1、项目名称： 表面等离子体超分辨成像光刻基础研究首席科学家： 罗先刚 中国科学院光电技术研究所起止年限： 2011.1至 2015.8依托部门： 中国科学院二、预期目标3.1本项目总体目标本项目以国家在国民经济和国防高科技领域对信息科学技术中新一代微纳信息器件的重大需求为牵引，研究 SP超衍射光刻中的关键基本物理问题，结合我国中长期科技战略发展规划中的“极大规模集成电路制造技术及成套工艺”和“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”两个重大专项对微纳制造技术的重大战略需求，重点针对 SP超分辨成像光刻技术中若干关键科学技术问题（比如衍射极限问题、分辨极限问题、感光机制问题、损耗问题、SP 超分
2、辨成像器件设计、制备技术、工艺技术等）开展系统研究，并取得原创性成果，作出系统性和创新性贡献，建立相应的研究基地和人才队伍，形成具有核心自主知识产权的 SP光刻技术平台。通过本项目研究，使我国在 SP超分辨成像光刻理论、技术和应用方面，总体达到国际先进水平，部分方面处于国际领先地位，力争形成新一代光学光刻技术路线，为采用光学方法突破 16nm、甚至 10nm以下光刻线宽节点奠定基础。1.建立 SP超衍射和超分辨成像理论和技术体系，为 16nm线宽节点以下光学光刻技术奠定理论和方法基础。2.形成 SP光刻技术平台和技术标准草案，在 SP光刻分辨力极限、SP 感光机理、损耗及能量利用率、焦深等关键
3、问题研究方面取得突破。3.培养一支该领域高水平研究人才队伍和一批学术带头人，建立 SP超分辨成像实验平台与超衍射光学光刻技术研究基地，为未来 510 年研发 16nm线宽节点以下的超分辨成像光刻器件和系统奠定理论和技术基础。 3.2五年预期目标：1.得到 SP超分辨成像理论模型，建立超衍射与衍射受限光学成像一体化设计和分析方法并构建相关软件。2.建立 SP超分辨光刻感光机理模型，并用于研究对比度、焦深、工作距等关键 SP光学光刻工艺理论和技术。3.获得两项标志性成果。 （1）在 365nm波长条件下，获得 32nm线宽分辨力SP超分辨成像器件；（2）制作特征尺寸为 32nm的光栅、NEFO 字
4、符等集成电路常用典型图形结构。4.综合考虑衍射受限成像、超衍射成像和光刻过程，获得 16nm线宽分辨力的 SP光学成像设计结果。5.发表高水平 SCI论文 100篇以上，申请发明专利 100项以上，培养研究生 65名左右。三、研究方案4.1总体思路瞄准信息产业中光学光刻领域对突破衍射极限成像光刻技术的重大需求，抓住表面等离子体光刻正处于探索性研发阶段的机遇，集成我国在光学工程、微细加工技术、微纳集成、物理、化学、材料、信息技术等方面的优势，瞄准该领域一些前沿性重大理论、核心工艺问题，进行多学科交叉合作研究，对相关核心基础科学问题进行深入系统地探索，以期获得一些具有原始创新的突破和成果，取得一批
5、自主知识产权的核心技术，培养造就一支具有国际水平的研究队伍，为我国新一代微纳光子功能材料和器件的长远发展奠定坚实的基础。按上述指导思想，根据项目的总体目标和五年目标，针对基本的关键科学问题，结合国内优势力量，在前期 973 项目超衍射机制、超分辨成像以及 SP非线性复合材料等研究基础上，以 SP 超衍射行为规律和物理机制入手，深入和系统地开展表面等离子体光学成像及光刻技术研究，解决限制 SP 光刻分辨力的物理因素、SP 与光刻介质相互作用机理、影响 SP 光刻效率的关键物理问题、超分辨成像光刻器件原理和方法以及 SP 超衍射光学光刻技术和工艺等关键科学技术问题，获得 32nm线宽分辨力 SP超
