本发明公开了一种基于导模干涉的超分辨直写光刻机及其光刻方法，该光刻机包括：激光光源，近端反射镜，偏振元件组，光刻胶，金属薄膜，玻璃基底，匹配油，棱镜和远端反射镜；激发光源发出的激光束激发光刻胶层前向传播的导模，经金属薄膜与玻璃基底的分界面反射的激光，通过右侧的远端反射镜反射后，再次入射到上述分界面，并激发光刻胶层后向传播的导模；两束导模在光刻胶层相互干涉形成周期场，曝光光刻胶，经显影、定影等后续工艺处理，便可在金属薄膜上实现高宽比、长宽比均较大的大面积亚波长光栅的制备；本发明基于激光激发的导波模式，其损耗小、传输距离长，能实现高宽比、长宽比均较大的亚波长光栅的大面积刻写。
1.一种基于导模干涉的超分辨直写光刻机，其特征在于：该光刻机包括：激光光源(1)，近端反射镜(2)，偏振元件组，光刻胶(5)，金属薄膜(6)，玻璃基底(7)，匹配油(8)，棱镜(9)和远端反射镜(10)；其中：所述的偏振元件组，用于改变激光的偏振方向，得到可以激发损耗小、传输距离长的导模的TE或TM偏振光；
所述的激光光源(1)，用于激发多层平面薄膜中的导波模式，简称导模；所述激光光源(1)所发射激光，经过近端反射镜(2)反射后，通过改变偏振方向的偏振元件组后，使之形成TE或TM偏振光，TE或TM偏振光以一个选定的固定角度入射到金属薄膜(6)与玻璃基底(7)的界面并激发这种多层平面结构中前向传播的导模；同时，从棱镜(9)反射出来的激光经右侧的远端反射镜(10)反射后，重新入射到金属薄膜(6)与玻璃基底(7)的分界面激发多层平面结构中的后向传播的导模；两列导模相互干涉从而在光刻胶(5)中形成周期性干涉场，曝光光刻胶(5)；然后通过显影、定影等后续工艺处理，便可在金属薄膜(6)上得到超分辨光栅(11)。
2.根据权利要求1所述的一种基于导模干涉的超分辨直写光刻机，其特征在于，所述的偏振元件组是由偏振片(3)及1/2波片(4)组成的偏振元件组。
3.根据权利要求1所述的一种基于导模干涉的超分辨直写光刻机，其特征在于，所述的激光光源(1)为长波紫外激光光源，或可见光波段激光光源。
4.根据权利要求1所述的一种基于导模干涉的超分辨直写光刻机，其特征在于，所述的激光光源(1)为325nm波长的氦镉激光器。
5.根据权利要求1所述的一种基于导模干涉的超分辨直写光刻机，其特征在于，所述的超分辨光栅(11)的周期可以通过导模的选择来控制，从而实现不同周期的亚波长超分辨光栅(11)的刻写。
6.根据权利要求1所述的一种基于导模干涉的超分辨直写光刻机，其特征在于，通过TE或TM偏振光激发不同的导模，实现大面积亚波长超分辨光栅(11)刻写。
7.根据权利要求1所述的一种基于导模干涉的超分辨直写光刻机，其特征在于，通过改变光刻胶(5)的厚度，得到不同波矢的导模，通过导模的选择来实现不同周期、不同高宽比的亚波长超分辨光栅(11)刻写。
8.根据权利要求1所述的一种基于导模干涉的超分辨直写光刻机，其特征在于，通过改变所述的激光光源(1)的光源波长和/或玻璃基底(7)上所镀金属种类，得到不同导模，并通过选择合适的导模，以实现大面积亚波长超分辨光栅(11)的刻写。
9.一种基于导模干涉的超分辨直写光刻机的光刻方法，其特征在于，具体步骤如下：
在玻璃基底(7)上蒸镀一层金属薄膜(6)，进而旋涂数百纳米厚的光刻胶(5)，烘干后通过与棱镜(9)折射率相近的匹配油(8)置于棱镜(9)上；激光光源(1)所发射激光，经过近端反射镜(2)反射后，通过改变偏振方向的偏振元件组后，使之形成TE或TM偏振光，再通过棱镜(9)，以一个选定的固定角度入射到玻璃基底(7)与金属薄膜(6)的界面并激发这种多层平面结构中前向传播的导模；同时，从棱镜(9)中反射出来的激光经右侧的远端反射镜(10)反射后，重新入射到玻璃基底(7)与金属薄膜(6)的分界面激发多层平面结构中的后向传播的导模；两列导模在光刻胶(5)中形成周期性干涉场，曝光光刻胶(5)；最后通过显影、定影等后续工艺处理，便可在金属薄膜(6)上得到超分辨光栅(11)。
一种基于导模干涉的超分辨直写光刻机及其光刻方法
技术领域
[0001] 本发明涉及微电子、微纳光子器件制备等微纳加工领域的光刻机技术领域，特别涉及一种基于导模干涉的超分辨直写光刻机及其光刻方法。
背景技术
[0002] 光刻技术是一种精密的微细加工技术。现有的超分辨光刻机技术主要包括离子束、电子束、X射线光刻，扫描探针显微技术，近场光学显微镜技术，纳米压印，表面等离子体干涉光刻技术等。上述主要的光刻手段在实际应用中都有着局限性。其主要存在的问题为：
