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

1、项目名称称：表面等离离子体超超分辨成成像光刻刻基础研研究首席科学学家：罗先刚 中国科科学院光光电技术术研究所所起止年限限：20111.1至至20115.88依托部门门：中国科学学院二、预期期目标3.1本本项目总总体目标标本项目以以国家在在国民经经济和国国防高科科技领域域对信息息科学技技术中新新一代微微纳信息息器件的的重大需需求为牵牵引，研研究SPP超衍射射光刻中中的关键键基本物物理问题题，结合合我国中中长期科科技战略略发展规规划中的的“极大规规模集成成电路制制造技术术及成套套工艺”和“核心电电子器件件、高端端通用芯芯片及基基础软件件产品”两个重重大专项项对微纳纳制造技技术的重重大战略略需求，重

2、点针针对 SSP超分分辨成像像光刻技技术中若若干关键键科学技技术问题题（比如如衍射极极限问题题、分辨辨极限问问题、感感光机制制问题、损耗问问题、SSP超分分辨成像像器件设设计、制制备技术术、工艺艺技术等等）开展展系统研研究，并并取得原原创性成成果，作作出系统统性和创创新性贡贡献，建建立相应应的研究究基地和和人才队队伍，形形成具有有核心自自主知识识产权的的SP光光刻技术术平台。通过本本项目研研究，使使我国在在SP超超分辨成成像光刻刻理论、技术和和应用方方面，总总体达到到国际先先进水平平，部分分方面处处于国际际领先地地位，力力争形成成新一代代光学光光刻技术术路线，为采用用光学方方法突破破16nnm

3、、甚甚至100nm以以下光刻刻线宽节节点奠定定基础。1.建立立SP超衍衍射和超超分辨成成像理论论和技术术体系，为166nm线线宽节点点以下光光学光刻刻技术奠奠定理论论和方法法基础。2.形成成SP光刻刻技术平平台和技技术标准准草案，在SPP光刻分分辨力极极限、SSP感光光机理、损耗及及能量利利用率、焦深等等关键问问题研究究方面取取得突破破。3.培养养一支该该领域高高水平研研究人才才队伍和和一批学学术带头头人，建建立SPP超分辨辨成像实实验平台台与超衍衍射光学学光刻技技术研究究基地，为未来来5110年研研发166nm线线宽节点点以下的的超分辨辨成像光光刻器件件和系统统奠定理理论和技技术基础础。 3

4、.2五五年预期期目标：1.得到到SP超超分辨成成像理论论模型，建立超超衍射与与衍射受受限光学学成像一一体化设设计和分分析方法法并构建建相关软软件。2.建立立SP超超分辨光光刻感光光机理模模型，并并用于研研究对比比度、焦焦深、工工作距等等关键SSP光学学光刻工工艺理论论和技术术。3.获得得两项标标志性成成果。（1）在在3655nm波波长条件件下，获获得322nm线线宽分辨辨力SPP超分辨成成像器件件；（22）制作作特征尺尺寸为332nmm的光栅栅、NEEFO字字符等集集成电路路常用典典型图形形结构。4.综合合考虑衍衍射受限限成像、超衍射射成像和和光刻过过程，获获得166nm线线宽分辨辨力的SSP

5、光学学成像设设计结果果。5.发表表高水平平SCII论文1100篇篇以上，申请发发明专利利1000项以上上，培养研研究生665名左左右。三、研究究方案4.1总总体思路路瞄准信息息产业中中光学光光刻领域域对突破破衍射极极限成像像光刻技技术的重重大需求求，抓住住表面等等离子体体光刻正正处于探探索性研研发阶段段的机遇遇，集成成我国在在光学工工程、微微细加工工技术、微纳集集成、物物理、化化学、材材料、信信息技术术等方面面的优势势，瞄准准该领域域一些前前沿性重重大理论论、核心心工艺问问题，进进行多学学科交叉叉合作研研究，对对相关核核心基础础科学问问题进行行深入系系统地探探索，以以期获得得一些具具有原始始创

6、新的的突破和和成果，取得一一批自主主知识产产权的核核心技术术，培养养造就一一支具有有国际水水平的研研究队伍伍，为我我国新一一代微纳纳光子功功能材料料和器件件的长远远发展奠奠定坚实实的基础础。按上述指指导思想想，根据据项目的的总体目目标和五五年目标标，针对对基本的的关键科科学问题题，结合合国内优优势力量量，在前前期9773项目目超衍射射机制、超分辨辨成像以以及SPP非线性性复合材材料等研研究基础础上，以以SP超衍衍射行为为规律和和物理机机制入手手，深入入和系统统地开展展表面等等离子体体光学成成像及光光刻技术术研究，解决限限制SPP光刻分分辨力的的物理因因素、SSP与光光刻介质质相互作作用机理理、

7、影响响SP光刻刻效率的的关键物物理问题题、超分分辨成像像光刻器器件原理理和方法法以及SSP超衍衍射光学学光刻技技术和工工艺等关关键科学学技术问问题，获获得322nm线线宽分辨辨力SPP超分辨成成像器件件，制作作特征尺尺寸为332nmm的光栅栅、NEEFO字字符等集集成电路路常用典典型图形形结构两两项标志志性成果果，并建建立SPP超分辨辨成像应应用基础础研究的的理论和和技术平平台、研研究基地地以及人人才队伍伍。4.2技技术路线线1.在超超衍射光光学行为为的物理理本质、规律和和操纵方方法研究究方面：（1）继继续发展展矢量杨杨顾算法法，使其其能适用用于分析析亚波长长范围的的超衍射射电磁行行为和超超分

8、辨成成像理论论计算，用来指指导研究究在SPP场的影影响下，电磁波波突破衍衍射极限限限制的的原理和和实现途途径，并并进行相相关器件件设计。结合光光刻技术术、溶胶胶凝胶胶法、以以及自组组装等手手段，将将设计的的器件制制作出，并利用用AFMM、TEEM、SSEM以以及微区区Ramman、FTIIR、紫紫外-可可见-红红外分光光光度计计等各种种微结构构表征手手段，研研究纳米米金属微微结构的的形貌、尺寸、周期性性、介电电参数等等对超衍衍射行为为的影响响。（2）类类比传统统材料科科学中原原子、分分子、晶晶胞、缺缺陷、复复合材料料的结构构划分体体系，分分层次开开展超衍衍射光学学材料结结构与物物性之间间的关系