6、分辨成像器件，制作特征尺寸为32nm的光栅、NEFO 字符等集成电路常用典型图形结构两项标志性成果，并建立SP 超分辨成像应用基础研究的理论和技术平台、研究基地以及人才队伍。4.2技术路线1.在超衍射光学行为的物理本质、规律和操纵方法研究方面：（1）继续发展矢量杨顾算法，使其能适用于分析亚波长范围的超衍射电磁行为和超分辨成像理论计算，用来指导研究在 SP 场的影响下，电磁波突破衍射极限限制的原理和实现途径，并进行相关器件设计。结合光刻技术、溶胶凝胶法、以及自组装等手段，将设计的器件制作出，并利用 AFM、TEM、SEM以及微区 Raman、FTIR 、紫外-可见- 红外分光光度计等各种微结构表
7、征手段，研究纳米金属微结构的形貌、尺寸、周期性、介电参数等对超衍射行为的影响。（2）类比传统材料科学中原子、分子、晶胞、缺陷、复合材料的结构划分体系，分层次开展超衍射光学材料结构与物性之间的关系规律研究。从单元结构形式，金属点、线、环等构成的简单到复杂的结构，从电磁相互作用的规律上分门别类，总结归纳结构类型和特征，采用有限元、时域有限差分方法，结合电磁理论中电极化率、磁极化率等物理概念，研究分析结构参数线宽、间距等、材料参数、电磁波参数等对电磁响应行为（有效介电系数、磁导率、折射率、色散等）的影响，总结归纳结构类型和特征规律，为单元结构电磁振荡模型提供思路。（3）在超衍射材料结构与电磁物性之间
8、的关系模型上，主要从电偶极子、磁偶极子简单类比，远小于波长尺度下的近稳态电磁场分析，分布电容电感的等效电路分析等几个方面入手，建立电磁方程，求解分析单元结构对外界电磁场的响应模型，同时与严格矢量电磁分析对比，验证和改进模型。单元结构之间的电磁耦合对材料特性的影响模型方面，先从弱耦合，强耦合两种极端情况入手，结合微扰理论、等效介质理论描述材料的宏观电磁特性。对于一般耦合情况，则利用矢量电磁耦合波理论，结合简化的单元结构模型，联立周期边界条件、缺陷边界条件，建立简化的耦合电磁方程，数值求解分析电磁行为，并与严格计算结果对比分析。2.在紫外、深紫外频段的超衍射光学材料结构设计、制备和检测技术研究方面
9、：（1）超衍射光学材料的一般电磁特性的结构逆向设计，例如介电常数、磁导率、折射率等，首先通过结构物性的数理模型，选择初始结构形貌，结构参数，结合模拟退火、遗传算法等数值优化方法，设计电磁结构。对于额外的设计要求，例如表面阻抗特性、加工限制条件等，通过增加约束条件，结合优化算法流程设计。（2）材料色散、损耗特性是影响超衍射光学材料应用的普遍性的关键问题。首先从色散、损耗的电磁结构模型中分析关键特征参数的影响，通过对其选择性优化达到拓展带宽、减少损耗的目的。另外，综合波长远离单元结构的共振区域、利用色散匹配的复合单元结构等进一步对其优化。超衍射光学材料的损耗优化，可以根据机制和模型，减少局域电磁模
10、式中的磁流环路，减少电磁能在共振环路中的局域特性，甚至引入电磁能量补偿机制等方面入手对材料的结构重新设计优化。（3）用高分辨力的暗场显微镜研究纳米结构对光超衍射散射，用透射显微镜来验证光谱的位置与颗粒位置。利用用共焦显微光谱仪研究其表面等离子透射光谱。对近场光学扫描显微镜进行技术改造，研究不同照明条件、不同金属结构的 SP 超衍射行为特征。（4）从单层薄膜制备技术入手，包括单一组份、多种组份共存的膜层制备技术，选择合适的膜层制备方法，通过对现有原子镀膜和磁控溅射镀膜设备的电源、靶材、溅射方式、监控方式的改造，以满足薄膜厚度、成膜质量、膜层材料成分比例控制等方面的要求，攻关相关工艺技术问题。（5
