复的基本物理特性和规律，建立超分辨成像模型。 （ 2） 根据超分辨成像器件的工作原理，设计两类器件的结构参数。为了简化分析，首先将超衍射材料简化为等效介质材料，或者具有特定电 磁参数分布的材料。通过建立光波在这种等效材料中的传输行为的解析公式，分析在特定材料参数空间分布下的光波传输行为的数理公式利用多重级数展开和微扰近似理论解析求解，建立成像平面上的光场分布函数，获得超分辨成像器件成像性能参数和结构参数（口径、焦距、分辨力、等效材料参数、视场大小、物距、像距）之间的解析公式。通过矢量电磁波计算方法，如时域有限元差分、严格矢量耦合波分析等，数值计算其成像面光场分布，分析超衍射材料的有限单元结构尺寸对等效材料电磁特性的影响。通过系统的计算和分析各种结构参数、材料参数对成像特性的影响， 建立结构参数与成像分辨力、对比度、视场大小等成像特性之间的关系曲线。 （ 3） 基于超衍射材料中光波的传输变换规律，类比宏观光学成像物理原理，发展基于超衍射材料的超分辨成像器件工作原理，建立超衍射材料、结构参数与成像性能之间的关系模型，分析超分辨成像规律，为超分辨成像器件的设计、检测提供理论基础。 （ 4） 建立系统的超衍射材料中光波汇聚的理论模型，考察理想汇聚焦点的光斑函数。结合具体成像方式，以光线和复光场函数两类分析方法，研究光波经过超分辨成像器件聚焦后的光波行为，并同焦斑分布形式建立关联，分门别类研究球差、慧 差、像散等像差的产生机制。在此基础上，通过考察像差与结构参数、透镜参数的关系，建立超衍射成像器件像差的补偿理论。并根据补偿理论，设计和数值模拟分析像差补偿的超衍射成像器件。 （ 5） 在研究超分辨成像器件与传统光学元件的组合成像特性和一体化分析方法方面，首先简化分析过程，在超分辨成像器件物面引入传统光学成像焦面的光场分布函数，作为该器件的输入场，严格计算分析该器件像面位置处的光场分布和成像特性。同时，将成像结果与光场照明掩模成像结果对比，考察其成像分辨力、对比度、像差等方面的差异。在此基础上，建立传统成像与超分 辨成像关系的对接，为一体化成像设计提供理论指导。 磁波超衍射能量局域的器件结构设计、优化、制备和性能检测技术研究方面： （ 1） 超分辨成像器件结构建模和计算机辅助设计基本平台。在分析和归纳超分辨成像器件的特征形貌、结构尺寸的基础上，建立针对超分辨成像器件的标准化数学表述方法和几何结构模型，从而在计算机中准确地描述器件特征。开发基于通用计算机和操作系统的计算机辅助设计平台，为各种模拟分析程序提供基本运行环境。 （ 2） 光线超衍射追迹方法成像分析方法和模拟计算软件。结合超衍射行为的分析方法， 并参考传统光线追迹模型，探索出一种全新的光线超衍射追迹方法。构建数值模拟计算程序，对光线在超分辨成像器件表面近场以及内部区域的传播路线进行仿真，进而分析像面的成像特性。同时利用严格的矢量电磁场理论对超分辨成像器件进行分析，并且编写高效的成像模拟软件，研究器件在矢量光作用下的成像行为。 （ 3） 针对分辨力、焦深、放大率、畸变等超分辨成像器件关键光学特性，综合模拟退火法、爬山法、遗传算法等优化算法，建立器件结构和参数的优化模型，并编写自主优化软件。结合超分辨成像理论和像差分析手段，建立计算机分析方法，展开器件各种 像差的数值模拟和仿真分析。 （ 4） 建立超分辨成像器件光学设计软件与传统光学设计软件的接口，在超分辨成像器件计算机辅助设计平台中提供与传统光学设计软件匹配的接口，建立相互兼容的数据格式、结构参数以及分析方法，使组合器件的整体性能可以得到精确计算和模拟，可以在两者之间进行协同设计和优化。 （ 5） 根据理论模型结合自行编制的电磁计算模拟软件，全面分析不同结构参数下，超分辨成像质量差异，总结不同参数对成像效果的影响规律，从物理角度上给出优化设计超分辨成像器件的优化方向。借鉴微光学设计理论的优化算法，如模拟退火、遗传算 法等，针对选定的器件结构形式，开展数值优化求解结构参数的研究。综合考虑实际金属材料参数、工作波长、探测器灵敏度等多个因素，设计用于实验系统的超分辨成像器件结构。 （ 6） 设计和搭建用于超分辨成像器件分辨力测试的近场扫描光学实验系统，利用高倍率镜头将传统星点 /分辨力检验靶投影到超分辨成像器件的物面上，然后再成像到像面上，进而检测器件的星点 /分辨力聚焦情况。通过高分辨图像采集设备获得星点 /分辨力的光强信息和分布特性。此方法同时适用于等倍率和缩小倍率的超分辨成像器件检测。特殊设计和制作的显微式分辨力检验靶，将其置于 在超分辨成像器件的像面上，采用均匀紫外光源照明，使分辨力靶成像在物面上，再通过高倍率镜头进行观察。 （ 7） 利用特殊设计和制作的接近式分辨力检验靶检测超分辨成像器件的实际分辨力。将其置于在超分辨成像器件的物面上，采用均匀紫外光源照明，使透过分辨力靶的光成像在像面上。再通过高分辨图像采集设备获得分辨力图像。 （ 8） 利用特殊设计和制作的接近式星点检验靶检测超分辨成像器件的星点聚焦情况。将其放置在该器件的物面上，采用均匀紫外光源照明，使透过星点的光经过该器件成像在像面上。再通过高分辨图像采集设备获得星点的光强信息和分布特性。 （ 9） 超分辨成像器件的光学调制传递函数检验采用对刀口扩展函数进行扫描采样的方法。以精密的刀口为目标物，在物方作高精度扫描，经过平行光管物镜、高倍率镜头以及被测超分辨成像器件后，直接以 针 作为采样狭缝，对刀口扩展函数进行高精度、高分辨力的自动扫描采样，并以数字傅里叶分析法计算超分辨成像器件的光学传递函数。 P 传输损耗、延伸 像光学光刻焦深和工作距的理论和技术 途径研究方面： （ 1） 优化材料结构中的特征参数，根据 衍射传输和耦合的物理机制和模型，减少局域电磁模式中的磁流损耗 环路，将电磁能量集中在非损耗区域，减少电磁能在共振环路中的局域特性。 （ 2） 引入电磁能量补偿机制，探索在 365 193光刻波长下的增益材料和技术，通过在超衍射材料中嵌入有源材料实现 能量补偿，理论和实验分析研究在该材料中的超衍射行为。 （ 3） 通过在感光层与超分辨成像器件之间建立局域共振模式，利用 像光场耦合效应增加成像距离。 P 超分辨成像机理、实现和调控方法研究方面： （ 1） 表面等离子体亚波长高分辨光学成像及光刻过程中的焦深调控和能量损耗补偿问题。结合超分辨结构 (技术，引入非线性光学效应及有源层，优化材料以及结构的设计以提高空间分辨力、局域场增强效应及激射过程，实现焦深调控和能量损耗补偿。针对光刻过程中的焦深调控，研究光刻结构复合非线性光学材料或光敏材料的非线性过程、及其对局域光场的调控、对焦距、能量集中度、形状的影响。对于光刻与成像中的能量补偿问题，发展有源层光刻及成像结构，研究有源层结构中谐振腔效应对表面等离子波的受激辐射以及高频信息的放大与补偿问题；研究表面等离子光学感光非线性效应及其超高分辨光刻、分层光刻过程；研究曲面超分辨成像结构及其结构 中表面等离子激元增强的非线性光刻成像。 （ 2） 建立小型化、集成化轴对称偏振光源，研究成像、光刻结构中 径向偏振光高效最优激发，及其光场的矢量性、轴对称性对局域光场的调控作用。 （ 3） 发展针对高分辨光学光刻结构的新测试手段和方法。