9、系规律研研究。从从单元结结构形式式，金属属点、线线、环等等构成的的简单到到复杂的的结构，从电磁磁相互作作用的规规律上分分门别类类，总结结归纳结结构类型型和特征征，采用用有限元元、时域域有限差差分方法法，结合合电磁理理论中电电极化率率、磁极极化率等等物理概概念，研研究分析析结构参参数线宽宽、间距距等、材材料参数数、电磁磁波参数数等对电电磁响应应行为（有效介介电系数数、磁导导率、折折射率、色散等等）的影影响，总总结归纳纳结构类类型和特特征规律律，为单单元结构构电磁振振荡模型型提供思思路。（3）在在超衍射射材料结结构与电电磁物性性之间的的关系模模型上，主要从从电偶极极子、磁磁偶极子子简单类类比，远远

10、小于波波长尺度度下的近近稳态电电磁场分分析，分分布电容容电感的的等效电电路分析析等几个个方面入入手，建建立电磁磁方程，求解分分析单元元结构对对外界电电磁场的的响应模模型，同同时与严严格矢量量电磁分分析对比比，验证证和改进进模型。单元结结构之间间的电磁磁耦合对对材料特特性的影影响模型型方面，先从弱弱耦合，强耦合合两种极极端情况况入手，结合微微扰理论论、等效效介质理理论描述述材料的的宏观电电磁特性性。对于于一般耦耦合情况况，则利利用矢量量电磁耦耦合波理理论，结结合简化化的单元元结构模模型，联联立周期期边界条条件、缺缺陷边界界条件，建立简简化的耦耦合电磁磁方程，数值求求解分析析电磁行行为，并并与严格

11、格计算结结果对比比分析。2.在紫紫外、深深紫外频频段的超超衍射光光学材料料结构设设计、制制备和检检测技术术研究方方面：（1）超超衍射光光学材料料的一般般电磁特特性的结结构逆向向设计，例如介介电常数数、磁导导率、折折射率等等，首先先通过结结构物性性的数理理模型，选择初初始结构构形貌，结构参参数，结结合模拟拟退火、遗传算算法等数数值优化化方法，设计电电磁结构构。对于于额外的的设计要要求，例例如表面面阻抗特特性、加加工限制制条件等等，通过过增加约约束条件件，结合合优化算算法流程程设计。（2）材材料色散散、损耗耗特性是是影响超超衍射光光学材料料应用的的普遍性性的关键键问题。首先从从色散、损耗的的电磁结

12、结构模型型中分析析关键特特征参数数的影响响，通过过对其选选择性优优化达到到拓展带带宽、减减少损耗耗的目的的。另外外，综合合波长远远离单元元结构的的共振区区域、利利用色散散匹配的的复合单单元结构构等进一一步对其其优化。超衍射射光学材材料的损损耗优化化，可以以根据机机制和模模型，减减少局域域电磁模模式中的的磁流环环路，减减少电磁磁能在共共振环路路中的局局域特性性，甚至至引入电电磁能量量补偿机机制等方方面入手手对材料料的结构构重新设设计优化化。（3）用用高分辨辨力的暗暗场显微微镜研究究纳米结结构对光光超衍射射散射，用透射射显微镜镜来验证证光谱的的位置与与颗粒位位置。利利用用共共焦显微微光谱仪仪研究其

13、其表面等等离子透透射光谱谱。对近近场光学学扫描显显微镜进进行技术术改造，研究不不同照明明条件、不同金金属结构构的SPP超衍射射行为特特征。（4）从从单层薄薄膜制备备技术入入手，包包括单一一组份、多种组组份共存存的膜层层制备技技术，选选择合适适的膜层层制备方方法，通通过对现现有原子子镀膜和和磁控溅溅射镀膜膜设备的的电源、靶材、溅射方方式、监监控方式式的改造造，以满满足薄膜膜厚度、成膜质质量、膜膜层材料料成分比比例控制制等方面面的要求求，攻关关相关工工艺技术术问题。（5）针针对曲面面膜层超超衍射材材料结构构，发展展面形可可控的曲曲面膜层层制备技技术。通通过改造造光学光光刻装置置，制备备精确的的等效

14、灰灰度掩模模，首先先制备相相应光刻刻材料曲曲面膜层层，然后后传递到到所需的的金属或或介质表表面。改改造膜层层溅射或或沉积设设备，以以可控剂剂量的薄薄膜沉积积技术获获得特定定厚度分分布的薄薄膜结构构。（6）在在前面的的研究基基础上，通过引引入双靶靶材共溅溅射等技技术、精精密对准准技术，发展复复合交替替膜层结结构制备备技术，通过对对设备技技术改造造和优化化，实现现高质量量交替膜膜层成形形技术。针对纳纳米尺度度图形的的膜层填填充技术术、平坦坦化技术术开展攻攻关研究究，研究究相关的的膜层平平坦化工工艺，发发展膜层层厚度精精确控制制的平坦坦化停止止工艺。（7）利利用扫描描电子显显微镜（SEMM）、原原子

15、力显显微镜（AFMM）等精精密纳米米测试手手段，测测量超衍衍射材料料表面形形貌、均均匀性、缺陷检检测，以以及材料料横截面面结构膜膜层致密密性、膜膜层厚度度、纳米米图形层层结构尺尺寸等。利用XX射线散散射分析析方法测测试材料料内部膜膜层沙眼眼、空洞洞，也包包括膜层层结构错错位等原原子层次次的缺陷陷。搭建建特殊的的光学检检测系统统，例如如掩模缺缺陷光学学检测系系统，快快速和高高效的分分析超衍衍射材料料的内部部缺陷。（8）利利用紫外外光频段段多光谱谱椭偏仪仪精确测测试超衍衍射材料料单元膜膜层结构构的光学学常数，包括介介电常数数、吸收收率、光光学薄膜膜厚度等等。针对对椭偏仪仪在多层层金属薄薄膜方面面的

