接触型直写光刻技术调研

1、研究背景 21世纪必将是纳米科技的时代。纳米量级结构作为研究微观量子世界的重要基础之一, 由于光刻的高生产率，光刻已经成为一个制作微纳结构的强大工具。为了提高其能力,光刻技术已经向两个主要方向发展:高分辨率,高生产量和高速光刻。 传统的远场光刻由于受衍射极R=/2NA(是入射光波长,NA是数值孔径)的限制, 虽然可以通过减小和增大NA提高分辨率,但是其依然面临技术和成本的困难。远场光刻从根本上无法突破衍射极限的限制,近场光学的分辨率不受衍射极限的限制。为了克服衍射极限，研究人员尝试基于近场光刻开发新的光刻过程。研究表明采用亚波长孔径的近场光刻系统可以比远场光刻系统具有更强的光透射量和更好的光学

2、分辨率。而且近场光刻头直写光刻方法，还具备可以在不同位置施加以不同剂量的光强，从而得到在二维直写中体现出第三维差异的图形的优势，这是传统光刻方法难以实现的。由于直写头的灵巧性，甚至可以直接应用于三维结构的直写中。研究现状 韩国延世大学的一个研究小组采用了两种方案：两者都采用了装有固体浸没透镜（SIL）的铝薄膜上的领结（bowtie）形状高透射能量纳米孔隙，不同的是1)一种是非接触式探针光刻方案，在孔隙上覆盖以电介质保护层，保护层的厚度规定了光刻探头与光刻胶的间距，再用差距信号控制器控制孔隙与光刻胶的间距，达到的最高光刻速度200mm/s ；2)另一种方案是采用了接触式探针光刻技术，采用变形弹簧

3、并使用压电控制器来控制光学头与光刻胶之间的接触力度，受到工作台的速度限制影响，达到的最高光刻速度为10mm/s。 Srituravanich 等制作了一个44等离子透镜阵列附加到一个硬盘直写头上，硬盘直写头利用空气动力学原理悬浮在旋转硬盘上方20nm，获得了12m/s的光学直写速度。然而，其探头接触面积大，悬浮间距的准确控制存在一定困难；更重要的是，其轨迹方式受到严格限制（高速圆周运动），不适用于复杂图形，也不适合并行工作方式。方案优选方向 研究表明采用亚波长孔径，如C型（C sharp）纳米孔径，领结（bowtie）形纳米孔径及其他形状孔径并使用固体浸没透镜（SIL）的近场光刻系统可以比远场

4、光刻系统具有更强的光透射量和更好的光刻分辨率。 为了实现高分辨率，考虑到光产生的消散场呈指数式衰减，且光学孔隙与光刻胶的间距容易被各种环境条件如湿度、温度所影响,精确控制光学孔隙与光刻胶的间距使其保持在十纳米量级是其关键问题 ，一般采用闭环控制器控制两者间距。 为了实现高速光刻，在被动保持纳米间隙距离的情况下，采用并行工作的纳米孔隙直写头阵列的方案很有前途，有望实现大规模生产。 Plasmonic nanolithography with a solid immersion lens-based plasmonic optical head 为了克服近场光刻中存在的难题，Kyoung-Su P

5、ark等人设计了一中等离子纳米光刻系统。该系统使用带有纳米尺寸的小孔的固体浸没透镜作为光刻探头来突破衍射极限，实现近场光刻分辨率的提高。并且该系统具有保持保持光刻探头和光刻胶间的间隙的伺服控制系统，使得光刻时光刻探头工作时稳定在光刻胶表面的固定的位置，实现光刻的高速化。使用该系统，他们获得了分辨率低于130nm的光刻图案，并且光刻速度达到200mm/s，光刻探头保持在光刻胶表面20nm处。Design of Plasmonic SIL Optical Head等离子SIL光刻探头的设计如图所示，=405nm的激光用来产生局部表面等离子共振进行光刻，=785nm的激光用来产生消散波由动态纳米间隙