11、）针对曲面膜层超衍射材料结构，发展面形可控的曲面膜层制备技术。通过改造光学光刻装置，制备精确的等效灰度掩模，首先制备相应光刻材料曲面膜层，然后传递到所需的金属或介质表面。改造膜层溅射或沉积设备，以可控剂量的薄膜沉积技术获得特定厚度分布的薄膜结构。（6）在前面的研究基础上，通过引入双靶材共溅射等技术、精密对准技术，发展复合交替膜层结构制备技术，通过对设备技术改造和优化，实现高质量交替膜层成形技术。针对纳米尺度图形的膜层填充技术、平坦化技术开展攻关研究，研究相关的膜层平坦化工艺，发展膜层厚度精确控制的平坦化停止工艺。（7）利用扫描电子显微镜（SEM） 、原子力显微镜（AFM ）等精密纳米测试手段，
12、测量超衍射材料表面形貌、均匀性、缺陷检测，以及材料横截面结构膜层致密性、膜层厚度、纳米图形层结构尺寸等。利用 X 射线散射分析方法测试材料内部膜层沙眼、空洞，也包括膜层结构错位等原子层次的缺陷。搭建特殊的光学检测系统，例如掩模缺陷光学检测系统，快速和高效的分析超衍射材料的内部缺陷。（8）利用紫外光频段多光谱椭偏仪精确测试超衍射材料单元膜层结构的光学常数，包括介电常数、吸收率、光学薄膜厚度等。针对椭偏仪在多层金属薄膜方面的测试缺陷，搭建用于超衍射材料的透射和反射模式的偏振光振幅和位相差异的测试实验系统，获得超衍射材料的宏观介电常数、吸收效率等实验测试结果。3.在超分辨成像原理、物理机制、成像特性
13、和规律研究方面:（1）采用理论分析和实验相结合的方案，从一些典型亚波长金属薄膜结构的 SP 对高频信息的传递和转换能力出发，分析将不同分量高频信息转换到自由空间的效率、信息之间相互影响。设计像方在无穷远位置，考虑位相匹配等因素，设计金属介质薄膜表面结构，实现对携带特定空间信息倏逝波的高效转换。归纳以上倏逝波信息转换和在远场恢复的基本物理特性和规律，建立超分辨成像模型。（2）根据超分辨成像器件的工作原理，设计两类器件的结构参数。为了简化分析，首先将超衍射材料简化为等效介质材料，或者具有特定电磁参数分布的材料。通过建立光波在这种等效材料中的传输行为的解析公式，分析在特定材料参数空间分布下的光波传输
14、行为的数理公式利用多重级数展开和微扰近似理论解析求解，建立成像平面上的光场分布函数，获得超分辨成像器件成像性能参数和结构参数（口径、焦距、分辨力、等效材料参数、视场大小、物距、像距）之间的解析公式。通过矢量电磁波计算方法，如时域有限元差分、严格矢量耦合波分析等，数值计算其成像面光场分布，分析超衍射材料的有限单元结构尺寸对等效材料电磁特性的影响。通过系统的计算和分析各种结构参数、材料参数对成像特性的影响，建立结构参数与成像分辨力、对比度、视场大小等成像特性之间的关系曲线。（3）基于超衍射材料中光波的传输变换规律，类比宏观光学成像物理原理，发展基于超衍射材料的超分辨成像器件工作原理，建立超衍射材料
15、、结构参数与成像性能之间的关系模型，分析超分辨成像规律，为超分辨成像器件的设计、检测提供理论基础。（4）建立系统的超衍射材料中光波汇聚的理论模型，考察理想汇聚焦点的光斑函数。结合具体成像方式，以光线和复光场函数两类分析方法，研究光波经过超分辨成像器件聚焦后的光波行为，并同焦斑分布形式建立关联，分门别类研究球差、慧差、像散等像差的产生机制。在此基础上，通过考察像差与结构参数、透镜参数的关系，建立超衍射成像器件像差的补偿理论。并根据补偿理论，设计和数值模拟分析像差补偿的超衍射成像器件。（5）在研究超分辨成像器件与传统光学元件的组合成像特性和一体化分析方法方面，首先简化分析过程，在超分辨成像器件物面