16、测试试缺陷，搭建用用于超衍衍射材料料的透射射和反射射模式的的偏振光光振幅和和位相差差异的测测试实验验系统，获得超超衍射材材料的宏宏观介电电常数、吸收效效率等实实验测试试结果。3.在超超分辨成成像原理理、物理理机制、成像特特性和规规律研究究方面:（1）采采用理论论分析和和实验相相结合的的方案，从一些些典型亚亚波长金金属薄膜膜结构的的SP对对高频信信息的传传递和转转换能力力出发，分析将将不同分分量高频频信息转转换到自自由空间间的效率率、信息息之间相相互影响响。设计计像方在在无穷远远位置，考虑位位相匹配配等因素素，设计计金属介介质薄膜膜表面结结构，实实现对携携带特定定空间信信息倏逝逝波的高高效转换换

17、。归纳纳以上倏倏逝波信信息转换换和在远远场恢复复的基本本物理特特性和规规律，建建立超分分辨成像像模型。（2）根根据超分分辨成像像器件的的工作原原理，设设计两类类器件的的结构参参数。为为了简化化分析，首先将将超衍射射材料简简化为等等效介质质材料，或者具具有特定定电磁参参数分布布的材料料。通过过建立光光波在这这种等效效材料中中的传输输行为的的解析公公式，分分析在特特定材料料参数空空间分布布下的光光波传输输行为的的数理公公式利用用多重级级数展开开和微扰扰近似理理论解析析求解，建立成成像平面面上的光光场分布布函数，获得超超分辨成成像器件件成像性性能参数数和结构构参数（口径、焦距、分辨力力、等效效材料参

18、参数、视视场大小小、物距距、像距距）之间间的解析析公式。通过矢矢量电磁磁波计算算方法，如时域域有限元元差分、严格矢矢量耦合合波分析析等，数数值计算算其成像像面光场场分布，分析超超衍射材材料的有有限单元元结构尺尺寸对等等效材料料电磁特特性的影影响。通通过系统统的计算算和分析析各种结结构参数数、材料料参数对对成像特特性的影影响，建建立结构构参数与与成像分分辨力、对比度度、视场场大小等等成像特特性之间间的关系系曲线。（3）基基于超衍衍射材料料中光波波的传输输变换规规律，类类比宏观观光学成成像物理理原理，发展基基于超衍衍射材料料的超分分辨成像像器件工工作原理理，建立立超衍射射材料、结构参参数与成成像性

19、能能之间的的关系模模型，分分析超分分辨成像像规律，为超分分辨成像像器件的的设计、检测提提供理论论基础。（4）建建立系统统的超衍衍射材料料中光波波汇聚的的理论模模型，考考察理想想汇聚焦焦点的光光斑函数数。结合合具体成成像方式式，以光光线和复复光场函函数两类类分析方方法，研研究光波波经过超超分辨成成像器件件聚焦后后的光波波行为，并同焦焦斑分布布形式建建立关联联，分门门别类研研究球差差、慧差差、像散散等像差差的产生生机制。在此基基础上，通过考考察像差差与结构构参数、透镜参参数的关关系，建建立超衍衍射成像像器件像像差的补补偿理论论。并根根据补偿偿理论，设计和和数值模模拟分析析像差补补偿的超超衍射成成像

20、器件件。（5）在在研究超超分辨成成像器件件与传统统光学元元件的组组合成像像特性和和一体化化分析方方法方面面，首先先简化分分析过程程，在超超分辨成成像器件件物面引引入传统统光学成成像焦面面的光场场分布函函数，作作为该器器件的输输入场，严格计计算分析析该器件件像面位位置处的的光场分分布和成成像特性性。同时时，将成成像结果果与光场场照明掩掩模成像像结果对对比，考考察其成成像分辨辨力、对对比度、像差等等方面的的差异。在此基基础上，建立传传统成像像与超分分辨成像像关系的的对接，为一体体化成像像设计提提供理论论指导。4.在用用于超分分辨成像像、电磁磁波超衍衍射能量量局域的的器件结结构设计计、优化化、制备备

21、和性能能检测技技术研究究方面：（1）超超分辨成成像器件件结构建建模和计计算机辅辅助设计计基本平平台。在在分析和和归纳超超分辨成成像器件件的特征征形貌、结构尺尺寸的基基础上，建立针针对超分分辨成像像器件的的标准化化数学表表述方法法和几何何结构模模型，从从而在计计算机中中准确地地描述器器件特征征。开发发基于通通用计算算机和操操作系统统的计算算机辅助助设计平平台，为为各种模模拟分析析程序提提供基本本运行环环境。（2）光光线超衍衍射追迹迹方法成成像分析析方法和和模拟计计算软件件。结合合超衍射射行为的的分析方方法，并并参考传传统光线线追迹模模型，探探索出一一种全新新的光线线超衍射射追迹方方法。构构建数值

22、值模拟计计算程序序，对光光线在超超分辨成成像器件件表面近近场以及及内部区区域的传传播路线线进行仿仿真，进进而分析析像面的的成像特特性。同同时利用用严格的的矢量电电磁场理理论对超超分辨成成像器件件进行分分析，并并且编写写高效的的成像模模拟软件件，研究究器件在在矢量光光作用下下的成像像行为。（3）针针对分辨辨力、焦焦深、放放大率、畸变等等超分辨辨成像器器件关键键光学特特性，综综合模拟拟退火法法、爬山山法、遗遗传算法法等优化化算法，建立器器件结构构和参数数的优化化模型，并编写写自主优优化软件件。结合合超分辨辨成像理理论和像像差分析析手段，建立计计算机分分析方法法，展开开器件各各种像差差的数值值模拟和