[0003] 1、操作不便。电子束光刻对真空的要求限制了其使用范围，离子束光刻也需要在真空下工作。
[0004] 2、成本高。X射线多是同步辐射加速器所产生的，而诸如电子束光刻技术的设备造价昂贵，维护开销巨大。
[0005] 3、产率低。如基于近场光学显微镜的光刻技术需要精密的近场距离控制系统，扫描速度慢，刻写范围小，操作复杂。同样的问题也存在于电子束、离子束曝光技术。
[0006] 4、稳定性差。传统设备诸如近场光纤探针等容易损坏，要定期更换。电子束也容易对样品造成破坏。纳米压印等利用掩模版的超分辨光刻技术，必须注意掩模板在使用过程中的挤压、受热变形，而且掩模板本身的制作也具有相当大的难度。
[0007] 5、要求苛刻。表面等离子体干涉光刻技术中，由于表面等离子体的穿透深度小，所以要求光刻胶厚度必须很薄，否则，表面等离子体不易被激发。另外，表面等离子体的损耗大、传输距离短，很难实现大面积亚波长光栅的刻写，且只有TM光才能激发表面等离子体。
发明内容
[0008] 本发明的目的是克服现有超分辨光刻机技术的不足，提出一种基于长波紫外或可见光波段的激光所激发的导模干涉场实现高宽比、长宽比均较大的亚波长光栅的大面积刻写，是一种低成本、实用性强的超分辨光刻机技术。
[0009] 实现上述目的的技术方案如下：
[0010] 一种基于导模干涉的超分辨直写光刻机，该光刻机包括：激光光源，近端反射镜，偏振元件组，光刻胶，金属薄膜，玻璃基底，匹配油，棱镜和远端反射镜；其中：
[0011] 所述的偏振元件组，用于改变激光的偏振方向，得到可以激发损耗小、传输距离长的导模的TE或TM偏振光；
[0012] 所述的激光光源，用于激发多层平面薄膜中的导波模式，简称导模，所述激光光源所发射激光，经过近端反射镜反射后，通过改变偏振方向的偏振元件组后，使之形成TE或TM偏振光，TE或TM偏振光以一个选定的固定角度入射到金属薄膜与玻璃基底的界面激发前向传播的导模；同时，从棱镜反射出来的激光经右侧的远端反射镜反射后，重新入射到金属薄膜与玻璃基底的分界面激发后向传播的导模；两列导模相互干涉从而在光刻胶中形成周期性干涉场，曝光光刻胶；然后通过显影、定影等后续工艺处理，便可在金属薄膜上得到超分辨光栅。
[0013] 进一步的，所用偏振元件组是由偏振片及1/2波片组成的偏振元件组。
[0014] 进一步的，所述的激光光源为长波紫外激光光源，或可见光波段激光光源，优选的如：325nm波长的氦镉激光器。
[0015] 进一步的，所述的超分辨光栅的周期可以通过导模的选择来控制，从而实现不同周期的亚波长超分辨光栅的刻写。
[0016] 进一步的，通过TE或TM偏振光激发不同的导模，实现大面积亚波长超分辨光栅刻写。
[0017] 进一步的，通过改变光刻胶的厚度，得到不同波矢的导模，通过导模的选择来实现不同周期、不同高宽比的亚波长超分辨光栅刻写。
[0018] 进一步的，通过改变所述的激光光源的光源波长和/或玻璃基底上所镀金属种类，得到不同导模，并通过选择合适的导模，以实现大面积亚波长超分辨光栅的刻写。
[0019] 进一步的，在上述基于导模干涉的超分辨直写光刻机的技术上，提出一种基于导模干涉的超分辨直写光刻机的光刻方法，具体步骤如下：在玻璃基底上蒸镀一层金属薄膜，进而旋涂数百纳米厚的光刻胶，烘干后通过与棱镜折射率相近的匹配油置于棱镜上；激光光源所发射激光，经过近端反射镜反射后，通过改变偏振方向的偏振元件组后，使之形成TE或TM偏振光，再通过棱镜，以一个选定的固定角度入射到玻璃基底与金属薄膜的界面激发前向传播的导模；同时，从棱镜中反射出来的激光经右侧的远端反射镜反射后，重新入射到玻璃基底与金属薄膜的界面激发后向传播的导模；两列导模在光刻胶中形成周期性干涉场，曝光光刻胶；最后通过显影、定影等后续工艺处理，便可在金属薄膜上得到超分辨光栅。
[0020] 本发明技术方案的原理为：
[0021] 所述激光光源，通过所设计的光路，可以激发不同的导波模式，其相互干涉在光刻胶中形成周期性分布的条纹。此过程无需掩模，并且此结构可以通过照射光场进行动态调控；
[0022] 进一步的，通过改变刻写光的入射角度，可以实现不同周期的超分辨光栅刻写。当介质层厚度增加时，可以激发多个导模。选择其中一个(固定的入射角度和偏振方向，只激发一个导模)模式互相干涉产生周期性分布的光场，从而在光刻胶层中刻写特定周期的亚波长光栅。
[0023] 进一步的，根据所述的亚波长光栅刻写技术中，激发光采用相干性好，功率高，寿命长的激光光源。优选的如325nm波长的氦镉激光器。
