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用于近场高速纳米光刻的飞行等离子体透镜[1]

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用于近场高速纳米光刻的

飞行等离子体透镜

●翁占坤

摘要：纳米尺度器件的商业化。要求开发高生产能力的纳米制备技术，该技术应满足经常对设计

的器件进行改进的需要。电子束刻蚀技术和扫描探针刻蚀技术等无掩模纳米光刻技术给予了人们

期望，但是，这些技术的低生产能力使其在大规模应用上受到了限制。本文报道了一种新颖低廉、

生产高效的无掩模纳米光刻途径，该技术使用一个在组成图案的表面上飞行的等离子体透镜阵列，聚焦短波长表面等离子体＜１００ｍ的光斑。然而，这些纳米尺度的光斑仅仅在近场形成。很难在表

面上高速地对阵列进行扫描。为了克服这一难题，设计了自适应间隙的空气轴承装置。飞行阵列恰

好距圆盘２０ｌｍｌ，旋转速度为４—１２ｌｎ／ｓ，实验显示的图案线宽为８０１１ｎ１。该廉价的纳米制备方案有

望获得比其它无掩模技术高出２￣５个数量级的产量。

过去的几十年里，光刻技术已经广泛地应用于

半导体工业．尽管该技术的分辨率不断地提高。但

成本也在大大地增加。典型的单面光刻工具的价格

接近２０万美元。高质量光刻板的制备也存在耗时多

和价格昂贵等问题，且设计的器件需要经常改进，阻碍了器件样品的制备进度。无掩模纳米光刻技术

包括电子束、聚焦离子束和扫描探针刻蚀技术

（ＳＰＬ），为克服这些问题提供了一个途径，在纳米

尺度器件制备中有效地减少了掩模板的成本并缩短

了研发周期。然而，由于这些无掩模方法的连续扫

描过程较慢。因而造成的低生产能力依然是该类技术的瓶颈。尽管可采用多电子束平行模式的多轴电

子束光刻技术来提高生产效率。但是，由于热漂移

和电荷间的库仑作用，很难同时调节多电子束的尺

寸和电子束的位置，因而导致透镜存在较大的误差。

这使得它在未来应用中存在不确定性。菲涅尔波带

片阵列光刻术使用了大量的衍射光学元件阵列或空

间光调节器来提高生产能力。但最重要的分辨率仍

然受限于衍射极限。ＳＰＬ是一种基于微尖、廉价与

可选择性的在大气环境下操作的技术。其生产能力

的改进已引起人们的关注。如最近展示的使用

５５０００个探针以６０ｍｎ以的速度扫描。但是，它的坚糕竺爿！璺

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万方数据生产能力仍然比实际应用中需要的纳米制备低２．３

个数量级。因为ＳＰＬ技术依赖于距表面ｌＯ—１００ｎｍ的尖端的慢速扫描。这是由于在较高的扫描速度下

可利用来控制探针尖端与样品距离的反馈频带宽度

受到限制所至。本文报道了一种新的高生产效率的

等离子体纳米光刻模式。避开了临界平行度与慢速

扫描的挑战。该技术的生产效率有望提高到平行

ＳＰＬ技术和商用电子束光刻技术的２—５个数量级以

上。当光轰击金属表面时能在表面激起电子共振。

也即是所说的等离子体，这些振荡的波长远小于它

们的激发波长，这意味着表面等离子体可以超越其

激发波长的衍射极限应用于高分辨的图像处理与光

刻技术。等离子体透镜由一个同心的环形光栅组成。用于在近场把光聚焦到＜１００ｎｍ的光斑上。局部密

度比入射光＞１００倍。这些早期的结果明确地反映出

等离子体透镜在纳米光刻上具有潜在的应用前景。

然而，由于瞬逝场的指数衰减，紧密聚焦的光斑仅在

等离子体透镜的近场存在。一般情况下近于１００ｎｍ。因此，纳米图案的高效制备需要一种新的机制．以

确保在高速写入的过程中精确控制等离子体透镜与

基底之间纳米尺度的间隙。图ｌ采用等离子体透镜阵列的高产无掩模纳米平版印本文首次报道了以空气轴承支撑的高速飞行的刷。图（ａ）表示透镜阵列将紫外（３６５ｎｍ）激光脉等离子体透镜阵列（图１）。为了实现高速扫描时保冲聚集到旋转基底上．从而使表面等离子体聚焦持纳米尺度的间隙，我们在基底上２０ｎｍ高处设计于＜１００ｎｍ的光斑上。然而，＜１００ｎｍ的光斑只在了一个新的空气轴承滑动器使等离子体透镜阵列飞透镜附近区域产生．因而需要一个过程控制系统将行，飞行速度为２一１２Ｉｌ以。基底的旋转使得沿着等透镜与基底之间的间隙保持在２０ｎｍ。图（ｂ）为涂离子体飞行头的底面产生气体流动。即众所周知的覆光刻胶的等离子体头在旋转基底上部２０ｎｍ飞行

