Оптическая литография является основным инструментом для изготовления микро / наноструктур в микроэлектронных и оптоэлектронных приложениях, что привело к взрывному росту полупроводниковой промышленности.
За последние несколько десятилетий разрешение оптической литографии сократилось с μ1 мкм до ∼38 нм при однократной экспозиции, что сопровождалось уменьшением длины волны света с 436 до 193 нм.
Cовременные системы литографии, в основном, построены на потребностях полупроводниковой промышленности и могут не подходить для постоянно меняющихся исследований и разработок в области наноразмеров.
Плазмонные металинзы, состоящие из наноструктурированных благородных металлов, могут превзойти дифракционный предел и формировать изображения масок сверхвысокого разрешения с обычными источниками света, используя иначе игнорируемые мимолетные волны.
Благодаря взаимодействию поверхностных плазмонов (коллективные возбуждения электронов проводимости в металлах) электромагнитные моды обладают многими экзотическими свойствами. Из дисперсионного соотношения видно, что горизонтальное волновое число может быть значительно увеличено за счет уменьшения толщины нанопленки. Фактически, показатель преломления мод увеличился бы до десяти раз для толщины менее 20 нм, что привело бы к чрезвычайно малой эффективной длине волны, сравнимой с рентгеновским излучением, и позволило бы преодолеть дифракционный предел, используя оптические линзы, а не материалы для изображения. Поскольку плазмоника могла нарушать дифракционный предел, она была названа одной из вех в истории фотонов.
До настоящего времени три вида плазмонных металинз (суперлинзы, гиперлинзы и линзы с увеличенной полостью) интенсивно исследовались как упрощение идеальной линзы: суперлинза состоит из одного слоя благородного металла с четко определенными поверхностными плазмонными поляритонами (SPP), гиперлинза состоит из попеременно многослойных металлических и диэлектрических нанослоев, что позволяет связывать и фильтровать плазмонные моды высокого порядка, а металинзы с увеличенной полостью состоят из суперлинзы / гиперлинзы и металлического отражающего слоя.
Комбинируя отражающий слой и суперлинзы, линза плазмонной полости может дополнительно улучшить эффективность возбуждения SPP, уменьшить эффективную длину волны и управлять векторными свойствами (амплитудой и фазой для различных поляризаций) света.
Недавно было экспериментально продемонстрировано, что линзы плазмонной полости могут нарушать не только дальнее поле, но и дифракционный предел ближнего поля (предельное разрешение на заданном небольшом расстоянии от линзы.
На основе теоретических и технологических усовершенствований в настоящее время создана система плазмонной нанолитографии, позволяющая осуществлять литографию с полушагом менее 22 нм, что согласуется с новаторским прогнозом, данным в 2004 году и сравнимым с плазмонной литографией без маски. Также было показано, что разрешающая способность может быть уменьшена до 16 нм для решеток и до 9 нм для изолированных рисунков с помощью метода самовыравнивания с множественным рисунком, что обеспечивает жизнеспособную альтернативу традиционным дорогостоящим и сложным системам оптической литографии.
Помимо этих простых схем, более сложные структуры, такие как геометрические метаповерхности на основе наноразмерных матриц, также были продемонстрированы с использованием отражающих и полых конфигураций.
Хотя плазмонные литографические системы добились большого прогресса от научных исследований до массового производства, все еще существуют некоторые проблемы, включая разрешение, охват области и однородность.
В будущем должны быть решены следующие вопросы, с помощью которых будет обогащена наука и приложения плазмонной литографии:
1). Литография сверхвысокого разрешения - прекрасная демонстрация способности поверхностных плазмонов к пределу субдифракции; теоретически было показано, что она поддерживает разрешение, приближающееся к половине длины волны мягкого рентгеновского излучения.
Но для достижения этой цели требуется больше работы. Во-первых, необходимо учитывать влияние омических потерь, шероховатости поверхности, эффекта квантового размера и новых плазмонных материалов, таких как графен и полупроводники, на разрешение и точность изображения, чтобы оптимизировать конструкцию металинз. Во-вторых, другие методы повышения разрешения, такие как компьютерная литография, многоуровневая многократная экспозиция / шаблонирование и направленная самостоятельная сборка, могут использоваться для уменьшения характерных размеров.
2). В соответствии со стандартизацией процессов нанолитографии, фокусная глубина светового пучка должна быть больше или даже в несколько раз превышать пространственное разрешение.
Чтобы еще больше увеличить глубину фокусировки плазмонной литографии до более чем 100 нм и обеспечить изготовление на большой площади методом сшивания в полевых условиях, следует внедрять новые материалы, конструкции и процессы изготовления. Например, можно использовать диэлектрические материалы с низкими потерями и высоким индексом, внеосевое освещение, структурированное освещение и волноводные моды высокого порядка.
3). Пока что существует активный интерес к электронике и оптике на основе мягких субстратов, таких как полиимидные (PI) мембраны и полидиметилсилоксан (PDMS). Тем не менее, многие проблемы все еще имеют место быть, когда эти подложки используются для крупномасштабного и многомасштабного изготовления с диаметрами в метрах и минимальными размерами менее 100 нм.
4). Наконец, следует отметить, что потребность в нанофабрикатах, микроэлектронными и оптоэлектронными приложениями которых являются лишь частями, за последние десятилетия многократно возросла. В результате следует разработать промышленное оборудование, отвечающее индивидуальным требованиям и расширить применение методов субдифракции в более широких областях, включая нанофотонные схемы, биологический контроль и астрономические наблюдения.
Если вам было интересно – ставьте лайк и подписывайтесь на мой канал!
