【正文】 項目名稱：表面等離子體超分辨成像光刻基礎(chǔ)研究首席科學(xué)家：羅先剛 中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所起止年限：依托部門：中國科學(xué)院二、預(yù)期目標(biāo)本項目以國家在國民經(jīng)濟(jì)和國防高科技領(lǐng)域?qū)π畔⒖茖W(xué)技術(shù)中新一代微納信息器件的重大需求為牽引，研究SP超衍射光刻中的關(guān)鍵基本物理問題，結(jié)合我國中長期科技戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃中的“極大規(guī)模集成電路制造技術(shù)及成套工藝”和“核心電子器件、高端通用芯片及基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品”兩個重大專項對微納制造技術(shù)的重大戰(zhàn)略需求，重點針對 SP超分辨成像光刻技術(shù)中若干關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題（比如衍射極限問題、分辨極限問題、感光機(jī)制問題、損耗問題、SP超分辨成像器件設(shè)計、制備技術(shù)、工藝技術(shù)等）開展系統(tǒng)研究，并取得原創(chuàng)性成果，作出系統(tǒng)性和創(chuàng)新性貢獻(xiàn)，建立相應(yīng)的研究基地和人才隊伍，形成具有核心自主知識產(chǎn)權(quán)的SP光刻技術(shù)平臺。通過本項目研究，使我國在SP超分辨成像光刻理論、技術(shù)和應(yīng)用方面，總體達(dá)到國際先進(jìn)水平，部分方面處于國際領(lǐng)先地位，力爭形成新一代光學(xué)光刻技術(shù)路線，為采用光學(xué)方法突破16nm、甚至10nm以下光刻線寬節(jié)點奠定基礎(chǔ)。，為16nm線寬節(jié)點以下光學(xué)光刻技術(shù)奠定理論和方法基礎(chǔ)。，在SP光刻分辨力極限、SP感光機(jī)理、損耗及能量利用率、焦深等關(guān)鍵問題研究方面取得突破。，建立SP超分辨成像實驗平臺與超衍射光學(xué)光刻技術(shù)研究基地，為未來5～10年研發(fā)16nm線寬節(jié)點以下的超分辨成像光刻器件和系統(tǒng)奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。 ：，建立超衍射與衍射受限光學(xué)成像一體化設(shè)計和分析方法并構(gòu)建相關(guān)軟件。，并用于研究對比度、焦深、工作距等關(guān)鍵SP光學(xué)光刻工藝?yán)碚摵图夹g(shù)。（1）在365nm波長條件下，獲得32nm線寬分辨力SP超分辨成像器件；（2）制作特征尺寸為32nm的光柵、NEFO字符等集成電路常用典型圖形結(jié)構(gòu)。、超衍射成像和光刻過程，獲得16nm線寬分辨力的SP光學(xué)成像設(shè)計結(jié)果。，申請發(fā)明專利100項以上，培養(yǎng)研究生65名左右。三、研究方案瞄準(zhǔn)信息產(chǎn)業(yè)中光學(xué)光刻領(lǐng)域?qū)ν黄蒲苌錁O限成像光刻技術(shù)的重大需求，抓住表面等離子體光刻正處于探索性研發(fā)階段的機(jī)遇，集成我國在光學(xué)工程、微細(xì)加工技術(shù)、微納集成、物理、化學(xué)、材料、信息技術(shù)等方面的優(yōu)勢，瞄準(zhǔn)該領(lǐng)域一些前沿性重大理論、核心工藝問題，進(jìn)行多學(xué)科交叉合作研究，對相關(guān)核心基礎(chǔ)科學(xué)問題進(jìn)行深入系統(tǒng)地探索，以期獲得一些具有原始創(chuàng)新的突破和成果，取得一批自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，培養(yǎng)造就一支具有國際水平的研究隊伍，為我國新一代微納光子功能材料和器件的長遠(yuǎn)發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。