表面空气轴承（ＡＢＳ）。ＡＢＳ产生一个空气动力学升的剖面示意图。图（ｃ）为过程控制系统示意图。高

力。该升力与悬臂施加的力平衡．实现了在等离子速光学调制器根据图形发生器产生的信号控制激光

体透镜阵列与涂有光刻胶的旋转基底之间精确调控脉冲。写入位置根据圆盘相对于纺锤编码器的位置

纳米间隙的目的。高轴向轴承的硬度与小的冲击质与径向纳米台的位置确定。

量使得自适应方法能在１２０ｋＨｚ之上提供一种有效高效的纳米光刻。底面上的等离子体飞行头是特殊

的频带宽度。应用ＡＢＳ不再需要反馈回路控制。并设计的具有一个等离子体透镜阵列的透明气体轴承

克服了高速扫描的主要技术障碍。从图１可以看出，滑动器。大量的等离子体透镜阵列能实现高效平行

使用等离子体飞行头在一个相对高的速度下实现了写入。

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万方数据本工作使用微加工技术和聚焦离子束研磨来制

备等离子体飞行头，并采用动力学飞行高度监测器

进行评估。对等离子体透镜进行数值设计和模拟。图２（ａ）、㈣展示了放大１００倍后的增强因子及８０啪

的聚焦光斑。将聚焦光斑在ｌＯ％之内的变化作为标

准。数值模拟显示，飞行高度在０￣３０ｎｍ范围内是满

足要求的。基于上述工作。满足等离子体透镜和基

底间的平行度需要非常细心地设计ＡＢＳ。等离子体

飞行头的ＡＢＳ设计采用了自行开发的空气轴承模拟

器．目标是为了在扫描速度４一１２Ｉｌ以范围内实现稳定的２０砌的飞行高度。考虑到实际中飞行头从外

径向内径移动时，圆盘的线速度减少、弯曲角度改

变的因素，图２（ｃ）、（ｄ）展示了设计的ＡＢＳ及空

气轴承压力分布图模拟。ＡＢＳ由一个四垫Ｕ型双轨组成，前端设有长横条。背面的两个大垫产生抵消

浮起飞行头的峰压力并防止可能的物理接触（图２（ｄ））。前面的两个垫对抵消的压力进行调整，提高轴承摆动的强度和使摆动角最小化。通过调整导轨

的精细形状和垫的厚度，在圆盘的横截面获得低于

２斗ｒａｄ的滚动角。所设计的倾斜角达到约８０灿ｍｄ甚至更小．从而补偿了滑动器和圆盘间的弯曲变化。

从前沿对注入空气节流，设计的长横条能有效地减

小滑动器的倾角和对污染物的敏感度，还能增强滑

动器的阻尼。Ｕ型双轨设计有效地增加了整体的负

压．既改善了滑动器的稳定性又增加了轴承的硬度。

随着圆盘速度的减小．正压和负压均减小。导致轴

承的硬度和飞行高度变得更低。有效的空气轴承硬

度和衰减率分别约为２×１０５Ｎ，ｍ和０．１。该设计产

生～８５ｋＨｚ有效带宽来控制间隙。在硬盘驱动器

（ＨＤＤ）里通过磁记录头激发近场光学的飞行等离子体阵列。与传统的ＨＤＤＡＢｓ２３仅仅使用后沿装配

变频器来连续地读或写磁点不同，我们设计的等离

图２等离子体透镜与表面空气轴承（ＡＢＳ）的设计与模拟。（ａ）在近场获得的紧密聚焦８０砌光斑，口径直径、圆环周期数、圆环宽度、Ａｌ膜厚度分别为１００、２５０、５０、８０柳；（ｂ）等离子体透镜的剖面图，与入射光相比焦点位置