23、和仿真分分析。（4）建建立超分分辨成像像器件光光学设计计软件与与传统光光学设计计软件的的接口，在超分分辨成像像器件计计算机辅辅助设计计平台中中提供与与传统光光学设计计软件匹匹配的接接口，建建立相互互兼容的的数据格格式、结结构参数数以及分分析方法法，使组组合器件件的整体体性能可可以得到到精确计计算和模模拟，可可以在两两者之间间进行协协同设计计和优化化。（5）根根据理论论模型结结合自行行编制的的电磁计计算模拟拟软件，全面分分析不同同结构参参数下，超分辨辨成像质质量差异异，总结结不同参参数对成成像效果果的影响响规律，从物理理角度上上给出优优化设计计超分辨辨成像器器件的优优化方向向。借鉴鉴微光学学设计

24、理理论的优优化算法法，如模模拟退火火、遗传传算法等等，针对对选定的的器件结结构形式式，开展展数值优优化求解解结构参参数的研研究。综综合考虑虑实际金金属材料料参数、工作波波长、探探测器灵灵敏度等等多个因因素，设设计用于于实验系系统的超超分辨成成像器件件结构。（6）设设计和搭搭建用于于超分辨辨成像器器件分辨辨力测试试的近场场扫描光光学实验验系统，利用高高倍率镜镜头将传传统星点点/分辨辨力检验验靶投影影到超分分辨成像像器件的的物面上上，然后后再成像像到像面面上，进进而检测测器件的的星点/分辨力力聚焦情情况。通通过高分分辨图像像采集设设备获得得星点/分辨力力的光强强信息和和分布特特性。此此方法同同时适

25、用用于等倍倍率和缩缩小倍率率的超分分辨成像像器件检检测。特特殊设计计和制作作的显微微式分辨辨力检验验靶，将将其置于于在超分分辨成像像器件的的像面上上，采用用均匀紫紫外光源源照明，使分辨辨力靶成成像在物物面上，再通过过高倍率率镜头进进行观察察。（7）利利用特殊殊设计和和制作的的接近式式分辨力力检验靶靶检测超超分辨成成像器件件的实际际分辨力力。将其其置于在在超分辨辨成像器器件的物物面上，采用均均匀紫外外光源照照明，使使透过分分辨力靶靶的光成成像在像像面上。再通过过高分辨辨图像采采集设备备获得分分辨力图图像。（8）利利用特殊殊设计和和制作的的接近式式星点检检验靶检检测超分分辨成像像器件的的星点聚聚焦

26、情况况。将其其放置在在该器件件的物面面上，采采用均匀匀紫外光光源照明明，使透透过星点点的光经经过该器器件成像像在像面面上。再再通过高高分辨图图像采集集设备获获得星点点的光强强信息和和分布特特性。（9）超超分辨成成像器件件的光学学调制传传递函数数检验采采用对刀刀口扩展展函数进进行扫描描采样的的方法。以精密密的刀口口为目标标物，在在物方作作高精度度扫描，经过平平行光管管物镜、高倍率率镜头以以及被测测超分辨辨成像器器件后，直接以以SNOOM探针针作为采采样狭缝缝，对刀刀口扩展展函数进进行高精精度、高高分辨力力的自动动扫描采采样，并并以数字字傅里叶叶分析法法计算超超分辨成成像器件件的光学学传递函函数。

27、5.在减减小SPP传输损损耗、延延伸SPP成像光光学光刻刻焦深和和工作距距的理论论和技术术途径研研究方面面：（1）优优化材料料结构中中的特征征参数，根据SSP超衍衍射传输输和耦合合的物理理机制和和模型，减少局局域电磁磁模式中中的磁流流损耗环环路，将将电磁能能量集中中在非损损耗区域域，减少少电磁能能在共振振环路中中的局域域特性。（2）引引入电磁磁能量补补偿机制制，探索索在3665nmm或1933nm等等光刻波波长下的的增益材材料和技技术，通通过在超超衍射材材料中嵌嵌入有源源材料实实现SPP波能量量补偿，理论和和实验分分析研究究在该材材料中的的超衍射射行为。（3）通通过在感感光层与与超分辨辨成像器

28、器件之间间建立局局域共振振模式，利用SSP成像像光场耦耦合效应应增加成成像距离离。6.在基基于新现现象的SSP超分分辨成像像机理、实现和和调控方方法研究究方面：（1）表表面等离离子体亚亚波长高高分辨光光学成像像及光刻刻过程中中的焦深深调控和和能量损损耗补偿偿问题。结合超超分辨结结构(SSupeer-RRENSS) 技技术，引引入非线线性光学学效应及及有源层层，优化化材料以以及结构构的设计计以提高高空间分分辨力、局域场场增强效效应及激激射过程程，实现现焦深调调控和能能量损耗耗补偿。针对光光刻过程程中的焦焦深调控控，研究究光刻结结构复合合非线性性光学材材料或光光敏材料料的非线线性过程程、及其其对局

29、域域光场的的调控、对焦距距、能量量集中度度、形状状的影响响。对于于光刻与与成像中中的能量量补偿问问题，发发展有源源层光刻刻及成像像结构，研究有有源层结结构中谐谐振腔效效应对表表面等离离子波的的受激辐辐射以及及高频信信息的放放大与补补偿问题题；研究究表面等等离子光光学感光光非线性性效应及及其超高高分辨光光刻、分分层光刻刻过程；研究曲曲面超分分辨成像像结构及及其结构构中表面面等离子子激元增增强的非非线性光光刻成像像。（2）建建立小型型化、集集成化轴轴对称偏偏振光源源，研究究成像、光刻结结构中SSP的径径向偏振振光高效效最优激激发，及及其光场场的矢量量性、轴轴对称性性对局域域光场的的调控作作用。（3

30、）发发展针对对高分辨辨光学光光刻结构构的新测测试手段段和方法法。发展展如SPP散射、荧光相相关、以以及局域域场信标标等超分分辨成像像技术，开展金金属纳米米颗粒阵阵列结构构、亚波波长金属属薄膜结结构以及及复合结结构等的的特征参参数、光光学特性性的测量量。7.在超超衍射光光学光刻刻实验系系统和光光刻工艺艺研究方方面：（1）以以常用紫紫外、深深紫外光光刻光源源为工作作波长，设计和和制备相相应的阵阵列化、超衍射射聚焦和和超分辨辨成像器器件。建建立扫描描光刻和和投影成成像光刻刻两种工工作模式式的光学学光刻实实验系统统；系统统结构主主要包括括紫外均均匀照明明系统、基片工工件台、超透镜镜和超衍衍射聚焦焦承载

