一种基于超材料的低损耗异质波导超分辨光刻结构

本发明涉及微纳结构的超分辨光刻领域，具体涉及一种基于超材料的低损耗异质波导超分辨光刻结构。

背景技术：

1、光刻技术是实现大规模制造微纳尺度微电子和光电子器件的关键技术之一。由于传统的光学成像和微细加工技术受到衍射极限的限制，利用表面等离子体（surfaceplasmon, sp）的超衍射特性将为获得亚波长、甚至更小纳米尺寸的结构提供了物理思路和研究途径。

2、随着光学科技的不断发展，人们对芯片的要求越来越高，如大规模集成、器件小型化、低损耗、功能多样化等。为此，需要研究制备出更小尺寸的光刻图形。

3、近年来，双曲超材料（hyperbolic metamaterials, hmms），作为超材料（metamaterials, mms）的一种，由于其独特的近场电磁波操控特性成为人们研究的焦点。双曲超材料具有滤波特性及支持高频横向波矢的传播，使得其在超分辨成像和光刻等领域具有很大的应用价值。

4、文献g. liang, et.al., adv. opt. mat., 2015, 3(9):1248-1256和文献h.liu, et.al., optical materials express, 2018, 8(2):199-209公开了一种基于双曲超材料的hmms-光刻胶（photoresist, pr）-金属的波导光刻结构，实验上在363.8nm光源下制备出半宽45nm和35nm的光栅结构，理论上提出22.5nm半宽的光刻技术。

5、文献y. qian, et.al., plasmonics, 2020,15:623-629公开了一种基于双曲石墨烯基多层膜的波导光刻结构，理论上在193nm光源下可获得线宽29nm、深度80nm的高深宽比超分辨周期条纹，但193nm的光源结构复杂、价格昂贵，且光刻胶曝光图形向硅衬底转移有困难，不适合大面积、低成本制备微纳结构。文献x.yang, et.al., appl. phys. a, 2023(129): 87利用hmms-光刻胶-金属光刻结构理论研究了在365nm光源下实现20nm、16nm和11nm的超分辨光刻图形，但由于底层金属损耗的原因，使得超分辨图形的深宽比小于1。

6、文献w. kong, et.al., acs appl. nano mater. 2019, 2(1): 489-496公开了一种金属-光刻胶-金属光刻结构的实验结果，在365nm下成功制备线宽22nm的周期性光栅，但图形深度约为15nm，深宽比也很小。

技术实现思路

1、为了解决常规紫外光源（365nm~436nm）下制备22nm及以下光刻节点图形深宽比较小的问题，本发明提出了一种基于超材料的低损耗异质波导超分辨光刻结构（hmms-光刻胶-mms），该结构在hmms-光刻胶-金属波导结构基础上，将金属薄膜结构替代为mms。该结构能有效抑制光波在光刻结构中传播、干涉时的能量损耗问题，提高干涉图形的深宽比，提升光刻图形质量。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于超材料的低损耗异质波导超分辨光刻结构，包括由上而下的金属光栅层、介质/金属多层膜组成的双曲超材料层、光刻胶层、金属/介质多层膜组成的超材料层和硅衬底层。

4、进一步，所述介质/金属多层膜组成的双曲超材料层具有滤波特性和支持高频横向波矢的传播，其在光轴传播方向的等效介电常数实部为正，且尽量与光刻胶的介电常数匹配，虚部尽可能小，垂直传播方向的等效介电常数实部是负数，虚部尽可能小，以减小光波在此双曲超材料的传播损耗。

5、进一步，所述金属/介质多层膜组成的超材料层在传播方向等效介电常数的实部为正，且尽量与光刻胶的介电常数匹配，以减小光波在波导结构中传播、干涉过程中的传播损耗。

6、进一步，所述金属/介质多层膜组成的超材料层为超材料或双曲超材料。

7、进一步，所述介质/金属多层膜组成的双曲超材料层或金属/介质多层膜组成的超材料层中的双曲超材料中金属为金、银、铝、铜或铬中的一种，厚度范围在2nm~100nm；介质为金属氧化物或gan、mgf2及聚甲基丙烯酸甲酯中的一种，厚度范围在2nm~100nm。

8、更进一步，所述金属氧化物为al2o3、sio2。

9、进一步，所述光刻结构中介质/金属多层膜组成的双曲超材料层为al2o3/al交替排列的三层膜结构，al2o3厚度为12nm，al的厚度为8nm；金属/介质多层膜组成的超材料层为al/mgf2交替排列的结构，al厚度为5.4nm，mgf2厚度为12.6nm。