发展如 射、荧光相关、以及局域场信标等超分辨成像技术，开展金属纳米颗粒阵列结构、亚波长金属薄膜结构以及复合结构等的特征参数、光学特性的测量。 （ 1） 以常用紫外、深紫外光刻光源为工作波长，设计和制备相应的阵列化、超衍射聚焦和超分 辨成像器件。建立扫描光刻和投影成像光刻两种工作模式的光学光刻实验系统；系统结构主要包括紫外均匀照明系统、基片工件台、超透镜和超衍射聚焦承载和精密调焦调平机构、辅助投影光刻物镜系统、掩模台等部分。理论和实验研究实现 纳米 图形光刻的技术途径、不同照明方式下的光刻分辨力、掩模结构优化和波前处理等问题。 （ 2） 光刻实验系统的关键单元技术方案主要有基于近场光学光纤探针纳米定位和距离测定技术，利用自主调焦技术，利用近场莫尔条纹技术监控纳米精度的调焦状态，通过以上技术方法，设计和构造与超衍射和超分辨成像器件相适应的工件台、 精密调平调焦等单元技术，并集成到实验系统中，实现超分辨显微观测和光学光刻实验应用研究演示。 （ 3） 光刻工艺是 学光刻技术的重要组成部分。超分辨成像器件具有利用传统长波长光源实现 32宽 以下光刻分辨力的理论和技术优势，同时在很大程度上保障了光刻材料、光刻工艺与传统光刻技术兼容。但是在一些 光刻工艺 技术细节方面，需要结合超分辨成像器件的实际光刻模式和特性，针对配套的掩模设计和制备技术、光学光刻材料处理工艺、图形传递等方面技术调整， 或者发展针对性的辅助光刻工艺，最终 建立 满足光刻分辨力和图形质量要求的 学 光刻工艺。 国内外同类研究比较的创新点和特色 1. 本项目提出的 分辨成像光学光刻，突破了衍射极限，采用长波长光源达到了传统光学光刻技术无法获得的光刻分辨力 。本项目将获得 32宽分辨力的 分辨成像器件及其实验验证，得到 16宽节点的超分辨成像设计结果， 为未来 16至 10下线宽的光学光刻技术奠定了理论和方法基础 ，同时也 为我国中长期科技战略发展规划中的 “ 极大规模集成电路制造技术及成套工艺 ” 和 “ 核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品 ” 两个重大专项提供前沿制造技术基础。 2. 项目提出建立衍射受限与超衍射 光学 成像统一的理论和技术体系，可以实现超分辨成像器件与传统光学成像系统一体化 的 设计、分析和评价，不仅丰富和完备了传统光学成像理论知识体系，而且 具有 技术兼容性和继承性，对于超分辨成像 光学光刻 具有重要意义。 目前 分辨成像理论和技术研究都集中在提高分辨力方面，对于系统描述成像特性的理论知识，例如像差、焦深、畸变等影响成像质量和光刻图形质量的关键问题，尚未见研究报道。本项目将系统地、全面地开展 分辨成像特性研究，并建立 衍射受限与超衍射成像统一的理论和技术体系 ，从而为 分辨成 像技术的应用并与传统光学成像技术的对接奠定理论和技术基础。 针对 像光刻技术中的具体关键科学技术问题，本项目提出了创新性的研究思路和解决途径。例如， 提出平面缩小 学光刻成像器件， 采用缩放倍率的 学光刻成像器件 能够有效地 解决掩模制备工艺中 特征尺寸为 32构图形 的关键技术难点， 其平面特性能够更好地与传统光学光刻工艺相兼容， 为衍射受限光学光刻系统的集成 奠定 了理论和技术 基础 。 目前， 分辨成像技术绝大部分是等倍率缩放，或在曲面结构上实现缩小倍率成像（如 ），对实际应用带来巨大困难 。本项目提出平面结构的 缩小 学光刻成像器件 ，将很好地解决这一难题。此外，针对 分辨成像工作距短和焦深浅等关键技术难题，提出表面等离子体波前工程理论和技术的研究思路，建立 分辨成像光刻技术的 “ 波前工程 ” 理论技术体系， 同时结合 合匹配膜层结构思想，拓展 分辨成像的工作距和焦深， 解决 学光刻应用方面的重大技术困难 ，进一步促进 学光刻 技术向实用化方向发展 。 