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光栅—金属电介质复合结构的超分辨SPs光刻特性研究

光栅—金属电介质复合结构的超分辨SPs光刻特性研究

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作者：王冠君合肥工业大学

学位级别：硕士

超衍射极限的光刻技术已经成为世界范围内纳米科技和微电子工业发展迫切的技术需求。表面等离子体(Surface plasmon polaritons, SPs)具有近场局域增强和波长远小于激发波长等特性,为突破光学衍射极限的高分辨光刻技术提供了一种新的方... 详细信息

超衍射极限的光刻技术已经成为世界范围内纳米科技和微电子工业发展迫切的技术需求。表面等离子体(Surface plasmon polaritons, SPs)具有近场局域增强和波长远小于激发波长等特性,为突破光学衍射极限的高分辨光刻技术提供了一种新的方法。金属-电介质多层复合结构是纳米尺度的金属层和介质层通过多层复合构成的一种具有新颖光学特性的光学材料(Metamaterials),可以作为高空间频率、局域增强的表面等离子体波(SPW)耦合传递的有效载体,实现高频电磁波能量在结构内的耦合传递,并可在结构的出射端获得空间高度局域的超衍射极限光场分布,进而可以用于超小尺度的近场光刻。本文基于表面等离子体的干涉效应,采用理论分析与数值仿真相结合的方式详细研究了光栅Ag/SiO2多层薄膜复合结构的表面等离子体光刻特性。针对405nm波长的普通紫外光源,利用等效介质理论、传输矩阵理论系统地研究了Ag/SiO2多层结构的色散及空间滤波特性,并对结构参数进行了优化设计。利用优化参数,在405nm波长的TM偏振光照明下,数值上获得了横向空间分辨率为19.7nm的超衍射极限光刻条纹。在此基础上,针对一直困扰表面等离子体光刻的条纹陡直度和对比度较差的技术问题,我们利用表面等离子体微腔共振的原理,提出并设计了一种Ag/SiO2多层复合结构的SPs谐振腔光刻结构。利用微腔间SPs的强烈垂直耦合效应,使得腔内光刻区域中局域场得到显著地纵向延伸与增强,获得了对比度接近于1的光刻条纹且其刻蚀深度得以显著提升。上述研究成果将在纳米尺度半导体器件的加工、制备和集成,超衍射极限成像及传感等领域具有重要的应用价值。

关键词：衍射极限表面等离子体纳米光刻 Ag/SiO2薄膜多层复合结构表面等离子体谐振腔倏逝波耦合

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