的强度增强１００倍；（ｃ）ＡＢＳ的倾斜视图。为了更好地说明，形貌图按比例放大２００倍。ＡＢＳ产生空气动力学升力并与悬浮力平衡，从而使等离子体透镜阵列与旋转基底之间保持纳米尺度间隙。（ｄ）ＡＢＳ下部的计算标准气压与气团流量（从左至右），扫描速度为ｌＯ—ｌ以。压力与周围气压成正比。气团流量密度与质量流量成比例。在最低点，气压最大但质量流量最小，此处空气轴承硬度与污染物容许量都比较合适。婴篇字爿！曼

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万方数据子体头包含了较大面积的等离子体透镜。能进行平

行写入且高产。由于等离子体透镜中光强的快速衰

减．所有等离子体透镜需要保持在距离旋转基底３０ｎｍ

内，这需要底面与基底平行，倾角应在１００斗ｒａｄ内。苛刻的平行度要求使得等离子体头的设计不仅

具有较大的挑战性，而且也不同于磁头滑动器。例如。

为了达到在３０ｎｍ间隙中有ｌ０００个透镜飞行。在轴

承垫上容许使用的面积为８００斗ｍ×２０斗ｍ，每个等离

子体透镜的直径尺寸在４斗ｍ，则ＡＢＳ必须按照＜１００斗ｒａｄ的倾角和２岫ｄ摆角来设计。同样，需

要该ＡＢＳ比传统的ＡＢＳ具有较大的空气轴承硬度、

较高的衰减率和更好的污染物敏感性。另外。该等

离子体头必须透光。

图３（ａ）展示了所制备的等离子体飞行头的光学

显微镜照片。其中涂有金属薄膜的蓝宝石ＡＢＳ被悬

昌｛瑙惶姑埘浮装配。在ＡＢＳ上制备出的立方晶格的二维阵列的

等离子体透镜（４×４）的扫描电镜照片（ＳＥＭ）如图３

㈣。图３（ｃ）、（ｄ）展示了飞行高度、倾角、摆角的测量与

模拟结果。我们观察到，整个飞行速度在４—１２Ⅱ以范

围内可保持飞行高度。所测量的飞行高度与ＡＢＳ设

计的模拟值比较吻合，存在１８—２０．４ｎｍ的微小变

化，这在容限的３０ｎｍ范围内（图３（ｃ））。ＡＢＳ的平行

度由其相对基底的摆角和倾角来决定。在上面所述

的线性速度范围内。实验测得的摆角和倾角的变化分

别为０．１５—２．３４斗ｒａｄ和６１。８９斗ｒａｄ，与设计的数值

模拟一致。确保了所有ｌ０００个透镜阵列都在容许

的３０ｎｍ间隙内。

在光刻实验中。紫外连续激光器被聚焦成几个

微米的光斑并进入等离子体透镜，透镜在旋转的圆

盘上将光束聚焦成＜１００ｎｍ的光斑。从而可写入任

速度／（ｍ／８）速度，（－ｎ，ｓ）

图３制作的等离子体飞行头与飞行高度测试结果。（ａ）悬浮装配的等离子体飞行头的光学显微图；（ｂ）在ＡＢＳ上制作的等离子体透镜的一个阵列的扫描电镜图（ＳＥ帅；（ｃ）飞行高度的测量结果与计算结果均表明，扫描速度为４一１２ＩＩｌ／ｓ时，滑动器可将飞行高度维持在２０±２ｎｍ；（ｄ）扫描速度为４—１２ｎ以时，倾角与摆角的测量结果与模拟结果。实验与模拟结果的一致性证明，在整个等离子体透镜阵列与基底范围内，所得到的平行度都在容许的３０呻间隔内。