31、和和精密调调焦调平平机构、辅助投投影光刻刻物镜系系统、掩掩模台等等部分。理论和和实验研研究实现现纳米图形形光刻的的技术途途径、不不同照明明方式下下的光刻刻分辨力力、掩模模结构优优化和波波前处理理等问题题。（2）光光刻实验验系统的的关键单单元技术术方案主主要有基基于近场场光学光光纤探针针纳米定定位和距距离测定定技术，利用自自主调焦焦技术，利用近近场莫尔尔条纹技技术监控控纳米精精度的调调焦状态态，通过过以上技技术方法法，设计计和构造造与超衍衍射和超超分辨成成像器件件相适应应的工件件台、精精密调平平调焦等等单元技技术，并并集成到到实验系系统中，实现超超分辨显显微观测测和光学学光刻实实验应用用研究演演

32、示。（3）光光刻工艺艺是SPP光学光光刻技术术的重要要组成部部分。超超分辨成成像器件件具有利利用传统统长波长长光源实实现322nm线线宽以下下光刻分分辨力的的理论和和技术优优势，同同时在很很大程度度上保障障了光刻刻材料、光刻工工艺与传传统光刻刻技术兼兼容。但但是在一一些光刻刻工艺技技术细节节方面，需要结结合超分分辨成像像器件的的实际光光刻模式式和特性性，针对对配套的的掩模设设计和制制备技术术、光学学光刻材材料处理理工艺、图形传传递等方方面技术术调整，或者发发展针对对性的辅辅助光刻刻工艺，最终建建立满足足光刻分分辨力和和图形质质量要求求的SPP光学光光刻工艺艺。4.3同同国内外外同类研研究比较较

33、的创新新点和特特色1. 本本项目提提出的SSP超分分辨成像像光学光光刻，突突破了衍衍射极限限，采用用长波长长光源达达到了传传统光学学光刻技技术无法法获得的的光刻分分辨力。本项目目将获得得32nnm线宽宽分辨力力的SPP超分辨辨成像器器件及其其实验验验证，得得到166nm线线宽节点点的超分分辨成像像设计结结果，为为未来116nmm、甚至至10nnm以下下线宽的的光学光光刻技术术奠定了了理论和和方法基基础，同同时也为为我国中中长期科科技战略略发展规规划中的的“极大大规模集集成电路路制造技技术及成成套工艺艺”和“核心电电子器件件、高端端通用芯芯片及基基础软件件产品”两个重重大专项项提供前前沿制造造技

34、术基基础。2.项目目提出建建立衍射射受限与与超衍射射光学成像像统一的的理论和和技术体体系，可可以实现现超分辨辨成像器器件与传传统光学学成像系系统一体体化的设计、分析和和评价，不仅丰丰富和完完备了传传统光学学成像理理论知识识体系，而且具具有技术术兼容性性和继承承性，对对于超分分辨成像像光学光光刻具有有重要意意义。目目前SPP超分辨辨成像理理论和技技术研究究都集中中在提高高分辨力力方面，对于系系统描述述成像特特性的理理论知识识，例如如像差、焦深、畸变等等影响成成像质量量和光刻刻图形质质量的关关键问题题，尚未未见研究究报道。本项目目将系统统地、全全面地开开展SPP超分辨辨成像特特性研究究，并建建立衍

35、射射受限与与超衍射射成像统统一的理理论和技技术体系系，从而而为SPP超分辨辨成像技技术的应应用并与与传统光光学成像像技术的的对接奠奠定理论论和技术术基础。针对SPP成像光光刻技术术中的具具体关键键科学技技术问题题，本项项目提出出了创新新性的研研究思路路和解决决途径。例如，提出平平面缩小小SP光光学光刻刻成像器器件，采采用缩放放倍率的的SP光光学光刻刻成像器器件能够够有效地地解决掩掩模制备备工艺中中特征尺尺寸为332nmm结构图图形的关关键技术术难点，其平面面特性能能够更好好地与传传统光学学光刻工工艺相兼兼容，为为衍射受受限光学学光刻系系统的集集成奠定定了理论论和技术术基础。目前，SP超超分辨成

36、成像技术术绝大部部分是等等倍率缩缩放，或或在曲面面结构上上实现缩缩小倍率率成像（如Hyyperrlenns等），对实实际应用用带来巨巨大困难难。本项项目提出出平面结结构的缩缩小SPP光学光光刻成像像器件，将很好好地解决决这一难难题。此此外，针针对SPP超分辨辨成像工工作距短短和焦深深浅等关关键技术术难题，提出表表面等离离子体波波前工程程理论和和技术的的研究思思路，建建立SPP超分辨辨成像光光刻技术术的“波波前工程程”理论论技术体体系，同同时结合合SP耦耦合匹配配膜层结结构思想想，拓展展SP超超分辨成成像的工工作距和和焦深，解决SSP光学学光刻应应用方面面的重大大技术困困难，进进一步促促进SPP

37、光学光光刻技术术向实用用化方向向发展。目前，这方面面的研究究尚未见见报道。4.4课课题设置置本项目课课题的设设置分为为基础性性和应用用基础性性两个层层次。各各个课题题都紧密密围绕项项目总体体目标和和关键科科学问题题开展研研究，或或者从SSP成像像光刻分分辨力、光刻介介质、光光刻质量量、光刻刻效率、光刻器器件、光光刻工艺艺等不同同侧面，或者选选择不同同的理论论体系，围绕SSP超分分辨成像像光刻研研究的重重大科技技问题开开展协同同研究，彼此既既有关联联又有各各自主攻攻的科研研目标。第一课题题研究SSP光刻刻极限分分辨力的的理论问问题以及及提高SSP分辨辨力极限限的物理理机制，是SPP光刻分分辨力研

