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0431-81702023
光學工程
突破光學衍射極限,發展納米光學和光子學

摘要 信息技術已經進入納米時代,納米光學和光子學正是為滿足快速和高密度信息技術的需求而產生、發展的。先進的納米光學和光子學器件應該是高速、高分辨率和高集成的,形成各類光學和光子學芯片和盤片。由于器件最小特征尺寸和加工分辨率受限于光的衍射極限,現有技術已接近實用化技術的理論極限并且成本很高,只有突破光學衍射極限才能進一步發展納米光學和光子學。在光的遠場和近場應用超分辨率技術,是當前重要的前沿課題,它們的應用主要集中于信息技術領域,具有代表性的是納米信息存儲和光刻中的光學超分辨率技術等。

關鍵詞 納米光學;納米光子學;超分辨率;光信息存儲;光刻

1 引 言

      21世紀是多媒體信息時代,大容量、高密度和快速是其顯著特征。信息量已經以太位計(1Tb=1012bit),信息數據密度和信息數據流速度分別達到 Tb/cm2 和 Tb/s 的 量 級。 當 前,微 電 子 學(microelectronics)已突破 Moore定律,進入納米電子學(nanoelectronics)時代,大規模集成電路的分辨率和制造工藝已精確到納米尺度(90,65,45 和32nm)。光子的傳播速度(1012 cm/s)比電子傳播速度(109cm/s)快得多,納米光學和光子學的發展可以滿足這種快速和高密度信息技術的需求。先進的納米光學和納米光子學器件應該是快速、高分辨率和高集成的,形成包括生物芯片、通信芯片、傳感芯片和存儲芯片等在內的各類光學和光子學芯片和盤片。由于器件最小特征尺寸和加工分辨率受限于光的衍射極限,現有技術已接近實用化技術的理論極限并且成本過高,只有突破光學衍射極限才能進一步發展納米光學和光子學。在光的遠場和近場應用超分辨率技術,是當前重要的前沿課題,它們的應用主要集中于信息技術領域[1]。本文將介紹應用于納米信息存儲和光刻的光學超分辨技術。

2 光學衍射極限與突破衍射極限的途徑

2.1 光學衍射極限

      光學衍射極限是指一個理想光點經過光學系統成像,由于瑞利衍射的限制,不可能得到理想像點,而是一個夫瑯禾費衍射點。這個衍射點的大小 犇與光波波長λ 成正比、與所用物鏡的數值孔徑(NA)成反比。相應地,可以定義光學衍射造成的成像分辨率極限。盡管突破衍射極限和超分辨率的涵義并不完全等同,但常常把突破衍射極限的技術統稱為超分辨技術。常規光學系統的衍射極限一般為λ/2,為了縮小光點就需要使用更短的波長和采用更大的數值孔徑。例如,分辨率為100nm 的光刻系統一般需要波長短于200nm 的光源,要達到50nm 的分辨率,不僅需要紫外光源,而且數值孔徑要大于1.5(如浸沒式光刻技術)。短波長激光器和大數值孔徑透鏡都已經接近目前技術所能達到的極限并且成本很高,例如,一臺深紫外浸沒式光刻機的價格達0.2~0.3 億美元,所以傳統技術路線已經面臨著巨大的挑戰。

2.2 突破衍射極限的途徑

      獲得小于衍射極限的有效光斑或刻錄點都可以認為是突破了光學衍射極限,主要可以通過遠場波前調制、近場聚焦和材料響應三個途徑來實現。

      遠場波前調制,主要通過對入射光束的相位、幅度、偏振和相干性等進行調制,獲得小于衍射極限的聚焦光斑。光瞳濾波器是常用的遠場超分辨元件,采用光瞳遮擋或相位調制技術使衍射光斑的能量分布改變,減小中心零級光斑的尺寸,從而達到提高系統分辨率的效果[2]。高數值孔徑下由于去偏振效應,線偏振入射光經透鏡聚焦后在焦點處還會出現另外兩個方向的偏振分量,使得焦點在沿入射光偏振方向上形成拉伸的橢圓光斑,且更大的光斑壓縮率會引起旁瓣升高與光能損失,這限制了其在光存儲和光刻等領域的應用,需要使用電子學和光學濾波器等匹配降低旁瓣噪聲。在高數值孔徑透鏡聚焦下,徑向偏振光可以聚焦到突破衍射極限的0.4λ尺寸,這比線偏振光和圓偏振光聚焦的最小尺寸要小,在光學加工和光存儲等領域展現了廣闊的應用前景[3]。徑向偏振光在介質中聚焦會導致縱向電場矢量強度的銳減和橫向分量的大幅提高,在應用中需要對矢量光束和介質進行優化匹配。