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万方数据

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表面等离子体激元简介

表面等离子体激元简介

表面等离子体激元简介

一．表面等离子体激元

表面等离子体（Surface Plasmons）的出现提供了一种在纳米尺度下处理光的方式。表面等离子体通常可以分成两大类——局域表面等离子体共振（Localized Surface Plasmon Resonance）和表面等离子体激元（Surface

Plasmon Polaritons）。局域表面等离子体共振专指电磁波与尺寸远小于波长的金属纳米粒子中的自由电子的相互耦合，这种等离子体只有集体共振行为，不能传播，但可以向四周环境辐射电磁波。局域表面等离子体共振可以通过光直接照射产生。表面等离子体激元指的是在金属和电介质分界面上传播的一种元激发Excitations），这种元激发源自电磁波和金属表面自由电子集体共振的相互耦合。表面等离子体激元以指数衰减的形式束缚在垂直于传播的方向，由于它的传播波矢要大于光在自由空间中的波矢，电磁波被束缚在金属和电介质的分界面而不会向外辐射，也正是因为这种独特的波矢特性，表面等离子体激元的激发需要满足一定的波矢匹配条件。

二．SPPs的激发和仿真方法

由于SPSs的波矢量大于光波的波矢量，或者说SPPs的动量与入射光子的动量不匹配，所以不可能直接用光波激发出表面等离子体波。为了激励表面等离子体波，需要引入一些特殊的结构达到波矢匹配，常用的结构有以下几种：（1）棱镜耦合：棱镜耦合的方式包括两种，一种是Kretschmannt方式；另一种是Otto方式。（2）采用波导结构（3）采用衍射光栅耦合（4）采用强聚焦光束（5）采用近场激发。

目前主要的仿真方法有以下三种

（1）时域有限差分法(finite difference time domain，FDTD)：FDTD方法是把Maxwell方程式在时间和空间领域上进行差分模拟，利用蛙跳式(leaf flog algorithm)空间领域内的电场和磁场进行交替计算，电磁场的变化通过时间领域上更新来模仿。优点是能够直接模拟场的分布，精度比较高，是目前使用较多的数值模拟方法之一。

表面等离子体激元纳米激光器技术及应用研究进展

表面等离子体激元纳米激光器技术及应用研究进展

表面等离子体激元纳米激光器技术及应用研究进展

陈泳屹;佟存柱;秦莉;王立军;张金龙

【摘 要】Conventional semiconductor lasers suffer from the scale of the

diffraction limit due to the light to be confined by the optical feedback

systems. Therefore, the scales of the lasers cannot be miniaturized because

their cavities cannot be less than the half of the lasing wavelength.

However, lasers based on the Surface Plas- mon Polaritons(SPPs) can

operate at a deep sub-wavelength, even nanometer scale. Moreover, the

develop- ment of modern nanofabrication techniques provides the

fabrication conditions for micro - or even nanometer scale lasers. This

paper reviews the progress in nano-lasers based on SPPs that have been

demonstrated re-cently. It describes the basic principles of the SPPs and

gives structures and characteristics for several kinds of nanometer scale

金属纳米结构表面等离子共振及应用

金属纳米结构表面等离子共振及应用

金属纳米结构表面等离子共振及应用

刘海露;陈旭东

【摘 要】金属纳米结构表面等离子共振具有特殊的光学性质并且可以以一些非常独特的方式来操纵光波,在物理、化学、医药、生物、环境等领域有着广泛的应用.本文简单介绍了等离子共振的概念,分别从基础理论研究、仿真计算及应用研究三方面来概述表面等离子共振,并就其在现代光子学和光信息技术的发展方向作了展望.