目前，这方面的研究尚未见报道。 题设置 本项目课题的设置分为基础性和应用基础性两个层次。各个课题都紧密围绕项目总体目标和关键 科学问题开展研究，或者从 像光刻分辨力、光刻介质、光刻质量、光刻效率、光刻器件、光刻工艺等不同侧面，或者选择不同的理论体系，围绕 分辨成像光刻研究的重大科技问题开展协同研究，彼此既有关联又有各自主攻的科研目标。 第一课题研究 刻极限分辨力的理论问题以及提高 辨力极限的物理机制，是 刻分辨力研究的理论基石。 第二课题研究 光刻介质相互作用机理，建立 光刻介质作用的数理模型，并分析光刻材料对光刻分辨力的影响特性。该课题是研究 刻 工艺的 理论基础 。 第三课题针对影响 刻效率的关键 物理问题展开研究，包括有效减少 耗的物理和技术途径，以及调控 料介电常数、损耗等特性的物理机制和途径，为低损耗的 分辨成像器件的 研究 提供材料基础 。 第四课题研究波前工程技术、 衍射光学光刻工艺技术等提高 刻图形质量的原理和方法，是最终形成制作高深宽比、面形误差小、高质量光刻图形的理论和实验基石。 第五课题研究 衍射材料、超分辨 像器件的物理原理 和实现方法 ，为新一代光学光刻技术奠定重要理论和技术基础。 课题之间的相互关系如下图所示： 图 4目课题 及主要承担单位 之间的关系 示意图 课题 1、限制 刻分辨力的物理因素和解决途径 预期目标： 经过五年的努力，本课题预期达到的目标为： P 超衍射光刻的物理模型，得到 像分辨力、视场、焦深受限的物理因素并给出理论解决途径，研究影响 像和光刻分辨力极限的物理因素，探索其理论分辨力极限。 P 超衍射、超分辨成像理论仿真和优化设计平台。提供描述 436365248 193长入射光波前分布、偏振状态、膜层厚度、平整度、均匀度等因素对成像分辨力影响的数值模拟软件和详细说明，给出能 够实现波前调控提高 刻的波前调制器件或预畸变器件的设计软件，给出实现刻长焦深器件设计软件和详细说明。 P 成像焦深（ 1002宽）的有效方法，并为项目总体提供一套焦深检测系统方案并进行实验验证。 545 篇，申请专利 10 项。培养研究生 1015 名。 研究内容 本课题以 分辨光学成像光刻为主要目标，集中力量进行 分辨成像过程中的物理问题的研究，主要内容有： （ 1）建立理论仿真和优化设计平台。 建立基于 学的超分辨成像模型，系统地描述 衍射成像光刻的物理过程，发展并完善 衍射成像的数值计算方法和理论模型，研究 与电磁瞬逝波相互作用机理及其传播、耦合特性， 研究限制 衍射成像性能的因素，对 衍射成像光刻分辨力的理论极限进行预测和分析。针对 衍射成像的机理，在 436365248 193长光源条件下，提出提高缩放倍率，焦深和工作距离的方法途径，为高分辨力，长焦深和长工作距离的 衍射光刻器件的设计提供理论指导。在 365长光源条件下建立优化设计平台，实现对波前调控器件的设计。建立传统光刻技术与 刻技术的衔接， 探索利用传统光学的波前调控和预畸变技术提高 刻质量的方法途径。 （ 2）研究各种因素对 像性能的影响。 利用内容（ 1）建立的理论模型和数值计算平台系统研究各种因素对 像性能的影响。研究入射光的波长、波前分布、偏振特性、相干特性等对光刻质量的影响，为 刻照明选择提供依据；研究成像掩模质量，如图形深度、边缘形貌、图形质量等对 刻质量的影响，为制定 模设计和工艺标准提供依据。研究膜层厚度、重复周期、平整度、均匀度等因素对成像质量的影响，为分辨成像器件的设计制作提供指导 。