      光通過普通的光學系統無法聚焦到小于λ/2的一點,但可設法用一小孔來獲得這樣的光斑,只要這一小孔的孔徑足夠小。雖然光通過小孔會迅速衍射到各個方向,但在非常靠近小孔的近場區域,光束的束徑將等于小孔的尺寸,而與波長無關。如果樣品表面被置于這一近場區域內,并利用該近場光點對樣品表面進行二維掃描,則可以實現超分辨刻錄和讀出[4]。基于該思路的傳統近場超分辨途徑包括近場掃描探針(NSOM)、固體浸沒透鏡(SIL)和微小孔徑激光器(VSAL)等。近年來出現了基于人工超常介質和功能結構,如微結構的金屬薄膜,產生表面等離子體與光束調制的近場聚焦方案,是亞波長光學的突破性進展[5]。

       利用功能材料來實現超分辨率和利用特殊光學元件(功能結構)來縮小光斑、提高系統分辨率,最終的分辨能力是由功能材料本身的物理化學特性決定的,典型的例子包括基于材料非線性響應(如雙光子吸收和飽和 反飽和吸收等)的超分辨率、基于閾值相變效應的超分辨率和基于表面等離子體效應的超分辨率等。近年來,超分辨功能材料和技術發展迅速,成為具有高實用性的、實現光學超分辨率的最重要的技術途徑之一。事實上,利用材料特性來獲得超分辨效果在信息存儲領域已經獲得了長期、廣泛的關注,利用磁致超分辨效應的高密度磁光盤在多年前已獲得實用。利用材料特性實現超分辨率光存儲,最早可追溯到1990年 Bouwhuis等[6]的理論工作。計算表明,聚焦激光通過非線性光學特性材料(掩模)后,在近場區域可得到更加銳利的光斑,可望將之應用于光盤超分辨讀取。1992年,SONY 公司利用相變材料在只讀式光盤中成功實現了掩模超分辨率,線密度提高兩倍以上[7]。此后,出現了基于多層薄膜結構的近場超分辨光存儲方法[8],在利用非線性掩模層減小有效光斑的同時,通過一層很薄的介質層(厚度小于λ/10)來控制近場,巧妙地解決了常規近場高速掃描中飛行高度的控制問題。基于超分辨功能材料薄膜的超分辨率方案目前已經成為國際公認的最具實用性的下一代大容量光盤存儲的重要技術方案之一,通過拓展可望在超分辨納米光學制造、光學成像等領域中獲得應用。

      單一地從遠場、近場或材料著手,大幅度提高分辨率是非常困難的,因此必須從一個全新的角度去看待這個問題。通過兩種或以上超分辨技術的組合,在激光與材料相互作用中實現超分辨率是一個重要的突破途徑。近年來在納米光刻領域引起重點關 注 的 雙 光 束 刻 錄 技 術[9~11],與 受 激 輻 射 損 耗(STED)顯微鏡的原理相似[12],是利用了刻錄材料的飽和非 線 性 以 及 遠 場 相 位 的 調 制 而 實 現,具 有 λ/20線寬的光刻能力,但其大幅度提高刻錄分辨率的代價是光能量損耗加大。在實際應用中,綜合利用遠場和近場超分辨技術,進一步融合材料的超分辨效應來大幅度提高光刻錄或光存儲的分辨率,有望在實現高于50nm 分辨率的同時保持較高的光能利用效率。

3 光學超分辨技術在納米信息存儲和光刻中的應用

      當前,每年所產生的信息量以指數方式上升,其速度高于存儲器件總容量的增長速度,如何存儲越來越多的信息是一個重大課題。信息存儲以其所使用的驅動能不同可分為光存儲、磁存儲和電存儲三類,分別側重于不同的應用領域。隨著對存儲密度和容量提升需求的日益迫切,三類存儲器對光學超分辨技術都有不同程度的需求。