按上述指導(dǎo)思想，根據(jù)項目的總體目標(biāo)和五年目標(biāo)，針對基本的關(guān)鍵科學(xué)問題，結(jié)合國內(nèi)優(yōu)勢力量，在前期973項目超衍射機(jī)制、超分辨成像以及SP非線性復(fù)合材料等研究基礎(chǔ)上，以SP超衍射行為規(guī)律和物理機(jī)制入手，深入和系統(tǒng)地開展表面等離子體光學(xué)成像及光刻技術(shù)研究，解決限制SP光刻分辨力的物理因素、SP與光刻介質(zhì)相互作用機(jī)理、影響SP光刻效率的關(guān)鍵物理問題、超分辨成像光刻器件原理和方法以及SP超衍射光學(xué)光刻技術(shù)和工藝等關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題，獲得32nm線寬分辨力SP超分辨成像器件，制作特征尺寸為32nm的光柵、NEFO字符等集成電路常用典型圖形結(jié)構(gòu)兩項標(biāo)志性成果，并建立SP超分辨成像應(yīng)用基礎(chǔ)研究的理論和技術(shù)平臺、研究基地以及人才隊伍。、規(guī)律和操縱方法研究方面：（1）繼續(xù)發(fā)展矢量楊顧算法，使其能適用于分析亞波長范圍的超衍射電磁行為和超分辨成像理論計算，用來指導(dǎo)研究在SP場的影響下，電磁波突破衍射極限限制的原理和實現(xiàn)途徑，并進(jìn)行相關(guān)器件設(shè)計。結(jié)合光刻技術(shù)、溶膠－凝膠法、以及自組裝等手段，將設(shè)計的器件制作出，并利用AFM、TEM、SEM以及微區(qū)Raman、FTIR、紫外可見紅外分光光度計等各種微結(jié)構(gòu)表征手段，研究納米金屬微結(jié)構(gòu)的形貌、尺寸、周期性、介電參數(shù)等對超衍射行為的影響。（2）類比傳統(tǒng)材料科學(xué)中原子、分子、晶胞、缺陷、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)劃分體系，分層次開展超衍射光學(xué)材料結(jié)構(gòu)與物性之間的關(guān)系規(guī)律研究。從單元結(jié)構(gòu)形式，金屬點、線、環(huán)等構(gòu)成的簡單到復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，從電磁相互作用的規(guī)律上分門別類，總結(jié)歸納結(jié)構(gòu)類型和特征，采用有限元、時域有限差分方法，結(jié)合電磁理論中電極化率、磁極化率等物理概念，研究分析結(jié)構(gòu)參數(shù)線寬、間距等、材料參數(shù)、電磁波參數(shù)等對電磁響應(yīng)行為（有效介電系數(shù)、磁導(dǎo)率、折射率、色散等）的影響，總結(jié)歸納結(jié)構(gòu)類型和特征規(guī)律，為單元結(jié)構(gòu)電磁振蕩模型提供思路。（3）在超衍射材料結(jié)構(gòu)與電磁物性之間的關(guān)系模型上，主要從電偶極子、磁偶極子簡單類比，遠(yuǎn)小于波長尺度下的近穩(wěn)態(tài)電磁場分析，分布電容電感的等效電路分析等幾個方面入手，建立電磁方程，求解分析單元結(jié)構(gòu)對外界電磁場的響應(yīng)模型，同時與嚴(yán)格矢量電磁分析對比，驗證和改進(jìn)模型。單元結(jié)構(gòu)之間的電磁耦合對材料特性的影響模型方面，先從弱耦合，強(qiáng)耦合兩種極端情況入手，結(jié)合微擾理論、等效介質(zhì)理論描述材料的宏觀電磁特性。對于一般耦合情況，則利用矢量電磁耦合波理論，結(jié)合簡化的單元結(jié)構(gòu)模型，聯(lián)立周期邊界條件、缺陷邊界條件，建立簡化的耦合電磁方程，數(shù)值求解分析電磁行為，并與嚴(yán)格計算結(jié)果對比分析。、深紫外頻段的超衍射光學(xué)材料結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備和檢測技術(shù)研究方面：（1）超衍射光學(xué)材料的一般電磁特性的結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計，例如介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、折射率等，首先通過結(jié)構(gòu)物性的數(shù)理模型，選擇初始結(jié)構(gòu)形貌，結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合模擬退火、遺傳算法等數(shù)值優(yōu)化方法，設(shè)計電磁結(jié)構(gòu)。