探索对 像波长、振幅、位相、传输方向、偏振态、态密度等参数的操控理论和方法，为结合光刻胶工艺进一步提高 刻质量提供前提。 （ 3）探索进一步提高 像质量的理论机理和技术途径。 在前面工作的基础上，同课题 4， 5 结合，研究提高 刻质量的理论机制和技术途径。研究 衍射成像的图像质量，建立相应的表征体系，研究 述、产生的原因和相应的克服方法。研究提高 像分辨力，扩大视场以及焦深的切实可行的解决方法，利用杨顾算法等优化设计方法设计基于 像的长焦深成像器件、相移器件等亚波 长光学器件，用于改善 像质量。进行二维、三维阵列化 像、聚焦光刻功能器件的性能分析和优化设计。 （ 4）扩展 像焦深的器件设计、制作和实验表征。 利用 像原理模型，在 365长光源条件下通过在传统光刻输入端或像时对相位进行调制，扩展成像焦深，改进工作距离。同其他课题合作，通过波前调制，控制 像的特性，实现长焦深成像。研发一种焦深检测的系统方案并实验验证。 经费比例： 11% 承担单位： 首都师范大学 课题负责人： 张岩 学术骨干： 刘娟、周云松、刘树田、董碧珍 课题 2、 光刻介质 相互作用的机理研究 预期目标： 本课题针对表面等离子体超分辨成像光刻中 场与光刻介质相互作用，研究 在 365析光刻介质性能参数与光刻分辨力和图形质量之间的关系，建立 刻过程的物理描述和分析方法；基于光学非线性等效应，发展新型 刻介质，提高刻的分辨力和灵敏度。 P 与光刻介质相互作用过程中电磁能量转换机制，以及光刻介质性能参数与光刻分辨力和图形质量之间的关系。建立 光刻介质相互作用过程的物理描述和分析方法。 学非线性等效应，发展出提高 刻分辨力和灵敏度的新型 32宽节点以下 刻技术提供物理和技术支撑。给出 32提供完整详细可重复的工艺技术报告。 5，申请专利 6。培养研究生 10。通过项目设置，引进吸引人才，培养一支高水平的表面等离子体超分辨成像光刻基础研究的人才和技术队伍。 研究内容： 刻过程中的电磁能量转换机制。研究 在 365长光源条件下 发的过程和场分布特点；研究光刻掩模高频分量 与 耦合、转化以及 光刻介质间电磁能量耦合和转换过程；分析光刻结构中 场分布特点与光刻效率、图形质量的关系；研究掩模版结构参数、膜层结构特点，以及光刻介质的特性对 刻过程中电磁能量利用和转换的影响。 面平整度与 刻图形质量的关系。研究并分析 在 365长光源条件下 场聚焦特点、光刻介质性能参数、膜层参数、材料匹配以及金属固有吸收损耗等对分辨力和图形质量的影响；进行 刻中相干效应以及改善 刻线条对比度、陡度、边缘粗糙度的方法研究。 刻过程的 物理描述和分析方法。开展基于耦合理论描述光刻过程中高频信息的传递、光学远场信息到近场变换的研究；基于微扰理论分析光刻结构特征参数对分辨力和图形质量的影响，给出 刻微观和宏观过程的物理描述。发展用于描述 刻工艺过程的数值仿真方法，建立相应的非线性时域和频域有限差分法、严格耦合波（ 计算分析工具。 65长光源条件下，研究 光学非线性等效应对 刻及介质性能的影响。引入矢量光场、非线性光学效应，研究径向偏振光高效最优 发过程及特性对成像光刻空间分辨力及局域场增强效应的影响。研究 非线性等效应对刻介质中局域光场分布，以及焦距、能量集中度、形状的调控。 65长光源条件下 新型 刻介质的探索研究。探索金属纳米团簇的加入对 刻介质分辨力、灵敏度焦深等性能的改进。研究金属纳米团簇的种类、尺寸、浓度、形状等参数及引入方式对 刻介质性能的调控。研究金属纳米团簇与感光颗粒的微观结构、分布形态对光刻灵敏度的影响。 