38、研究的理理论基石石。第二课题题研究SSP与光光刻介质质相互作作用机理理，建立立SP与光光刻介质质作用的的数理模模型，并并分析光光刻材料料对光刻刻分辨力力的影响响特性。该课题题是研究究SP光刻刻工艺的的理论基础础。第三课题题针对影影响SPP光刻效效率的关关键物理理问题展展开研究究，包括括有效减减少SPP损耗的的物理和和技术途途径，以以及调控控SP材料料介电常常数、损损耗等特特性的物物理机制制和途径径，为低低损耗的的SP超分辨成成像器件件的研究究提供材材料基础础。第四课题题研究波波前工程程技术、SP超衍衍射光学学光刻工工艺技术术等提高高SP光刻刻图形质质量的原原理和方方法，是是最终形形成制作作高深

39、宽宽比、面面形误差差小、高高质量光光刻图形形的理论论和实验验基石。第五课题题研究SSP超衍衍射材料料、超分分辨SPP成像器器件的物物理原理理和实现现方法，为新一一代光学学光刻技技术奠定定重要理理论和技技术基础础。课题之间间的相互互关系如如下图所所示：图4-11 项目目课题及及主要承承担单位位之间的的关系示示意图课题1、限制SSP光刻刻分辨力力的物理理因素和和解决途途径预期目标标：经过五年年的努力力，本课课题预期期达到的的目标为为：1.建立立系统描描述SPP超衍射射光刻的的物理模模型，得得到SPP成像分分辨力、视场、焦深受受限的物物理因素素并给出出理论解解决途径径，研究究影响SSP成像像和光刻刻

40、分辨力力极限的的物理因因素，探探索其理理论分辨辨力极限限。2.建立立一套完完整的SSP超衍衍射、超超分辨成成像理论论仿真和和优化设设计平台台。提供供描述4436nnm、3365nnm、2248nnm或1193nnm波长长入射光光波前分分布、偏偏振状态态、膜层层厚度、平整度度、均匀匀度等因因素对成成像分辨辨力影响响的数值值模拟软软件和详详细说明明，给出出能够实实现波前前调控提提高SPP光刻的的波前调调制器件件或预畸畸变器件件的设计计软件，给出实实现SPP光刻长长焦深器器件设计计软件和和详细说说明。 3.提供供一种拓拓展SPP成像焦焦深（1000nm32nnm线宽宽）的有有效方法法，并为为项目总总

41、体提供供一套焦焦深检测测系统方方案并进进行实验验验证。4.发表表论文335445篇，申请专专利100项。培培养研究究生100155名。研究内容容本课题以以SP超超分辨光光学成像像光刻为为主要目目标，集集中力量量进行SSP超分分辨成像像过程中中的物理理问题的的研究，主要内内容有：（1）建建立理论论仿真和和优化设设计平台台。建立基于于SP光光学的超超分辨成成像模型型，系统统地描述述SP超衍衍射成像像光刻的的物理过过程，发发展并完完善SPP超衍射射成像的的数值计计算方法法和理论论模型，研究SSP体与与电磁瞬瞬逝波相相互作用用机理及及其传播播、耦合合特性， 研究究限制SSP超衍衍射成像像性能的的因素，

42、对SPP超衍射射成像光光刻分辨辨力的理理论极限限进行预预测和分分析。针针对SPP超衍射射成像的的机理，在4336nmm、3665nmm、2448nmm或1993nmm波长光光源条件件下，提提出提高高缩放倍倍率，焦焦深和工工作距离离的方法法途径，为高分分辨力，长焦深深和长工工作距离离的SPP超衍射射光刻器器件的设设计提供供理论指指导。在在3655nm波波长光源源条件下下建立优优化设计计平台，实现对对波前调调控器件件的设计计。建立立传统光光刻技术术与SPP光刻技技术的衔衔接， 探索利利用传统统光学的的波前调调控和预预畸变技技术提高高SP光光刻质量量的方法法途径。（2）研研究各种种因素对对SP成像像

43、性能的的影响。利用内容容（1）建立的的理论模模型和数数值计算算平台系系统研究究各种因因素对SSP成像像性能的的影响。研究入入射光的的波长、波前分分布、偏偏振特性性、相干干特性等等对光刻刻质量的的影响，为SPP光刻照照明选择择提供依依据；研研究成像像掩模质质量，如如图形深深度、边边缘形貌貌、图形形质量等等对SPP光刻质质量的影影响，为为制定SSP掩模模设计和和工艺标标准提供供依据。研究膜膜层厚度度、重复复周期、平整度度、均匀匀度等因因素对成成像质量量的影响响，为SSP超分分辨成像像器件的的设计制制作提供供指导。探索对对SP成成像波长长、振幅幅、位相相、传输输方向、偏振态态、态密密度等参参数的操操

44、控理论论和方法法，为结结合光刻刻胶工艺艺进一步步提高SSP光刻刻质量提提供前提提。（3）探探索进一一步提高高SP成成像质量量的理论论机理和和技术途途径。在前面工工作的基基础上，同课题题4，55 结合合，研究究提高SSP光刻刻质量的的理论机机制和技技术途径径。研究究SP超超衍射成成像的图图像质量量，建立立相应的的表征体体系，研研究SPP成像像像差表征征、描述述、产生生的原因因和相应应的克服服方法。研究提提高SPP成像分分辨力，扩大视视场以及及焦深的的切实可可行的解解决方法法，利用用杨顾算算法等优优化设计计方法设设计基于于SP成成像的长长焦深成成像器件件、相移移器件等等亚波长长光学器器件，用用于改

45、善善SP成成像质量量。进行行二维、三维阵阵列化SSP成像像、聚焦焦光刻功功能器件件的性能能分析和和优化设设计。（4）扩扩展SPP成像焦焦深的器器件设计计、制作作和实验验表征。利用SPP成像原原理模型型，在3365nnm波长长光源条条件下通通过在传传统光刻刻输入端端或SPP成像时时对相位位进行调调制，扩扩展成像像焦深，改进工工作距离离。同其其他课题题合作，通过波波前调制制，控制制SP成成像的特特性，实实现长焦焦深成像像。研发发一种焦焦深检测测的系统统方案并并实验验验证。经费比例例：111%承担单位位：首都都师范大大学课题负责责人：张张岩学术骨干干：刘娟娟、周云云松、刘刘树田、董碧珍珍课题2、SP