對于額外的設(shè)計要求，例如表面阻抗特性、加工限制條件等，通過增加約束條件，結(jié)合優(yōu)化算法流程設(shè)計。（2）材料色散、損耗特性是影響超衍射光學(xué)材料應(yīng)用的普遍性的關(guān)鍵問題。首先從色散、損耗的電磁結(jié)構(gòu)模型中分析關(guān)鍵特征參數(shù)的影響，通過對其選擇性優(yōu)化達(dá)到拓展帶寬、減少損耗的目的。另外，綜合波長遠(yuǎn)離單元結(jié)構(gòu)的共振區(qū)域、利用色散匹配的復(fù)合單元結(jié)構(gòu)等進(jìn)一步對其優(yōu)化。超衍射光學(xué)材料的損耗優(yōu)化，可以根據(jù)機(jī)制和模型，減少局域電磁模式中的磁流環(huán)路，減少電磁能在共振環(huán)路中的局域特性，甚至引入電磁能量補償機(jī)制等方面入手對材料的結(jié)構(gòu)重新設(shè)計優(yōu)化。（3）用高分辨力的暗場顯微鏡研究納米結(jié)構(gòu)對光超衍射散射，用透射顯微鏡來驗證光譜的位置與顆粒位置。利用用共焦顯微光譜儀研究其表面等離子透射光譜。對近場光學(xué)掃描顯微鏡進(jìn)行技術(shù)改造，研究不同照明條件、不同金屬結(jié)構(gòu)的SP超衍射行為特征。（4）從單層薄膜制備技術(shù)入手，包括單一組份、多種組份共存的膜層制備技術(shù)，選擇合適的膜層制備方法，通過對現(xiàn)有原子鍍膜和磁控濺射鍍膜設(shè)備的電源、靶材、濺射方式、監(jiān)控方式的改造，以滿足薄膜厚度、成膜質(zhì)量、膜層材料成分比例控制等方面的要求，攻關(guān)相關(guān)工藝技術(shù)問題。（5）針對曲面膜層超衍射材料結(jié)構(gòu)，發(fā)展面形可控的曲面膜層制備技術(shù)。通過改造光學(xué)光刻裝置，制備精確的等效灰度掩模，首先制備相應(yīng)光刻材料曲面膜層，然后傳遞到所需的金屬或介質(zhì)表面。改造膜層濺射或沉積設(shè)備，以可控劑量的薄膜沉積技術(shù)獲得特定厚度分布的薄膜結(jié)構(gòu)。（6）在前面的研究基礎(chǔ)上，通過引入雙靶材共濺射等技術(shù)、精密對準(zhǔn)技術(shù)，發(fā)展復(fù)合交替膜層結(jié)構(gòu)制備技術(shù)，通過對設(shè)備技術(shù)改造和優(yōu)化，實現(xiàn)高質(zhì)量交替膜層成形技術(shù)。針對納米尺度圖形的膜層填充技術(shù)、平坦化技術(shù)開展攻關(guān)研究，研究相關(guān)的膜層平坦化工藝，發(fā)展膜層厚度精確控制的平坦化停止工藝。（7）利用掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）等精密納米測試手段，測量超衍射材料表面形貌、均勻性、缺陷檢測，以及材料橫截面結(jié)構(gòu)膜層致密性、膜層厚度、納米圖形層結(jié)構(gòu)尺寸等。利用X射線散射分析方法測試材料內(nèi)部膜層沙眼、空洞，也包括膜層結(jié)構(gòu)錯位等原子層次的缺陷。搭建特殊的光學(xué)檢測系統(tǒng)，例如掩模缺陷光學(xué)檢測系統(tǒng)，快速和高效的分析超衍射材料的內(nèi)部缺陷。（8）利用紫外光頻段多光譜橢偏儀精確測試超衍射材料單元膜層結(jié)構(gòu)的光學(xué)常數(shù)，包括介電常數(shù)、吸收率、光學(xué)薄膜厚度等。針對橢偏儀在多層金屬薄膜方面的測試缺陷，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異的測試實驗系統(tǒng)，獲得超衍射材料的宏觀介電常數(shù)、吸收效率等實驗測試結(jié)果。、物理機(jī)制、成像特性和規(guī)律研究方面:（1）采用理論分析和實驗相結(jié)合的方案，從一些典型亞波長金屬薄膜結(jié)構(gòu)的SP對高頻信息的傳遞和轉(zhuǎn)換能力出發(fā)，分析將不同分量高頻信息轉(zhuǎn)換到自由空間的效率、信息之間相互影響。設(shè)計像方在無窮遠(yuǎn)位置，考慮位相匹配等因素，設(shè)計金屬介質(zhì)薄膜表面結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對攜帶特定空間信息倏逝波的高效轉(zhuǎn)換。