[0024] 进一步的，蒸镀到基底上的金属膜，其厚度控制在几十纳米。
[0025] 进一步的，利用旋涂法制备光刻胶薄膜，通过溶液的浓度，旋涂速度等参数控制薄膜的厚度为百纳米量级。
[0026] 本发明和传统技术相比的优势为：
[0027] 1、结构简单：通过改变入射角度或/和光刻胶的厚度来激发不同的导模，利用导模干涉实现不同周期、不同高宽比光栅的刻写。显而易见，此种方法无需制作光刻掩模板，只需通过激发光的近场效应(导模)压缩波长并干涉实现超分辨周期性光场，光场参数可以通过光束动态调节。从而对光刻胶产生空间周期性曝光，进而刻写亚波长周期光栅。解决了常规掩模制造复杂及近场高速扫描中飞行高度不方便控制的问题；
[0028] 2、高效率：激发导波模式时，反射率曲线宽度窄，说明这种导波模式的损耗远小于表面等离子体波，其传输距离长。相较于表面等离子体，其更有利于实现大面积的干涉光场，从而实现大面积亚波长光栅的制备；
[0029] 3、低成本：该光刻方案无需光刻掩模板，光路简单，光源及各种光学元件的成本较低，从而实现了低成本的超分辨光刻技术。
[0030] 4、刻写光栅厚度大：在介质层厚度增加到一定程度时，此种结构中的表面等离子体波不易被激发，因而无法产生表面等离子体波干涉场，而导模仍可以在厚光刻胶层中激发，所以相比较表面等离子体波，此种导模干涉更适用于在金属薄膜表面刻写厚亚波长光栅。
附图说明
[0031] 图1为本发明一种基于导模干涉的超分辨直写光刻机结构示意图；
[0032] 图2为金属薄膜上刻写所得光栅结构示意图；
[0033] 图3为刻写超分辨光栅表面示意图；
[0034] 其中，1、激光光源；2、近端反射镜；3、偏振片；4、1/2波片；5、光刻胶；6、金属薄膜；7、玻璃基底；8、匹配油；9、棱镜；10、远端反射镜；11、光栅结构。
具体实施方式
[0035] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描叙，附图中相同的标号始终表示相同的部件。
[0036] 实施例1：
[0037] 参照图1所示的一种基于导模干涉的超分辨直写光刻机，包括：激光光源1，近端反射镜2，偏振片3，1/2波片4(偏振片3及1/2波片4组成偏振元件组)，光刻胶5，金属薄膜6，玻璃基底7，匹配油8，棱镜9，远端反射镜10；其中，在玻璃基底7上蒸镀一层金属薄膜6(如20nm厚的铝膜)，进而旋涂500nm厚的光刻胶5(折射率1.5)，烘干后通过与棱镜9折射率相近的匹配油8置于棱镜9(折射率为1.545)上。激光光源1选用长波紫外的325nm激光器，其所发射激光，经过近端反射镜2反射后，通过改变偏振方向的偏振元件组，其中，偏振元件组选用偏振片3及1/2波片4组成的偏振元件组，使之形成TM偏振光，再通过棱镜9，以一个选定的固定角度(70.31°)入射到玻璃基底7与金属薄膜6的界面激发前向传播的导模；同时，从棱镜9中反射出来的激光经右侧的远端反射镜10反射后，重新入射到玻璃基底7与金属薄膜6的界面激发后向传播的导模；两列导模在光刻胶中形成周期性干涉场，曝光光刻胶5。通过显影、定影等后续工艺处理，便可在金属薄膜6上得到超分辨光栅
11，如图3所示，并且刻写所得光栅结构示意图如图2所示。基于上述条件和参数所激发的TM1模的波矢为1.454K0，K0为激发光在真空中的波矢，刻写光栅的周期为111.71nm，超过了衍射极限。
[0038] 实施例2：
[0039] 通过改变入射角，可以实现不同周期的超分辨光栅的刻写。光刻胶厚度为500nm，激发波矢为1.326K0(入射角为59.10°)的TM2模，刻写光栅的周期为122.57nm。
[0040] 其它结构同实施例1。
[0041] 实施例3：
[0042] 通过改变偏振元件组的主轴方向，得到TE偏振光。对于光刻胶厚度为500nm所激发的TE1导模，其波矢量为1.471K0(入射角为72.24°)，所刻写光栅的周期为110.44nm。
[0043] 其它结构同实施例1。
[0044] 实施例4：
[0045] 通过改变光刻胶的厚度，利用TM光激发TM1导模。在光刻胶厚为1000nm时，TM1导模的波矢量为1.489K0(入射角为74.61°)，所刻写光栅的周期为109.09nm。
[0046] 其它结构同实施例1。
[0047] 本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