46、与与光刻介介质相互互作用的的机理研研究预期目标标：本课题针针对表面面等离子子体超分分辨成像像光刻中中SP光光场与光光刻介质质相互作作用，研研究在3365nnm波长长光源条条件下SSP与光光刻介质质相互作作用过程程中电磁磁能量转转换机制制，分析析光刻介介质性能能参数与与光刻分分辨力和和图形质质量之间间的关系系，建立立SP光光刻过程程的物理理描述和和分析方方法；基基于光学学非线性性等效应应，发展展新型SSP光刻刻介质，提高SSP光刻刻的分辨辨力和灵灵敏度。1.获得得SP与与光刻介介质相互互作用过过程中电电磁能量量转换机机制，以以及光刻刻介质性性能参数数与光刻刻分辨力力和图形形质量之之间的关关系。建

47、建立SPP与光刻刻介质相相互作用用过程的的物理描描述和分分析方法法。2.基于于光学非非线性等等效应，发展出出提高SSP光刻刻分辨力力和灵敏敏度的新新型SPP光刻介介质，为为32nnm线宽宽节点以以下SPP光刻技技术提供供物理和和技术支支撑。给给出322nm线线宽光刻刻介质和和超分辨辨力光刻刻方法的的研究结结果，提提供完整整详细可可重复的的工艺技技术报告告。3.发表表论文335-550篇，申请专专利6-10项项。培养养研究生生10-15名名。通过过项目设设置，引引进吸引引人才，培养一一支高水水平的表表面等离离子体超超分辨成成像光刻刻基础研研究的人人才和技技术队伍伍。研究内容容：1.SPP光刻过过

48、程中的的电磁能能量转换换机制。研究在在3655nm波波长光源源条件下下SP激激发的过过程和场场分布特特点；研研究光刻刻掩模高高频分量量与SPP的耦合合、转化化以及SSP与光光刻介质质间电磁磁能量耦耦合和转转换过程程；分析析光刻结结构中SSP的场场分布特特点与光光刻效率率、图形形质量的的关系；研究掩掩模版结结构参数数、膜层层结构特特点，以以及光刻刻介质的的特性对对SP光光刻过程程中电磁磁能量利利用和转转换的影影响。2.光刻刻介质的的性能参参数、表表面平整整度与SSP光刻刻图形质质量的关关系。研研究并分分析在3365nnm波长长光源条条件下SSP光场场聚焦特特点、光光刻介质质性能参参数、膜膜层参数

49、数、材料料匹配以以及金属属固有吸吸收损耗耗等对分分辨力和和图形质质量的影影响；进进行SPP光刻中中相干效效应以及及改善SSP光刻刻线条对对比度、陡度、边缘粗粗糙度的的方法研研究。3.SPP光刻过过程的物物理描述述和分析析方法。开展基基于耦合合理论描描述光刻刻过程中中高频信信息的传传递、光光学远场场信息到到近场变变换的研研究；基基于微扰扰理论分分析光刻刻结构特特征参数数对分辨辨力和图图形质量量的影响响，给出出SP光光刻微观观和宏观观过程的的物理描描述。发发展用于于描述SSP光刻刻工艺过过程的数数值仿真真方法，建立相相应的非非线性时时域和频频域有限限差分法法、严格格耦合波波（RCCWA）等计算算分

50、析工工具。4.在3365nnm波长长光源条条件下，研究光光学非线线性等效效应对SSP光刻刻及介质质性能的的影响。引入矢矢量光场场、非线线性光学学效应，研究径径向偏振振光高效效最优SSP激发发过程及及特性对对成像光光刻空间间分辨力力及局域域场增强强效应的的影响。研究非非线性等等效应对对SP光光刻介质质中局域域光场分分布，以以及焦距距、能量量集中度度、形状状的调控控。5.在3365nnm波长长光源条条件下新新型SPP光刻介介质的探探索研究究。探索索金属纳纳米团簇簇的加入入对SPP光刻介介质分辨辨力、灵灵敏度焦焦深等性性能的改改进。研研究金属属纳米团团簇的种种类、尺尺寸、浓浓度、形形状等参参数及引引

51、入方式式对SPP光刻介介质性能能的调控控。研究究金属纳纳米团簇簇与感光光颗粒的的微观结结构、分分布形态态对光刻刻灵敏度度的影响响。经费比例例：111%承担单位位：中国国科学技技术大学学、中国国科学院院物理研研究所、中国科科学院光光电技术术研究所所课题负责责人：明明海学术骨干干：王沛沛、周岳岳亮、王王灿、鲁鲁拥华、潘丽课题3、影响SSP光刻刻效率的的关键物物理问题题预期目标标：1.获得得SP传输输、耦合合过程中中电磁能能量损耗耗的物理理规律，得到有有效减少少SP损耗耗的物理理机制和和技术途途径，建建立损耗耗影响SSP光刻刻效率的的分析方方法和提提高途径径,深入研研究调控控SP材料料介电常常数、损

52、损耗、色色散行为为的物理理机制和和技术途途径。2.研制制工作波波长为3365nnm或1933nm的的掺杂AAg、Au、Al材料料膜层，给出介介电常数数的测试试结果（介电常常数实部部调制范范围：33-110) ，提供供完整详详细可重重复的工工艺技术术报告。3.提出出增益补补偿的SSP传输输、耦合合多层金金属介质质薄膜结结构，明明确该结结构样品品的工艺艺制备方方法以及及其中SSP传输输和耦合合损耗特特性的测测试分析析方法，获得指指导性结结果。4.研制制薄膜结结构，在在20 - 3000nmm的SP横向向传输波波长范围围内（工工作波长长3655nm和和1933nm），论证证SP传输输与耦合合损耗小小

53、于0. 2ddB / mmm的可行行性，同同时研究究可重复复的多层层金属、介质膜膜层制备备工艺和和条件，提供完完整详细细可重复复的工艺艺技术报报告代替 “20mm薄膜的制备”的目标。5.发表表论文225440篇，申请专专利100项以上上。培养养研究生生1015名名。研究内容容：本课题的的5年主主要研究究内容如如下：1.SPP耦合、传输衰衰减的物物理机制制和规律律在已有的的先期工工作基础础上，深深入开展展SP模模式特性性、传输输损耗特特性和各各种SPP模式之之间耦合合特性的的基础理理论研究究，明确确其与SPP传输、耦合结结构参量量的相关性性，为相相关器件件的设计计提供理理论依据据。2.SPP在增