经费比例： 11% 承担单位： 中国科学技术大学、中国科学院物理研究所 、中国科学院光电技术研究所 课题负责人： 明海 学术骨干： 王沛、周岳亮、王灿 、鲁拥华、潘丽 课题 3、影响 刻效率的关键物理问题 预期目标： P 传输、耦合过程中电磁能量损耗的物理规律，得到有效减少 耗的物理机制和技术途径，建立损耗影响 刻效率的分析方法和提高途径 ,深入研究调控 料介电常数、损耗、色散行为的物理机制和技术途径。 65 193掺杂 料膜层，给出介电常数的测试结果（介电常数实部调制范围： 3，提供完整详细可重复的工艺技术报告。 P 传输、耦合多层金属介质薄膜结构，明确该结构样品的工艺制备方 法以及其中 输和耦合损耗特性的测试分析方法，获得指导性结果。 20 - 300 向传输波长范围内（工作波长 36593论证 输与耦合损耗小于 0. 2 可行性，同时研究 可重复的多层金属、介质膜层制备工艺和条件，提供完整详细可重复的工艺技术报告 。 540 篇，申请专利 10 项以上。培养研究生 1015 名。 研究内容： 本课题的 5 年主要研究内容如下： 合、传输衰减的物理机制和规律 在已有的先期工作基础上，深入开展 式 特性、 传输损耗 特性 和各种 确 其与 输、耦合 结构参量 的 相关性，为相关器件的设计提供理论依据。 增益材料中的传输和增益行为规律 在研究 输、耦合物理机制和规律的基础上，针对 输损耗大的瓶颈问题，开展 增益材料中的传输规律的研究，探索利用半导体增益材料补偿 输损耗。 P 耦合、传输结构设计和优化 在研究内容 1 和 2 的基础上，针对实现增益补偿的低损耗的传输、耦合，设计 输、耦合、分束等功能结构，并针对提高 刻效率的应用要 求，优化设计结构参量。 P 传输、耦合结构、材料的制备技术 在理论研究的基础上，为有效提高 米光刻效率，开展制备低损耗 合结构、材料的研究工作。 输、耦合行为的损耗测试和分析技术 在制备低损耗 输、耦合结构的基础上，对 各种微纳结构中的传输、耦合现象进行测试，测试 式的模场和损耗特性，并进一步实验分析造成 耗的机理。 P 行为特性的机制和途径 在理论研究 输、耦合与结构参量关系的基础上，探索调控 式 特性（包括波长、色散、能量分布、耦合等）的物 理机理，研究金属 /介质纳米结构中利用热光效应、电光效应实现 控的有效途径。 P 材料制备技术和 为性能测试 围绕低损耗 传输、耦合，研究金属和介质混合形成的金属陶瓷材料的制备技术，并利用该材料介电常数可调的特点，设计、制备 输、耦合结构，并对金属陶瓷材料中 传输、耦合、色散特性进行测试。 经费比例： 10% 承担单位： 清华大学、西南交通大学、 中国科学院光电技术研究所 课题负责人： 黄翊东 学术骨干： 刘仿、闫连山、范崇澄 、邢卉 课题 4、提高 刻图形质量的原理和验证方法研究 预期 目标： 究实现高深宽比、陡直度好的高质量 刻图形的原理和方法，为课题五 分辨成像光刻技术实验验证奠定理论基础，并提供可靠的工艺技术支持。 P 光刻图形：特征尺寸 32宽比 2： 1 0 篇以上，申请发明专利 35 项，培养研究生 1015 名。 研究内容： 本课题在课题一针对 分辨物理极限问题的研究上，主要开展邻近效应校正技术、离轴照明技术等波前工程技术相对应的 刻理论模型研究。同时，研究实现纳米量级尺度上微结 构 图形 的原理和技术方法，最终形成制作高深宽比、面 形 误差小、高质量光刻图形的 衍射光学光刻工艺技术，搭建综合性实验平台，对提高 刻图形质量的波前工程技术、光刻辅助增强工艺等各种技术途径进行分析和验证，为课题五 提供 技术支持。 