歸納以上倏逝波信息轉(zhuǎn)換和在遠(yuǎn)場恢復(fù)的基本物理特性和規(guī)律，建立超分辨成像模型。（2）根據(jù)超分辨成像器件的工作原理，設(shè)計兩類器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)。為了簡化分析，首先將超衍射材料簡化為等效介質(zhì)材料，或者具有特定電磁參數(shù)分布的材料。通過建立光波在這種等效材料中的傳輸行為的解析公式，分析在特定材料參數(shù)空間分布下的光波傳輸行為的數(shù)理公式利用多重級數(shù)展開和微擾近似理論解析求解，建立成像平面上的光場分布函數(shù)，獲得超分辨成像器件成像性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)（口徑、焦距、分辨力、等效材料參數(shù)、視場大小、物距、像距）之間的解析公式。通過矢量電磁波計算方法，如時域有限元差分、嚴(yán)格矢量耦合波分析等，數(shù)值計算其成像面光場分布，分析超衍射材料的有限單元結(jié)構(gòu)尺寸對等效材料電磁特性的影響。通過系統(tǒng)的計算和分析各種結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料參數(shù)對成像特性的影響，建立結(jié)構(gòu)參數(shù)與成像分辨力、對比度、視場大小等成像特性之間的關(guān)系曲線。（3）基于超衍射材料中光波的傳輸變換規(guī)律，類比宏觀光學(xué)成像物理原理，發(fā)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、結(jié)構(gòu)參數(shù)與成像性能之間的關(guān)系模型，分析超分辨成像規(guī)律，為超分辨成像器件的設(shè)計、檢測提供理論基礎(chǔ)。（4）建立系統(tǒng)的超衍射材料中光波匯聚的理論模型，考察理想?yún)R聚焦點的光斑函數(shù)。結(jié)合具體成像方式，以光線和復(fù)光場函數(shù)兩類分析方法，研究光波經(jīng)過超分辨成像器件聚焦后的光波行為，并同焦斑分布形式建立關(guān)聯(lián)，分門別類研究球差、慧差、像散等像差的產(chǎn)生機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，通過考察像差與結(jié)構(gòu)參數(shù)、透鏡參數(shù)的關(guān)系，建立超衍射成像器件像差的補償理論。并根據(jù)補償理論，設(shè)計和數(shù)值模擬分析像差補償?shù)某苌涑上衿骷＃?）在研究超分辨成像器件與傳統(tǒng)光學(xué)元件的組合成像特性和一體化分析方法方面，首先簡化分析過程，在超分辨成像器件物面引入傳統(tǒng)光學(xué)成像焦面的光場分布函數(shù)，作為該器件的輸入場，嚴(yán)格計算分析該器件像面位置處的光場分布和成像特性。同時，將成像結(jié)果與光場照明掩模成像結(jié)果對比，考察其成像分辨力、對比度、像差等方面的差異。在此基礎(chǔ)上，建立傳統(tǒng)成像與超分辨成像關(guān)系的對接，為一體化成像設(shè)計提供理論指導(dǎo)。、電磁波超衍射能量局域的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化、制備和性能檢測技術(shù)研究方面：（1）超分辨成像器件結(jié)構(gòu)建模和計算機(jī)輔助設(shè)計基本平臺。在分析和歸納超分辨成像器件的特征形貌、結(jié)構(gòu)尺寸的基礎(chǔ)上，建立針對超分辨成像器件的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)學(xué)表述方法和幾何結(jié)構(gòu)模型，從而在計算機(jī)中準(zhǔn)確地描述器件特征。開發(fā)基于通用計算機(jī)和操作系統(tǒng)的計算機(jī)輔助設(shè)計平臺，為各種模擬分析程序提供基本運行環(huán)境。（2）光線超衍射追跡方法成像分析方法和模擬計算軟件。結(jié)合超衍射行為的分析方法，并參考傳統(tǒng)光線追跡模型，探索出一種全新的光線超衍射追跡方法。