【期刊名称】《合成材料老化与应用》

【年(卷),期】2018(047)005

【总页数】7页(P100-105,121)

【关键词】金属纳米结构;制备;表面等离激元;应用

【作 者】刘海露;陈旭东

【作者单位】中山大学化学学院,广东广州510275;中山大学化学学院,广东广州510275

【正文语种】中 文

【中图分类】O6-1

当光波入射到金属材料表面时，光和金属纳米颗粒中电子的相互作用能够增强电子的集体振动，如果电子振动频率与入射波的频率一致，外界光场就会被集体振动的电子俘获，使得金属材料表面自由电子与外界光电子耦合形成一种特殊的电磁模式。 共振电磁波作为在微纳尺度下进行光子操纵和集成的优良载体，可利用其过程中纳米金属表面能量转移、等离子体共振能量转移、金属增强发光等特性来研究表面等离激元现象，近年来该领域在实验和理论方面都取得了很大的进展，相关学术研究成果陆续在国际顶尖刊物上发表[1-5]。本文将分别从基础理论研究、仿真计算及应用研究三方面来概述表面等离子共振，并就其发展方向作了展望。

1 基础理论研究

金属纳米粒子组成、形态、尺寸及分布、表面形貌和表面电子结构，纳米阵列结构等对聚合物表面等离激元共振效应有着重要的影响，且不同厚度、不同形状的隔离层微结构对表面等离激元的调制效果也不同。目前研究主要集中在如下五个方面。

1.1 金属纳米结构构建方法

金属纳米结构的构建方法大致分为两类，即化学法(氧化还原法、模板法、电化学法等)和物理法(真空蒸镀法、等离子体溅射法等)。金、银纳米材料由于合成方法简单、化学性能稳定、独特的光学性质成为最受欢迎的基材。

光刻机中的光学组件设计与优化

光刻机中的光学组件设计与优化

光刻机中的光学组件设计与优化

在现代半导体制造中，光刻技术扮演着至关重要的角色。而光刻机中的光学组件设计与优化则是确保高精度、高效率的光刻过程的关键。本文将探讨光刻机中光学组件的设计原理、优化方法及其在半导体工艺中的应用。

一、光刻机光学组件的设计原理

光刻机是一种利用光学技术在半导体制造中进行微米级图案转移的装置。它主要由光源系统、光学透镜系统和掩膜系统组成。而光学透镜系统，则是其中最为关键的部分。

光学透镜在光刻机中的作用是将来自光源系统的光束聚焦到目标材料上，以形成所需的图案。而光学透镜系统的设计则需要考虑以下几个方面：

1. 折射率与材料选择：

光学透镜的折射率与材料的选择对光刻机的性能有着重要的影响。常用的材料有石英、镀膜玻璃等。在选择材料时，需要考虑其透过率、耐高温性以及制造成本等因素。

2. 光学元件的形状与参数：

光学透镜的形状和参数（如曲率半径、焦距等）对光束的聚焦效果有直接影响。通过优化光学元件的形状和参数，能够改善光刻机的分辨率和深度焦点。 3. 光束的畸变校正：

由于光学元件的制造和使用过程中会出现畸变，因此需要进行畸变校正。这可以通过调整光学透镜的形状和位置，使用光学校正技术等方式实现。

二、光学组件设计的优化方法

为了在光刻机中获得更好的成像效果和更高的分辨率，需要对光学组件进行优化。以下是几种常见的优化方法：

1. 多级透镜系统设计：

通过使用多级透镜系统，可以提高系统的分辨率和深度焦点范围。这种设计使得光线经过多次透镜折射，更好地聚焦于目标材料上，从而提高图案的清晰度和精度。

2. 感应耦合等离子体（ICP）技术的应用：

ICP技术是一种基于等离子体辅助化学气相沉积的技术，可用于制备具有复杂形状的光学透镜。通过使用ICP技术，可以实现光学透镜的微米级精度和纳米级表面光滑度，从而提高光刻机的性能。

3. 光学系统参数的最优化：

通过对光刻机中的光学系统参数进行最优化，可以更好地平衡分辨率、焦点深度和成像速度等因素。这涉及到参数的精确计算和模拟，以确定最佳的光学系统设计方案。