6、控制器保持光刻探头与光刻胶表面的间隙。纳米小孔采用C型孔，由FIB工艺在铝膜上制得。等离子SIL光刻探头的制造工艺流程Fabrication of Plasmonic SIL Optical HeadControl process schematic of full system configurationDesign of Nanogap Control Algorithm该系统有个模式切换伺服系统(Mode-switching Servo)，有四种工作模式Approach mode、Handover mode、Closed-loop gap servo mode和Safety mode，以

7、保证光刻过程中探头的快速移动和安全。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组成。其中，间隙错误信号（GES）由base air-gap controller检测。Block diagram of the servo system 间隙控制伺服系统(Gap servo controller)由disturbance observer（DOB）、dead-zo

8、ne nonlinear controller，narrow-band disturbance filter（NBDF）和base air-gap controller组成。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波长的激光用来光刻，780nm波长的激光用来进行光刻探头和光刻胶间的间隙控制。光刻头嵌入到一个300nm厚的铝膜中，C-shape纳米小孔镶嵌在SIL的中心，通过动态间隙控制使得探头稳定在光刻胶上方的20nm处。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波长激光光源部分，用来保持探头和光刻胶间的间隙The experimental setup for plasmonic nanolitho

10、graphy1 简单示意图简单示意图2 探头部分介绍探头部分介绍3 整体实验平台建立整体实验平台建立纳米光刻简单示意图3个部分：个部分：激光源部分：Use 405nm dilde laser;机械快门控制曝光时间。光学显微镜部分：这个部分为了光学对准。NA为0.8的物镜安装在显微镜上，组装显微物镜和SIL获得NA为1.2，能高精度地定位纳米孔隙。所以这些只能在Z轴直线运动，具有100nm的分辨率，sample是放在能在xy方向扫描的受PZT驱动的平台上，具有2nm的分辨率。纳米孔隙部分：是近场光刻系统的核心部分，探头部分的结构探头部分的结构悬持结构的设计悬持结构的设计:传统结构现在结构接触时，

11、产生水平方向的位移，定位精度低接触时，受力均匀，定位精度高规格参数：规格参数：激光发生器（laser source）：Crystalaser, BCL-025-405S；显微物镜（objective lens）：Nikon CFI LU Plan Epi EL WD 100 x；光刻胶（positive photoresist）：Dongjin Semichem, DPR i-7200P；压电控制器模块（piezo controller module）：Physik Instrumente, E-509.S3, E-516 & E-503（控制sample satge的运动，0.4nm

12、的x、y方向定位精度）；数字模式I/O模块（digital pattern I/O board）:National Instruments,NI-6534；通过控制光源功率、stage的移动速度、曝光时间来调节曝光剂量，从而可以得到各种不同线宽的尺寸（最小30nm的分辨率）。实验结果实验结果 虽然飞行等离子体透镜光刻阵列系统可以获得很高的光刻速度。但这种飞行模式需要建立在旋转基地的基础之上，并且气流速度需要达到一个明确的级别之上才能产生足够的空气动力学升力来保持等离子体飞行头和光刻胶之间的纳米间隙。这个间隙很容易受到环境影响，比如湿度或温度。而且随着阵列透镜数量的增加，其探头接触面积大，纳米间

13、隙的准确控制会变得更加困难。更重要的是这种模式的运动轨迹受到严格控制，不适用于复杂图形的光刻，而且不适合于并行工作方式。韩国延世大学的纳米光刻实验室提出了一种高分辨率和高光刻速度的纳米光刻直写系统，该系统具有一个接触探头。采用接触式探头，可以稳定的控制探头与光刻胶间的纳米间隙，并且移除了复杂的间隙控制系统，实现刻写的高速化。而且这种结构可以容易的实现多探头的阵列，使每个探头都能很好的保持与光刻胶间的纳米间隙，提高光刻的效率。使用具有接触式探头的纳米光刻系统，他们通过实现获得了50nm的光刻分辨率和10mm/s的光刻速度。接触式探头的等离子纳米光刻 接触式探头是该系统的关键部分。它基于一个SIL