       在磁存儲技術中,由于超順磁效應,難以獲得納米尺度的穩定磁疇。為了突破這一限制,近年來發展了垂直磁記錄、激光輔助磁記錄和圖案化磁記錄等技術。超高密度磁存儲用的磁頭和圖案化存儲介質對加工工藝提出了更高要求,達到納米精度,需要采用超分辨率的光刻技術。激光輔助磁記錄技術中縮小激光光斑的尺寸對獲得更高存儲密度和降低串擾起著重要作用,超分辨光學技術和磁頭技術的集成,特別是在近場高速飛行的條件下,是實現光磁混合記錄一個極具挑戰性的課題。

      電存儲器件大多是基于 CMOS半導體工藝而制成的,存儲密度取決于最小記錄單元的尺寸,光刻分辨率是主要限制因素,發展分辨率增強和光學超分辨技術顯得至關重要。光盤是目前最主要的光存儲器件。各種光盤的讀寫裝置(驅動器)中,物鏡和盤片之間的距離遠大于激光波長,應視為遠場存儲,其信息點的大小與光波波長成正比、與所用物鏡的數值孔徑成反比。因此,要提高存儲密度和存儲容量,主要通過縮短激光波長和增大物鏡的數值孔徑來實現。從光存儲技術的發展歷程看,第一代 CD 系 統(波 長780nm,數值 孔 徑 0.45)、第 二 代 DVD 系 統 (波 長650nm,數值孔徑0.6)到最新的第三代 BD系統(波長405nm,數值孔徑0.85),5inch(1inch=2.54cm)盤的單面存儲容量從 CD的650 MB(最小記錄點尺寸830nm,存 儲 密 度 約 為 0.4Gb/inch2)、DVD 的4.7GB(最 小 記 錄 點 尺 寸 400nm,存 儲 密 度 約 為2.5Gb/inch2),上升到BD的25GB(最小記錄點尺寸149nm,存儲密度約為14Gb/inch2)。然而,由于光學衍射極限效應的制約,傳統的光存儲已接近其存儲密度的極限。開發更短波長的半導體激光器和更大數值孔徑的光學頭物鏡也會遇到很大的技術難題,同時也會給光盤盤基、存儲材料和光學信號檢測等帶來諸多難以克服的問題。所以傳統技術路線正面臨著巨大的挑戰。分辨率要達到納米級別,需要探索突破光學衍射極限發展超分辨納米光信息存儲的新技術。

       與光盤存儲技術類似,光刻技術也主要以縮短激光波長和增大數值孔徑為主要手段來實現高分辨率,目前主要采用紫外光源和浸沒式物鏡,下一步可能會采用極紫外甚至軟X射線光源來實現22nm節點以下的光刻。事實上,采用光學超分辨技術,即使采用可見光甚至紅外波段的激光,采用非浸沒式光學系統也可以實現納米尺度的激光刻錄。通過探索超分辨光學超精密加工新原理、新方法、新材料和新工藝,可望利用可見光光源(波長為400~800nm)和數值孔徑 NA 小于1的半導體激光刻寫裝置,實現高速(米每秒級)、大面積(大于8inch)的納米結構(最小特征尺寸為30~50nm)加工,為超高精度光學制造技術提供新的思路。

3.1 超分辨相位板

       Francia[13]首次提出了光瞳超分辨技術,建立了相關超分辨光瞳濾波器的理論基礎。在光存儲應用領域,Yamanaka等[14]最早提出利用狹縫光闌壓縮主斑,濾掉旁瓣而應用于光盤超分辨記錄和讀出。相位型超分辨光闌是在獲得同樣超分辨效果的情況下,能獲得 Strehl比(超分辨衍射斑中心峰值強度與未加超分辨光闌時中心峰值強度的比值)最高的一種技術,適于光存儲應用。在高密度光存儲系統中,為了提高存儲密度,通常在高密度光存儲系統中采用高數值孔徑物鏡和短波長的激光光源,這使焦深減 小,增 加 了 伺 服 系 統 的 跟 蹤 難 度。 Wang等[15,16]采用光強均勻分布照明光源和基于近軸近似的標量衍射理論研究相位型超分辨光闌的焦深調節功 能,指 出 三 區 域 純 相 位 板 法 可 以 加 大 焦 深。Gao等[17,18]在此基礎上利用矢量衍射理論系統研究了在高數值孔徑情況下同軸分區相位板對光學焦點軸向光強分布的影響。選擇適當的幾何尺寸可以使焦深提高約3倍。在幾何尺寸一定的情況下,通過控制高斯光束的束腰可以使焦深提高約4倍。