構(gòu)建數(shù)值模擬計算程序，對光線在超分辨成像器件表面近場以及內(nèi)部區(qū)域的傳播路線進(jìn)行仿真，進(jìn)而分析像面的成像特性。同時利用嚴(yán)格的矢量電磁場理論對超分辨成像器件進(jìn)行分析，并且編寫高效的成像模擬軟件，研究器件在矢量光作用下的成像行為。（3）針對分辨力、焦深、放大率、畸變等超分辨成像器件關(guān)鍵光學(xué)特性，綜合模擬退火法、爬山法、遺傳算法等優(yōu)化算法，建立器件結(jié)構(gòu)和參數(shù)的優(yōu)化模型，并編寫自主優(yōu)化軟件。結(jié)合超分辨成像理論和像差分析手段，建立計算機(jī)分析方法，展開器件各種像差的數(shù)值模擬和仿真分析。（4）建立超分辨成像器件光學(xué)設(shè)計軟件與傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計軟件的接口，在超分辨成像器件計算機(jī)輔助設(shè)計平臺中提供與傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計軟件匹配的接口，建立相互兼容的數(shù)據(jù)格式、結(jié)構(gòu)參數(shù)以及分析方法，使組合器件的整體性能可以得到精確計算和模擬，可以在兩者之間進(jìn)行協(xié)同設(shè)計和優(yōu)化。（5）根據(jù)理論模型結(jié)合自行編制的電磁計算模擬軟件，全面分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下，超分辨成像質(zhì)量差異，總結(jié)不同參數(shù)對成像效果的影響規(guī)律，從物理角度上給出優(yōu)化設(shè)計超分辨成像器件的優(yōu)化方向。借鑒微光學(xué)設(shè)計理論的優(yōu)化算法，如模擬退火、遺傳算法等，針對選定的器件結(jié)構(gòu)形式，開展數(shù)值優(yōu)化求解結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究。綜合考慮實際金屬材料參數(shù)、工作波長、探測器靈敏度等多個因素，設(shè)計用于實驗系統(tǒng)的超分辨成像器件結(jié)構(gòu)。（6）設(shè)計和搭建用于超分辨成像器件分辨力測試的近場掃描光學(xué)實驗系統(tǒng)，利用高倍率鏡頭將傳統(tǒng)星點/分辨力檢驗靶投影到超分辨成像器件的物面上，然后再成像到像面上，進(jìn)而檢測器件的星點/分辨力聚焦情況。通過高分辨圖像采集設(shè)備獲得星點/分辨力的光強(qiáng)信息和分布特性。此方法同時適用于等倍率和縮小倍率的超分辨成像器件檢測。特殊設(shè)計和制作的顯微式分辨力檢驗靶，將其置于在超分辨成像器件的像面上，采用均勻紫外光源照明，使分辨力靶成像在物面上，再通過高倍率鏡頭進(jìn)行觀察。（7）利用特殊設(shè)計和制作的接近式分辨力檢驗靶檢測超分辨成像器件的實際分辨力。將其置于在超分辨成像器件的物面上，采用均勻紫外光源照明，使透過分辨力靶的光成像在像面上。再通過高分辨圖像采集設(shè)備獲得分辨力圖像。（8）利用特殊設(shè)計和制作的接近式星點檢驗靶檢測超分辨成像器件的星點聚焦情況。將其放置在該器件的物面上，采用均勻紫外光源照明，使透過星點的光經(jīng)過該器件成像在像面上。再通過高分辨圖像采集設(shè)備獲得星點的光強(qiáng)信息和分布特性。（9）超分辨成像器件的光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)檢驗采用對刀口擴(kuò)展函數(shù)進(jìn)行掃描采樣的方法。以精密的刀口為目標(biāo)物，在物方作高精度掃描，經(jīng)過平行光管物鏡、高倍率鏡頭以及被測超分辨成像器件后，直接以SNOM探針作為采樣狹縫，對刀口擴(kuò)展函數(shù)進(jìn)行高精度、高分辨力的自動掃描采樣，并以數(shù)字傅里葉分析法計算超分辨成像器件的光學(xué)傳遞函數(shù)。、延伸SP成像光學(xué)光刻焦深和工作距的理論和技術(shù)途徑研究方面：（1）優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)中的特征參數(shù)，根據(jù)SP超衍射傳輸和耦合的物理機(jī)制和模型，減少局域電磁模式中的磁流損耗環(huán)路，將電磁能量集中在非損耗區(qū)域，減少電磁能在共振環(huán)路中的局