16、引入传统光学成像焦面的光场分布函数，作为该器件的输入场，严格计算分析该器件像面位置处的光场分布和成像特性。同时，将成像结果与光场照明掩模成像结果对比，考察其成像分辨力、对比度、像差等方面的差异。在此基础上，建立传统成像与超分辨成像关系的对接，为一体化成像设计提供理论指导。4.在用于超分辨成像、电磁波超衍射能量局域的器件结构设计、优化、制备和性能检测技术研究方面：（1）超分辨成像器件结构建模和计算机辅助设计基本平台。在分析和归纳超分辨成像器件的特征形貌、结构尺寸的基础上，建立针对超分辨成像器件的标准化数学表述方法和几何结构模型，从而在计算机中准确地描述器件特征。开发基于通用计算机和操作系统的计算
17、机辅助设计平台，为各种模拟分析程序提供基本运行环境。（2）光线超衍射追迹方法成像分析方法和模拟计算软件。结合超衍射行为的分析方法，并参考传统光线追迹模型，探索出一种全新的光线超衍射追迹方法。构建数值模拟计算程序，对光线在超分辨成像器件表面近场以及内部区域的传播路线进行仿真，进而分析像面的成像特性。同时利用严格的矢量电磁场理论对超分辨成像器件进行分析，并且编写高效的成像模拟软件，研究器件在矢量光作用下的成像行为。（3）针对分辨力、焦深、放大率、畸变等超分辨成像器件关键光学特性，综合模拟退火法、爬山法、遗传算法等优化算法，建立器件结构和参数的优化模型，并编写自主优化软件。结合超分辨成像理论和像差分
18、析手段，建立计算机分析方法，展开器件各种像差的数值模拟和仿真分析。（4）建立超分辨成像器件光学设计软件与传统光学设计软件的接口，在超分辨成像器件计算机辅助设计平台中提供与传统光学设计软件匹配的接口，建立相互兼容的数据格式、结构参数以及分析方法，使组合器件的整体性能可以得到精确计算和模拟，可以在两者之间进行协同设计和优化。（5）根据理论模型结合自行编制的电磁计算模拟软件，全面分析不同结构参数下，超分辨成像质量差异，总结不同参数对成像效果的影响规律，从物理角度上给出优化设计超分辨成像器件的优化方向。借鉴微光学设计理论的优化算法，如模拟退火、遗传算法等，针对选定的器件结构形式，开展数值优化求解结构参
19、数的研究。综合考虑实际金属材料参数、工作波长、探测器灵敏度等多个因素，设计用于实验系统的超分辨成像器件结构。（6）设计和搭建用于超分辨成像器件分辨力测试的近场扫描光学实验系统，利用高倍率镜头将传统星点/分辨力检验靶投影到超分辨成像器件的物面上，然后再成像到像面上，进而检测器件的星点/分辨力聚焦情况。通过高分辨图像采集设备获得星点/分辨力的光强信息和分布特性。此方法同时适用于等倍率和缩小倍率的超分辨成像器件检测。特殊设计和制作的显微式分辨力检验靶，将其置于在超分辨成像器件的像面上，采用均匀紫外光源照明，使分辨力靶成像在物面上，再通过高倍率镜头进行观察。（7）利用特殊设计和制作的接近式分辨力检验靶