       干福熹曾經在2004年于上海召開的國際音、視電子高層論壇和同年于武漢召開的國際光電子高層論壇上向工業界提出采用超分辨技術路線、開發我國自有知識產權的高清光存儲技術(NVD)的建議,該系統可以利用成熟的紅光系統達到藍光光盤技術所實現的高清存儲。要達到紅光高清的目標,可以通過在光學頭中加入超分辨光闌來實現。超分辨光闌易于大規模制造,成本低廉,且無需對原有光頭系統做太多修改,是非常具有應用前景的技術途徑之一。周常河等[19]針對該應用設計、制作了光盤讀取頭用超分辨相位板,艾里斑和超分辨衍射斑點的光強與半徑的變化曲線如圖1所示。該課題組在 NA為0.65的超分辨光存儲讀取系統中對商用 DVD光盤進行了動態讀取測試,在光束與 DVD 光盤相對移動時,超分辨光斑僅有細微的變化,光盤凹坑邊界對光斑主瓣的影響很小。

      超分辨相位板還可以應用于軸對稱偏振光(如徑向偏振光)系統,通過對入射光瞳進行調制,進一步提高徑向偏振光大數值孔徑聚焦時的超分辨性能[20]。通過對光場的相位和偏振態的綜合調制,可以對聚焦點進行三維調制,實現三維超分辨納米光刻或光存儲。

3.2 表面等離子體光刻和光存儲

      當改變金屬表面的微觀結構時,表面等離子體激 元(SPP)的性質將產生重大的變化。通過調節和改變微結構的材料或其結構特性,能夠實現對光傳播的操控。1998年 Ebbesen等[21]報道了光通過金屬薄膜上單孔徑或者大小為亞波長尺寸的洞陣列結構的金屬板時的透射增強現象,認為是 SPP的激發導致了增強的倏逝場。隨后,表面等離子體光學功能結構開始在超分辨光刻、成像和存儲等領域廣受關注。Tominaga等[22]發現,利用激光誘導分解產生的金屬納米顆粒的表面等離子體增強效應可以實現超分辨光存儲中的信號增強。Luo等[23]提出了表面等離子體共振干涉納米光刻技術,該技術利用具有短波特性的 SPP 的干涉效應產生超精細光場進行超分辨光柵條紋刻寫。Zhang等[24]利用 Ag薄膜制作了光學超透鏡,可得到分辨率達到照明光波長1/6的清晰像,此后還發展了基于飛行掃描光學頭的等離子體納米光刻技術[25]。Wei等[26]報道了基于 Ag表面等離子體超透鏡效應的只讀式超分辨光盤技術,如圖2所示。

      

