下一代表面等离子体纳米光刻和纳米压印系统的研究

论文摘要

传统光学光刻受到衍射极限的限制,分辨率通常只有半波长,随着微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System,MEMS）和微光机电系统（Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems,MOEMS）的迅猛发展,如何低成本的获得亚波长图案受到科研及产业界的广泛关注。一系列超高分辨率的光刻手段,如电子束光刻、聚焦离子束刻蚀、极紫外光刻、表面等离子体光刻和纳米压印光刻等应运而生。其中表面等离子体光刻和纳米压印光刻以其高灵活性、高产量、低成本和简单的工作环境吸引了众多的研究目光。表面等离子体携带高频信息只存在于近场,随着远离出射面迅速衰减。因此较短的曝光焦深限制了等离子体光刻的实际应用。纳米压印技术通过将具有微纳米结构的模具以机械力压在衬底上来等比例的复制图案,分辨率只与模板有关,不受光衍射极限的限制,在工业应用方面显示了极强的竞争力和广阔的应用前景。本文开展了对长焦深等离子体直写光刻系统的研究,设计了两种等离子体共振腔结构,对出射面的倏逝波进行耦合和放大,设计反射结构对传输损耗进行补偿,提高曝光焦深。设计并搭建了平板对卷纳米压印光刻系统,测试了其压印精度,证明了平板对卷压印系统在微纳光学结构中的应用,推动了纳米压印技术在光电相关领域方面的实用化。1.通过数值模拟探究bowtie结构的光学特性,证明其在近场内的局域性。对金属-介质-金属（MIM）结构进行模式分析,讨论了介质层厚度对传播常数的影响。设计了 MIM/bowtie等离子体直写光刻系统,使用PMMA代替空气充当间隔层以满足折射率匹配。通过等离子体共振腔结构对bowtie下表面的倏逝波进行二次耦合和放大。本文对比了有无MIM结构bowtie光刻系统里光刻胶中的场强分布,定义描述曝光结果的对比度函数,用于定量描述有直写光刻系统的可达到的分辨率。通过时域有限差分方法对光刻直写系统进行了模拟,仿真结果显示添加了 MIM结构之后,该直写光刻系统可以在40nm的光刻胶内实现分辨率小于45 nm的光刻。讨论了不同FIB加工参数对bowtie形貌的影响,并搭建了直写光刻系统,通过实验验证了对MIM/bowtie系统超衍射特性的理论分析。2.通过等效介质理论分析近零折射率（ENZ）材料的超透射特性,证明其对倏逝波的多次放大性质。设计ENZ/bowtie直写光刻结构,通过仿真证明ENZ结构对倏逝波的传播特性。对比下层银膜和下层ENZ结构对光场的损耗补偿,以及有无ENZ结构的光刻系统中的可达到分辨率,仿真结果显示ENZ/bowtie结构可以在100nm光刻胶内得到分辨率小于65nm的光刻结果。采用湿法刻蚀和背面刻蚀的方法克服FIB离子束的高斯效应,得到超小间隙的bowtie小孔,并通过扫描光刻实验对模拟结果进行验证。3.结合平板纳米压印和辊式纳米压印的优点设计并搭建平板对卷纳米压印系统。实现柔性衬底上的连续压印,设计背面和正面辊式涂胶,提供可控的胶层厚度。对脱模时的应力分布进行有限元分析,研究脱模后的残胶层厚度。4.设计金属线栅偏振片结构,讨论了不同工艺对线栅偏振片形貌的影响,通过平板对卷纳米压印系统在柔性衬底上进行连续压印,获得分辨率为75nm的线栅,其透过率和消光比与模拟相符。设计柱矢量光场生成器,探究残余入射光对出射光场的影响,证明其在空间上分离波长的能力,通过纳米压印设备对柱矢量光场生成器进行大批量低成本的复制。推动纳米压印在光电领域的实用化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 表面等离子体纳米光刻的发展
•     1.1.1 表面等离子体概念
•     1.1.2 等离子体干涉光刻
•     1.1.3 等离子体直写光刻
•     1.1.4 等离子体成像光刻
•   1.2 纳米压印光刻技术的发展
•     1.2.1 纳米压印固化方式分类
•     1.2.2 纳米压印方法分类
•   1.3 本论文主要工作
• 第二章 基于MIM/bowtie结构的超分辨纳米光刻研究
•   2.1 Bowtie小孔的光学特性
•   2.2 金属-介质-金属结构的模式分布
•   2.3 MIM/bowtie直写光刻系统的设计
•     2.3.1 MIM/bowtie结构参数
•     2.3.2 MIM/bowtie结构的色散分析
•     2.3.3 MIM/bowtie结构的数值模拟
•     2.3.4 MIM/bowtie光刻系统分辨率
•   2.4 MIM/bowtie结构的制备
•     2.4.1 光刻头制备过程
•     2.4.2 曝光衬底的制备
•   2.5 MIM/bowtie结构的光刻实验研究
•   2.6 本章小结
• 第三章 基于ENZ/bowtie结构的超分辨直写光刻研究
•   3.1 近零折射率材料中的等效介质理论分析
•   3.2 ENZ/bowtie结构的设计
•     3.2.1 ENZ/bowtie结构的电场分布
•     3.2.2 共振腔材料对光场传输的影响
•     3.2.3 ENZ/bowtie结构的可达到分辨率
•   3.3 bowtie/ENZ结构的制备
•     3.3.1 光刻头制备过程
•     3.3.2 曝光衬底的制备
•   3.4 ENZ/bowtie结构的光刻实验研究
•   3.5 本章小结
• 第四章 超分辨平板对卷连续纳米压印系统的设计与搭建
•   4.1 平板对卷纳米压印系统
•     4.1.1 涂胶系统
•     4.1.2 压印系统
•     4.1.3 材料选择
•   4.2 脱模过程的分析
•   4.3 残胶层的计算
•   4.4 模板抗粘处理
•   4.5 本章小结
• 第五章 超分辨纳米压印制备超薄微纳光学器件
•   5.1 纳米压印制备线栅偏振片
•     5.1.1 线栅偏振片的模板制作
•     5.1.2 线栅偏振片的压印
•     5.1.3 线栅偏振器性能测试
•   5.2 纳米压印制作柱矢量光场生成器
•     5.2.1 柱矢量光场生成器的设计
•     5.2.2 柱矢量光场生成器的制作
•     5.2.3 柱矢量光场生成器的检测与研究
•     5.2.4 利用纳米压印复制超表面结构
•   5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 罗慧雯

导师: 王亮

关键词: 表面等离子体纳米光刻,金属介质金属,近零折射率材料,纳米压印

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O53;TN305.7

DOI: 10.27517/d.cnki.gzkju.2019.000030

总页数: 124

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