主要研究内容： 分辨光刻配套光刻工艺和方法研究 研究基于 分辨光刻的配套光刻工艺和方法，研究用于提高 刻质量的掩模设计和制备技术、光学光刻材料处理工艺、图形传递工艺等关键辅助工艺。 P 超分辨光刻质量的新方法和新机理研究 针对 像光刻技术特点，研究提高 刻图形质量的新机理和新方法，探索入射光偏振特性、幅相特性等光学特性对焦深、视场等光刻图形质量因素的影响。 P 超分辨光刻质量提高的影响 研究掩模邻近效应优化设计和制备、相移掩模设计和制备、离轴照明以及偏振光照明等波前照明技术对 像光刻质量的影响，研究光刻掩模图形设计优化方法及仿真模型方式、照明偏振特性优化方法及仿真模型及其选择依据。 P 光刻质量技术的实验平台研究 分别搭建针对提高 刻图形质量的波前工程技术、光刻辅助增强技术的实验检测平台，研究各实验检测方法和分析 评价标准。 经费比例： 32% 承担单位： 中国科学院光电技术研究所 、四川大学、中国科技大学 课题负责人： 姚汉民 学术骨干： 王长涛、苏显渝、刘尧、张斗国、赖之安 课题 5、超分辨成像光刻器件原理和方法研究 预期目标： P 成像器件物理原理，获得成像特性和规律，解决与超分辨成像分辨力相关的关键物理问题，获得提高成像极限分辨力的物理实现方法。建立超分辨成像器件与传统成像系统一体化设计和分析方法，实现器件结构制备，搭建 分辨成像光刻实验装置和获得验证性实验结果，为新一代光学光刻技术奠定重要理论和技 术基础。 衍射成像和光刻过程，获得 16宽分辨力的 学成像设计结果。 65长条件下，获得 32宽分辨力 分辨成像器件，制作特征尺寸为 32光栅、 符等集成电路常用典型图形结构。 030 篇，申请专利 35 项。培养研究生 1015 名。 研究内容： 本课题在前期 衍射、超分辨成像方面的研究基础上，展开超衍射材料、超分辨 像的物理原理、特性和规律研究，解决与超分辨成像分辨力相关的关键物理问题，探索提高成像极限分辨力的物理实 现方法。研究与传统成像系统的一体化设计和分析方法，并设计和制备超分辨成像光刻器件，搭建相关光刻实验装置进行实际性能的实验验证。 主要研究内容： 1. 分辨成像物理机制以及成像特性和规律 在 分辨成像物理机制方面主要研究内容包括：倏逝波以 形式作用时在超分辨成像过程中的传输模式和成像机理；超 衍射材料用于成像的理论和设计途径，成像结构的设计原则；系统描述 分辨成像光学特性的相关数理模型和计算方法。在 分辨成像特性和规律方面主要研究内容包括：超分辨成像的缩放倍率、物距、像距、焦深、视场、对比度、 光学传递函数等性能参数之间的理论关系；超分辨成像器件结构和材料参数与成像特性的数理关系模型；超分辨成像的像质分析方法、精细像差理论模型和像差补偿技术；超分辨成像模式下的球差、慧差、色差、畸变、场曲等像差的分析和评判规则；像差与成像器件结构、光学系统缺陷之间的物理关系，以及像差对 刻分辨力的影响和关系模型；有效提高 刻分辨力、延伸 像工作距和焦深的理论和技术途径。 2. 超分辨成像器件的一体化设计方法和软件平台 超分辨与传统衍射受限成像对接的成像原理和分析方法，以及二者之间的成像原理、理论模型、设 计原则、成像特性分析方法和手段等方面的理论方法接口；可制备的超分辨成像光刻器件结构设计和优化方法，包括器件结构的设计依据、基本设计规律、优化设计方法和相应程序包，与传统光学设计方法的技术接口等。 3. 超衍射材料的制备和检测技术 超衍射材料平面膜层中的单组分膜层、多组份膜层、平面和曲面复合膜层等高精度微细加工技术的研究；超衍射材料的结构参数、基本光学常数、近场光学行为等电磁特性的测量和表征技术。 