3.3 非線性超分辨光存儲和光刻

        基于光學非線性效應的超分辨材料如硫系玻璃薄膜主要利用非線性材料的非線性折射或吸收特性來減小聚焦光斑、實現亞衍射極限的分辨率。利用硫系玻璃薄膜的三階非線性效應可以獲得亞衍射極限的聚焦光斑。Song等[27]利用近場掃描顯微鏡直接觀測到了透過 As2S3 玻璃(厚度1.7μm)后光斑的 壓 縮,實 驗 光 學 系 統 的 衍 射 極 限 半 峰 全 寬(FWHM)為3.45μm,而獲得的聚焦斑最小尺寸可達0.3μm。非線性效應形成的梯度折射率分布和自聚焦可能是其主要原因。利用硫系玻璃的非線性吸收特性也可以獲得超分辨光斑。Nagase等[28]發現利用 CdSSe摻雜玻璃的飽和吸收特性,可以將透過光斑的 FWHM 壓縮25%以上。通過材料優化(如超細納米粒子工藝)可望進一步提高壓縮效率。Wei等[29]發現硫系相變材料 AgInSbTe具有典型的反飽和吸收性質,載流子吸收導致等效多光子吸收可能是其非線性機制。利用近場光斑掃描觀察到了透過 AgInSbTe薄膜后近場光斑的限幅效應,且透過光斑的頂端被抑制和平滑,數值模擬證實這一過程是來源于 AgInSbTe的反飽和吸收特性。利用AgInSbTe的非線性吸收特性和閾值相變特性,可以實現約λ/10分辨率的光刻[30],圖3為 AgInSbTe薄膜上非線性能量吸收斑和原始光斑的對比(數值模擬),可以縮小到原來的2/5。此外,由于硫系玻璃的光學非線性效應可以被超快激光脈沖誘導產生,所以響應時間只有幾百飛秒[31]。除了硫系玻璃材料,利用多光子吸收和聚合材料也可實現非線性超分辨光刻,飛秒激光雙光子聚合三維微細加工技術成為近期的研究熱點之一[32]。基于光學非線性效應的超分辨材料在超快和超高密度光刻和光存儲方面具有廣闊的應用前景。

     

3.4 相變光刻

       相變材料在聚焦激光作用下能發生快速結構轉變,且結構變化的界面厚度能夠控制在原子尺度。這也意味著相比傳統的有機大分子光刻膠材料,在相變材料上進行納米刻蝕所獲得的結構速率更快、表面輪廓更加清晰,非常適合于超分辨納米光記錄(光刻)。相變除了指固、液、氣三相之間的轉變還包括不同晶相間的轉變(如晶態 非晶態轉變)。某些材料發生相變具有明顯的閾值,通過控制誘導相變的臨界條件可以實現閾值相變。利用閾值相變獲得超分辨效果的典型例子是熱虹蝕掩模效應[33]。在光盤動態讀出過程中,由于作用時間更長,光斑后部的溫度要高于光斑前部的溫度,當光斑后部的溫度達到掩模層的熔點時,處于光斑后部的掩模從固態變為液態,由于相變材料層的融化態(液態)反射率要遠低于其晶態(固態)的反射率,因此從光斑后部處反射回來的光的強度大大降低,相當于光斑后部被掩蓋,從而減小了光斑的有效尺寸,可以讀出更小的記錄點。研究表明,這種“熱虹蝕”相變可以由超快激光脈沖來誘導,且轉變時間快(在納秒量級)、具有較 好 的 反 復 循 環 性[34]。 除 了 固 液 相 轉 變,Tominaga等[35]提出了基于固態相變的超分辨機制,利用相變薄膜在第二轉變(如 GeSbTe 從 NaCl型面心立方轉變為六方晶體結構)中的光學對比度差異可以實現固態“開孔”。除了激光直寫(或曝光)獲得超分辨效果,利用晶態和非晶態區域對某些腐蝕劑和刻蝕氣體的化學響應,可以進一步縮小相變刻錄點的尺寸。硫系介質作為光刻介質應用于微加工,最早在1976年由 Nagai等[36]提出,目前已成為超高密度母盤刻錄中的核心技術[37]。研究表明,通過控制相變條件(包括激光條件和后續腐蝕工藝等),可以獲得比相變區域更小的凸起或凹坑型浮雕結構[38],這是一

     種優良的無機光刻材料。圖4為通過刻蝕劑優化后在 GeSbTe相變介質表面上獲得的光柵結構,在該刻蝕劑中,10min后,晶態和非晶態刻蝕選擇比可達20倍以上,刻蝕后表面粗糙度小于2nm[39]。

3.5 雙光束光刻

       利用材料在兩束不同激光誘導下的激發和抑制效應,可以實現超分辨刻錄[9~11]。一束波長800nm的飛秒激光用來誘導聚合物的交聯反應,同時使用另一束同波長的連續光抑制這一反應過程,最終疊加的效果是形成一個遠小于單光束焦斑的聚焦點,實現多光子吸收聚合刻錄。其橫向和縱向的分辨率都十分理想,沿光軸方向的分辨率小于40nm,即達到λ/20縱向分辨率[9]。該研究中,激光 束 的 整 形(環形)采用簡單的二元光學元件相位板實現,通過優化設計就可以在各個維度上實現超分辨率。通過材料改進,甚至可以使光刻分辨能力在各個維度上達到10nm左右。

