亚波长金属波导结构表面等离子体超分辨光刻研究

随着微电子及半导体产业的不断发展，人们对微观世界探索与改造的欲望不断加强，这不可避免的面临衍射极限问题的挑战。近十余年来，表面等离子体(Surface Plasmons, SPs)的奇异光学特性，理论上为突破衍射极限实现超分辨成像与光刻提供可能，且从实验上得到了有力验证，从而在世界各国掀起了利用表面等离子体实现超衍射光刻的相关研究。目前表面等离子体光刻正处于探索性、实验室性质地研究阶段，相关研究小组的研究重点集中在实现高分辨率、周期性的成像光刻及干涉光刻技术。本项目将进一步从理论上研究表面等离子体的超衍射特性，深入开展金属波导结构中SPs模式特性、传输损耗特性和各种SP模式之间耦合特性的研究；研究重点将集中在实现非周期性的高分辨率光刻图形，并就设计的结构参数和光源入射方向对光刻图形质量（对比度和光刻深度）进行详细的分析。为日后最终实现各种复杂结构的微纳尺度光刻图形提供理论基础和实验证明。

目前表面等离子体(Surface Plasmons, SPs)光刻的相关研究重点集中在实现高分辨率、周期性的成像光刻及干涉光刻技术。本项目从理论上研究SPs超衍射特性，深入开展金属波导结构中SPs模式特性、传输损耗特性和各种SP模式之间耦合特性的研究；研究重点集中在实现非周期性的高分辨率光刻图形，就设计的结构参数和光源入射方向对光刻图形质量进行详细的分析。相关研究内容和取得的成果按照干涉光刻、成像光刻和其他等三部分简述如下：.1、干涉光刻.(1)研究SPs的激发特性及传播方向的控制，利用法珀光学效应设计一种控制SPs传播方向的耦合器，能调节SPs的传播方向，利用单向传播的表面波实现SPs的超分辨干涉光刻，这类干涉条纹相对于狭缝得到的干涉条纹在干涉条纹强度和深度上有一定的优势;.(2)研究金属-介质-金属波导结构的色散关系。我们研究两类情况，其中一类用于干涉光刻。在工作波长下波导内所支持的SPs的群速度和相速度方向相同，SPs在这类波导中在水平方向传播，设计光栅掩模使得掩模的某一个衍射级次的波数与波导支持的SPs匹配，可实现波导腔内SPs与衍射波的共振干涉，同时研究了光源入射角度与光栅掩模及干涉条纹的关系；.2、成像光刻.(3)研究了金属-介质-金属波导结构的色散关系中的另外一种情况，即波导在一定的工作波长下支持的SPs的群速度和相速度方向相反，入射光波在波导内发生负折射。这种情况下理论上可实现任意非周期性微纳结构的完美成像，并且从色散关系中可知在宽角度的入射范围内实现非周期微纳结构的完美成像；.(4)研究介质-金属-介质三明治结构的非匹配超级透镜的光学特性及其在成像光刻中的应用。可通过调整金属与介质的最佳厚度来实现超透镜效应，弥补由于介电常数不匹配带来的成像缺陷；金属外面被介质包围，也可以防止金属被氧化和污染光刻胶；.3、其他.(5)研究介质-金属-介质三明治结构的非匹配超级透镜的近场莫尔效应方面的应用。