4. 缩小倍率超分辨成像器件和 米光学聚焦透镜的制备和检测技术 缩小倍率超分辨成像器件的曲面膜系高 精度面形控制技术、定位和对准标记的制备技术； 米光学聚焦透镜中可对倏逝波光波振幅和位相调制的亚波长纳米结构、微结构以及阵列式 米光学聚焦透镜的外形结构、金属膜层制备、标记加工以及保护膜层制备等方面的技术。缩小倍率超分辨成像器件和 米光学聚焦透镜的制作精度、超分辨成像器件的星点与分辨力、传函和分辨力均匀性、像差分析等成像特性表征技术。 5. 刻实验验证系统 开展超分辨成像器件与投影光学系统组合后实现缩小投影 学光刻的工作原理、光刻分辨力及光刻质量等问题的分析研究；同时，对实验系统的关键单 元技术，如高倍率投影物镜、超分辨成像器件承片台的五维精密控制、硅片承片台的五维精密控制以及精密对准等技术开展系统研究；开展紫外照明、高倍率投影物镜、工件台、掩模承载台、对准以及调平调焦等分系统的初装联调和测试、实验系统整机集成和调试研究。系统开展用于验证纳米光学聚焦透镜超分辨光刻性能的聚焦透镜承载以及精密定位系统、图形自动生成系统、投影照明系统等分系统的设计和制作技术研究；研究纳米光学聚焦透镜 学光刻实验分系统的集成和调试技术研究。 经费比例： 36% 承担单位： 中国科学院光电技术研究所 、深圳大学、电子科技大学、清华大学 课题负责人： 罗先刚 学术骨干： 赵泽宇 、林祥棣 、冯沁、马君显、王彦钦、赵青、冯雪、谭学海 四、年度计划 研究内容 预期目标 第 一 年 主要涉及 分辨成像理论模型及物理过程，发展相关计算方法，研究 像、聚焦光场与光刻介质相互作用的物理特性，分析金属薄膜结构材料中 传输耦合损耗的特性规律，非线性 刻介质的性能研究、设计和初步制备，系统分析研究 刻各材料、工艺环节对光刻质量的影响，邻近效应修正的高质量刻掩模制备及可行性验证，系统研究 分辨成像特性规律和超分辨成像器件结构制备方法和试制，设计和搭建超分辨成像光学测试实验系统。 具体研究内容有： 1、系统地研究表面等离子光学的超分辨成像模型，描述 衍射成像光刻的物理过程，发展并完善 衍射成像的数值计算方法和理论模型，研究 电磁瞬逝波相互作用机理及其传播、耦合特性，研究限制 衍射成像性能的因素。 2、研究 刻过程中高频信息的传递过程，分析光刻结构特征参数对分辨力和图形质量的影响， 刻过程中的电磁能量转换机制。给出 刻微观和宏观过程的物理描述。分析光刻结构中 布特点与光刻效率、图形质量的1、建立 刻成像的物理模型和表征平台， 刻质量对照明特性依赖的统计规律。 2、给出 刻质量对掩模参数的依赖特性， 刻质量对制备膜层参数的依赖特性。 3、建立金属复合材料非线性光学性质测试平台。波长： 355宽： 16率： 10 4、发展感光物理模型、感光材料特性对光刻质量的影响，发展365光显影数理模型和计算分析方法。 5、 制备金属 ( 纳米颗粒；研制出体积百分比 1的均匀分散的金属纳米颗粒光刻胶复合体系，非线性感光材料（线宽分辨力提高 以上）。 6、建立研究 式、传输、耦合等特性的模拟仿真平台，获得式特性和耦合特性与结构 研究内容 预期目标 关系。 2、金属纳米颗粒的制备。 通过物理和化学方法制备获得一定尺寸和形状的金属纳米颗粒。将非线性光学介质与光刻介质或金属掩膜结构复合，研究非线性等效应对 刻介质中局域光场分布，以及焦距、能量集中度、形状的调控。 3、研究分析 式损耗与结构参量之间的关系；系统研究高质量金属（ u）纳米膜层的制备工艺和方法；研究金属薄膜厚度和介电常数的测试方法，系统研究金属薄膜质量的量化表征参数和受工艺条件影响的规律。 4、系统理论分析研