10、进一步，所述光刻结构中介质/金属多层膜组成的双曲超材料层为gan/al交替排列的五层膜结构，gan厚度为8.8nm，al的厚度为7.2nm；金属/介质多层膜组成的超材料层为al/al2o3交替排列的结构，al厚度为3.5nm，al2o3厚度为46.5nm。

11、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

12、1、本发明对于某一个确定的光刻结构，在365nm的常规紫外光源曝光下，理论上可实现22nm及以下光刻节点的高深宽比图形。例如，利用3层al2o3(12nm)/al(8nm)多层膜结构/pr(27nm)/1层al(5.4nm)/mgf2(12.6nm)多层膜结构组成的波导光刻，金属光栅掩膜周期88nm，在365nm曝光下可实现线宽22nm、深度为27nm的高质量纳米图形。作为对比，我们将20nmal薄膜替换上述结构中的1层al(5.4nm)/mgf2(12.6nm)，若要保证22nm光刻节点，对于hmms-光刻胶-金属光刻结构中，光刻胶厚度d的最大值为20nm，图形深度减小近26%。计算模拟结果说明本发明思路和光刻结构的正确性和可行性。

技术特征：

1.一种基于超材料的低损耗异质波导超分辨光刻结构，其特征在于，该结构包括由上而下的金属光栅层、介质/金属多层膜组成的双曲超材料层、光刻胶层、金属/介质多层膜组成的超材料层和硅衬底层。

2.根据权利要求1所述的基于超材料的低损耗异质波导超分辨光刻结构，其特征在于，所述介质/金属多层膜组成的双曲超材料层具有滤波特性和支持高频横向波矢的传播，其在光轴传播方向的等效介电常数实部为正，且尽量与光刻胶的介电常数匹配，虚部尽可能小，垂直传播方向的等效介电常数实部是负数，虚部尽可能小，以减小光波在此双曲超材料的传播损耗。

3.根据权利要求1所述的基于超材料的低损耗异质波导超分辨光刻结构，其特征在于，所述金属/介质多层膜组成的超材料层在传播方向等效介电常数的实部为正，且尽量与光刻胶的介电常数匹配，以减小光波在波导结构中传播、干涉过程中的传播损耗。

4.根据权利要求1所述的基于超材料的低损耗异质波导超分辨光刻结构，其特征在于，所述金属/介质多层膜组成的超材料层为超材料或双曲超材料。

5.根据权利要求1所述的基于超材料的低损耗异质波导超分辨光刻结构，其特征在于，所述介质/金属多层膜组成的双曲超材料层或金属/介质多层膜组成的超材料层中的双曲超材料中金属为金、银、铝、铜或铬中的一种，厚度范围在2nm~100nm；介质为金属氧化物或gan、mgf2及聚甲基丙烯酸甲酯中的一种，厚度范围在2nm~100nm。

6.根据权利要求5所述的基于超材料的低损耗异质波导超分辨光刻结构，其特征在于，所述所述金属氧化物为al2o3或sio2。

7.根据权利要求6所述的基于超材料的低损耗异质波导超分辨光刻结构，其特征在于，所述光刻结构中介质/金属多层膜组成的双曲超材料层为al2o3/al交替排列的三层膜结构，al2o3厚度为12nm，al的厚度为8nm；金属/介质多层膜组成的超材料层为al/mgf2交替排列的结构，al厚度为5.4nm，mgf2厚度为12.6nm。

8.根据权利要求6所述的基于超材料的低损耗异质波导超分辨光刻结构，其特征在于，所述光刻结构中介质/金属多层膜组成的双曲超材料层为gan/al交替排列的五层膜结构，gan厚度为8.8nm，al的厚度为7.2nm；金属/介质多层膜组成的超材料层为al/al2o3交替排列的结构，al厚度为3.5nm，al2o3厚度为46.5nm。

技术总结本发明涉及一种基于超材料的低损耗异质波导超分辨光刻结构，属于超分辨光刻领域。该结构包括金属光栅层、介质/金属多层膜组成的双曲超材料层、光刻胶层、金属/介质多层膜组成的超材料层和硅衬底层。所述介质/金属多层膜组成的双曲超材料层具有滤波特性和支持高频横向波矢的传播，其在光轴传播方向的等效介电常数实部为正，且尽量与光刻胶的介电常数匹配，虚部尽可能小，垂直传播方向的等效介电常数实部是负数，虚部尽可能小。所述金属/介质多层膜组成的超材料层在传播方向等效介电常数的实部为正，且尽量与光刻胶的介电常数匹配。该结构能有效抑制光波在光刻结构中传播、干涉时的能量损耗问题，提高干涉图形的深宽比，提升光刻图形质量。技术研发人员：杨学峰,张书霞,李亚,王宝基,鲁忠良受保护的技术使用者：河南理工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11