      不利用多光子吸收效應也可以實現雙光束超分辨激光直寫。Scott課題組[10]發展了基于光聚合物的單光子吸收增強 抑制雙光束超分辨激光刻錄技術,可獲得橫向64nm 的線寬。相對于雙光子吸收光刻過程而言,單光子吸收效應曝光反應速度快,適合高速、大面積納米器件的制作。

       除了光聚合物,采用光致變色介質也可以實現雙光束納米光刻,這種材料具有兩種同質異構的分子結構,在紫外和可見光的照射下能夠進行相互的轉換。可見光采用傳統的高斯光束,而紫外光采用相位板進行光束整形形成環形光束,當兩種波長的激光以干涉的方式照射在光致變色膜上,只在環形紫外光的內部節點位置形成一個透明窗口,可見光可以有效地通過這個窗口并對底層的光敏材料進行曝光。一般情況下,曝光窗口的尺寸與紫外光和可見光能量的比值成反比關系,在合適的光強比值下,可以實現接近λ/10的刻寫能力,如圖5所示[11]。

3.6 近場 遠場相結合的超分辨技術

       利用材料這個媒介將遠場光束調制技術和近場超分辨技術結合起來是一個新的超分辨概念[40],不僅增加了一個自由度去控制超分辨聚焦光斑,而且建立了新的像差校正技術。通過遠場自適應光學元件相位與偏振綜合控制和近場表面等離子體效應的結合可以有效減小系統像差,尤其是非線性像差。近場和遠場相結合的超分辨方法主要從兩個步驟控制聚焦光斑:1)在入射光束通過高數值孔徑的鏡頭進入非線性介質進行刻寫之前,采用自適應光學元件將入射的線性偏振光轉換為徑向偏振光,然后通過相位和振幅波帶片對照明光束的偏振態和相位同時進行調制;2)在記錄介質的表面鍍制表面等離子體功能薄膜(如 Ag膜),調制照明光入射之后,就會激發表面等離子體波,從而在焦平面產生去偏振化的效應。如圖6(a)所示,焦平面位置附近入射光側向分量的場分布存在很強的旁瓣,縱向偏振分量則具有很強的中心斑,如圖6(b)所示。焦平面位置附近的 Ag膜相當于一個表面等離子濾波器,能夠透射縱向偏振分量而反射絕大部分的側向偏振分量,因此在通過濾波器之后,徑向偏振光的側向旁瓣得到了有效的抑制,從而得到一個超衍射極限的聚焦斑,如圖6(c)所示。如果對遠場技術的波帶片和近場超分辨薄膜做進一步的優化,可以進一步地減小聚焦光斑。通過從遠場和近場兩方面去設計超分辨光學器件,可以達到最佳的效果。

4 結論和展望

        光子學器件與光學器件的主要區別在于:光學器件主要工作于弱電磁場,利用其線性的、自發的和非相干輻射特性;而光子學器件主要工作于強電磁場,利用其非線性、受激的和相干輻射特性。隨著器件特征尺度減小,其光子學特征將更加明顯。

       只有突破光學衍射極限才能進一步發展納米光學和光子學。在光的遠場和近場應用超分辨率技術,是當前重要的光學前沿課題,但它們的應用主要集中于信息技術領域,如應用于納米信息存儲和光刻的光學超分辨技術等。超分辨技術在光學和光子學器件中的應用可以提高其集成度和速度。

      在信息技術領域中應用的超分辨技術應該具有較強的實用性,利用簡單的系統和工藝來實現高分辨率和高效率是極具挑戰性的。單一地從遠場、近場或材料著手是非常困難的,通過各種超分辨技術的有機結合,在激光與材料相互作用中實現超分辨率是一個重要的突破途徑。圖7為一種近場 遠場相結合實現超分辨納米光存儲的技術方案示意圖。

     相關科研人員應從突破衍射極限的光學行為和機制入手,解決超分辨物理、材料及其器件中的基本科學問題,并在此基礎上探索超分辨集成關鍵技術應用,為我國的納米光學和光子學材料及器件技術的發展做出前瞻性、基礎性的貢獻。


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