54、益益材料中中的传输输和增益益行为规规律在研究SSP传输输、耦合合物理机机制和规规律的基基础上，针对SSP传输输损耗大大的瓶颈颈问题，开展SSP在增增益材料料中的传传输规律律的研究究，探索索利用半半导体增增益材料料补偿SSP传输输损耗。3.增益益补偿方方式的低低损耗SSP耦合合、传输输结构设设计和优优化在研究内内容1和和2的基基础上，针对实实现增益益补偿的的低损耗耗的传输输、耦合合，设计计SP传传输、耦耦合、分分束等功功能结构构，并针针对提高高SP光刻刻效率的的应用要要求，优优化设计计结构参参量。4.低损损耗SPP传输、耦合结结构、材材料的制制备技术术在理论研研究的基基础上，为有效效提高SSP纳

55、米米光刻效效率，开开展制备备低损耗耗SP传输输、耦合合结构、材料的的研究工工作。5.SPP传输、耦合行行为的损损耗测试试和分析析技术在制备低低损耗SSP传输输、耦合合结构的的基础上上，对SSP在各各种微纳纳结构中中的传输输、耦合合现象进进行测试试，测试试SP模模式的模模场和损损耗特性性，并进进一步实实验分析析造成SSP损耗耗的机理理。6.调控控SP行为为特性的的机制和和途径在理论研研究SPP传输、耦合与与结构参参量关系系的基础础上，探探索调控控SP模模式特性性（包括括波长、色散、能量分分布、耦耦合等）的物理理机理，研究金金属/介介质纳米米结构中中利用热热光效应应、电光光效应实实现SPP调控的的

56、有效途途径。7.掺杂杂SP材料料制备技技术和SSP行为为性能测测试围绕低损损耗SPP的传输输、耦合合，研究究金属和和介质混混合形成成的金属属陶瓷材材料的制制备技术术，并利利用该材材料介电电常数可可调的特特点，设设计、制制备SPP传输、耦合结结构，并并对金属属陶瓷材材料中SSP的传传输、耦耦合、色色散特性性进行测测试。经费比例例：10%承担单位位：清华华大学、西南交交通大学学、中国国科学院院光电技技术研究究所课题负责责人：黄黄翊东学术骨干干：刘仿仿、闫连连山、范范崇澄、邢卉课题4、提高SSP光刻刻图形质质量的原原理和验验证方法法研究预期目标标：1.在超超分辨成成像的物物理机制制和成像像分辨力力极

57、限问问题的研研究基础础上，研研究实现现高深宽宽比、陡陡直度好好的高质质量SPP光刻图图形的原原理和方方法，为为课题五五SP超超分辨成成像光刻刻技术实实验验证证奠定理理论基础础，并提提供可靠靠的工艺艺技术支支持。2.高质质量SPP光刻图图形：特特征尺寸寸32nnm、深深宽比22：13.发表表论文220篇以以上，申申请发明明专利335项，培养研研究生110115名。研究内容容：本课题在在课题一一针对SSP超分分辨物理理极限问问题的研研究上，主要开开展邻近近效应校校正技术术、离轴轴照明技技术等波波前工程程技术相相对应的的SP光光刻理论论模型研研究。同同时，研研究实现现纳米量量级尺度度上微结结构图形形

58、的原理理和技术术方法，最终形形成制作作高深宽宽比、面面形误差小小、高质质量光刻刻图形的的SP超超衍射光光学光刻刻工艺技技术，搭搭建综合合性实验验平台，对提高高SP光光刻图形形质量的的波前工工程技术术、光刻刻辅助增增强工艺艺等各种种技术途途径进行行分析和和验证，为课题题五提供供技术支支持。主要研究究内容：1.SPP超分辨辨光刻配配套光刻刻工艺和和方法研研究研究基于于SP超超分辨光光刻的配配套光刻刻工艺和和方法，研究用用于提高高SP光光刻质量量的掩模模设计和和制备技技术、光光学光刻刻材料处处理工艺艺、图形形传递工工艺等关关键辅助助工艺。2.提高高SP超超分辨光光刻质量量的新方方法和新新机理研研究针

59、对SPP成像光光刻技术术特点，研究提提高SPP光刻图图形质量量的新机机理和新新方法，探索入入射光偏偏振特性性、幅相相特性等等光学特特性对焦焦深、视视场等光光刻图形形质量因因素的影影响。3.研究究波前照照明技术术对SPP超分辨辨光刻质质量提高高的影响响研究掩模模邻近效效应优化化设计和和制备、相移掩掩模设计计和制备备、离轴轴照明以以及偏振振光照明明等波前前照明技技术对SSP成像像光刻质质量的影影响，研研究光刻刻掩模图图形设计计优化方方法及仿仿真模型型方式、照明偏偏振特性性优化方方法及仿仿真模型型及其选选择依据据。4.提高高SP光光刻质量量技术的的实验平平台研究究分别搭建建针对提提高SPP光刻图图形

60、质量量的波前前工程技技术、光光刻辅助助增强技技术的实实验检测测平台，研究各各实验检检测方法法和分析析评价标标准。经费比例例：32%承担单位位：中国国科学院院光电技技术研究究所、四四川大学学、中国国科技大大学课题负责责人：姚姚汉民学术骨干干：王长长涛、苏苏显渝、刘尧、张斗国国、赖之之安课题5、超分辨辨成像光光刻器件件原理和和方法研研究预期目标标：1.阐明明超分辨辨SP成成像器件件物理原原理，获获得成像像特性和和规律，解决与与超分辨辨成像分分辨力相相关的关关键物理理问题，获得提提高成像像极限分分辨力的的物理实实现方法法。建立立超分辨辨成像器器件与传传统成像像系统一一体化设设计和分分析方法法，实现现