20、检测超分辨成像器件的实际分辨力。将其置于在超分辨成像器件的物面上，采用均匀紫外光源照明，使透过分辨力靶的光成像在像面上。再通过高分辨图像采集设备获得分辨力图像。（8）利用特殊设计和制作的接近式星点检验靶检测超分辨成像器件的星点聚焦情况。将其放置在该器件的物面上，采用均匀紫外光源照明，使透过星点的光经过该器件成像在像面上。再通过高分辨图像采集设备获得星点的光强信息和分布特性。（9）超分辨成像器件的光学调制传递函数检验采用对刀口扩展函数进行扫描采样的方法。以精密的刀口为目标物，在物方作高精度扫描，经过平行光管物镜、高倍率镜头以及被测超分辨成像器件后，直接以 SNOM 探针作为采样狭缝，对刀口扩展函
21、数进行高精度、高分辨力的自动扫描采样，并以数字傅里叶分析法计算超分辨成像器件的光学传递函数。5.在减小 SP传输损耗、延伸 SP成像光学光刻焦深和工作距的理论和技术途径研究方面：（1）优化材料结构中的特征参数，根据 SP 超衍射传输和耦合的物理机制和模型，减少局域电磁模式中的磁流损耗环路，将电磁能量集中在非损耗区域，减少电磁能在共振环路中的局域特性。（2）引入电磁能量补偿机制，探索在 365nm 或 193nm 等光刻波长下的增益材料和技术，通过在超衍射材料中嵌入有源材料实现 SP 波能量补偿，理论和实验分析研究在该材料中的超衍射行为。（3）通过在感光层与超分辨成像器件之间建立局域共振模式，利
22、用 SP 成像光场耦合效应增加成像距离。6.在基于新现象的 SP超分辨成像机理、实现和调控方法研究方面：（1）表面等离子体亚波长高分辨光学成像及光刻过程中的焦深调控和能量损耗补偿问题。结合超分辨结构(Super-RENS) 技术，引入非线性光学效应及有源层，优化材料以及结构的设计以提高空间分辨力、局域场增强效应及激射过程，实现焦深调控和能量损耗补偿。针对光刻过程中的焦深调控，研究光刻结构复合非线性光学材料或光敏材料的非线性过程、及其对局域光场的调控、对焦距、能量集中度、形状的影响。对于光刻与成像中的能量补偿问题，发展有源层光刻及成像结构，研究有源层结构中谐振腔效应对表面等离子波的受激辐射以及高
23、频信息的放大与补偿问题；研究表面等离子光学感光非线性效应及其超高分辨光刻、分层光刻过程；研究曲面超分辨成像结构及其结构中表面等离子激元增强的非线性光刻成像。（2）建立小型化、集成化轴对称偏振光源，研究成像、光刻结构中 SP 的径向偏振光高效最优激发，及其光场的矢量性、轴对称性对局域光场的调控作用。（3）发展针对高分辨光学光刻结构的新测试手段和方法。发展如 SP 散射、荧光相关、以及局域场信标等超分辨成像技术，开展金属纳米颗粒阵列结构、亚波长金属薄膜结构以及复合结构等的特征参数、光学特性的测量。7.在超衍射光学光刻实验系统和光刻工艺研究方面：（1）以常用紫外、深紫外光刻光源为工作波长，设计和制备
24、相应的阵列化、超衍射聚焦和超分辨成像器件。建立扫描光刻和投影成像光刻两种工作模式的光学光刻实验系统；系统结构主要包括紫外均匀照明系统、基片工件台、超透镜和超衍射聚焦承载和精密调焦调平机构、辅助投影光刻物镜系统、掩模台等部分。理论和实验研究实现纳米图形光刻的技术途径、不同照明方式下的光刻分辨力、掩模结构优化和波前处理等问题。（2）光刻实验系统的关键单元技术方案主要有基于近场光学光纤探针纳米定位和距离测定技术，利用自主调焦技术，利用近场莫尔条纹技术监控纳米精度的调焦状态，通过以上技术方法，设计和构造与超衍射和超分辨成像器件相适应的工件台、精密调平调焦等单元技术，并集成到实验系统中，实现超分辨显微观测和光学光刻实验应用研究演示。（3）光刻工艺是 SP 光学光刻技术的重要组成部分。超分辨成像器件具有利用传统长波长光源实现 32nm 线宽以下光刻分辨力的理论和技术优势，同时