14、透镜，通过离子束缚住沉积的方法在SIL下表面覆盖一层120nm厚的AI膜，并使用FIB工艺在AI膜上得到一个领结型（bowtie nano-aperture）纳米小孔，提高光的透射能量。再在AI上覆盖一层透光的绝缘保护层（SiO2玻璃），保护纳米小孔不受污染并且稳定的控制接触探头和光刻胶间的纳米级间隙。最后探头的最外层覆盖有一层SAM，减小探头和光刻胶间的摩擦和阻力。该接触式探头放置在一个特殊的圆形金属弹簧上。该弹簧由50um厚的不锈钢制成，弹性常数K=130N/m。探头和光刻胶接触后，弹簧发生形变，产生132.5N的竖直载荷，用来保证探头和光刻胶间的接触。使用该系统，可以在光栅扫描模式下，控

15、制光源发的开关信号，在精确位置进行光刻，得到复杂的光刻图形。接触式探头结构示意图接触探头的加工工艺流程1，沉积2nm厚的Cr层，提高AI膜和SIL间的黏附性。2，沉积AI膜。3，加工纳米小孔。4，沉积SiO2玻璃层。5，为了使SiO2玻璃层不仅能够保护纳米小孔不受污染，而且还能稳定控制探头与光刻胶间的纳米间隙，其厚度由300nm减小到10nm。6，蒸渡SAM层。具有接触使探头的等离子纳米光刻系统框图实验平台的搭建试验系统中所用仪器型号：激光发生器（laser source）：Crystalaser, BCL-025-405S；显微物镜（objective lens）：Nikon CFI LU

16、Plan Epi EL WD 100 x；光刻胶（positive photoresist）：Dongjin Semichem, DPR i-7200P；Piezo controller module：Physik Instrumente, E-509.S3, E-516 & E-503（控制piezo satge的运动，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）实验结果（a）：单条直线的光刻，线宽50nm（FWHM），光刻

17、速度10mm/s；（b）：多条直线的阵列光刻，线宽150nm，间距1um，光刻速度 10mm/s。arbitrary shape，a spider with acontact probe光栅扫描模式下的复杂图形光刻结果，光刻速度1mm/s，由4800个像素点组成。（a）line pattern（b）在SIL探头系统下，实验结果如图所示。（a）：光刻速度1mm/s，最小线宽150nm。（b）：采用接触式探头的激光直写光刻可以实现任意形状的光刻。（a）Line pattern having a width 30 nm（b）high-speed scanning pattern在纳米小孔探头系统下，

18、实验结果如图（a）：光刻速度1mm/s，沿X轴方向。（b）：510mm/s光刻速度下得到的不同线宽的光刻直线使用接触式探头的纳米等离子光刻系统可以容易的实现近场光刻中的纳米间隙的稳定控制，而且也容易实现多探头的阵列进行并行光刻。但是光刻过程中，由于探头要和光刻胶发生接触，刮擦和磨损的现象会始终存在，这种方式不适合高速光刻。为了克服飞盘式和接触式纳米光刻系统的缺点，延世大学又提出了一种基于SIL非接触式探头的等离子纳米光刻系统，在SIL探头的底部又一个C形的高透射能量纳米孔隙。该纳米光刻系统使用主动间隙控制器（active gap controller）采集间隙误差信号（GES）来精确地控制SIL探头和光刻胶间的纳米间隙，能使间隙稳定的稳持在20nm。因此，由于光刻过程中，探头不会和光刻胶产生接触，使用该系统能够实现高速光刻。该系统光刻速度达到200mm/s，分辨率达到130nm。（a）（b）该光刻系统使用