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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：（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）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，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、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，同时在很大程度上保障了光刻材料、光刻工艺与传统光刻技术兼容。但是在一些光刻工艺技术细节方面，需要结合超分辨成像器件的实际光刻模式和特性，针对配套的掩模设计和制备技术、光学光刻材料处理工艺、图形传递等方面技术调整，或者发展针对性的辅助光刻工艺，最终建立满足光刻分辨力和图形质量要求的SP光学光刻工艺。4.3同国内外同类研究比较的创新点和特色1. 本项目提出的SP超分辨成像光学光刻，突破了衍射极限，采用长波长光源达到了传统光学光刻技术无法获得的光刻分辨力。本项目将获得32nm线宽分辨力的SP超分辨成像器件及其实验验证，得到16nm线宽节点的超分辨成像设计结果，为未来16nm、甚至10nm以下线宽的光学光刻技术奠定了理论和方法基础，同时也为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”两个重大专项提供前沿制造技术基础。2. 项目提出建立衍射受限与超衍射光学成像统一的理论和技术体系，可以实现超分辨成像器件与传统光学成像系统一体化的设计、分析和评价，不仅丰富和完备了传统光学成像理论知识体系，而且具有技术兼容性和继承性，对于超分辨成像光学光刻具有重要意义。目前SP超分辨成像理论和技术研究都集中在提高分辨力方面，对于系统描述成像特性的理论知识，例如像差、焦深、畸变等影响成像质量和光刻图形质量的关键问题，尚未见研究报道。本项目将系统地、全面地开展SP超分辨成像特性研究，并建立衍射受限与超衍射成像统一的理论和技术体系，从而为SP超分辨成像技术的应用并与传统光学成像技术的对接奠定理论和技术基础。针对SP成像光刻技术中的具体关键科学技术问题，本项目提出了创新性的研究思路和解决途径。例如，提出平面缩小SP光学光刻成像器件，采用缩放倍率的SP光学光刻成像器件能够有效地解决掩模制备工艺中特征尺寸为32nm结构图形的关键技术难点，其平面特性能够更好地与传统光学光刻工艺相兼容，为衍射受限光学光刻系统的集成奠定了理论和技术基础。目前，SP超分辨成像技术绝大部分是等倍率缩放，或在曲面结构上实现缩小倍率成像（如Hyperlens等），对实际应用带来巨大困难。本项目提出平面结构的缩小SP光学光刻成像器件，将很好地解决这一难题。此外，针对SP超分辨成像工作距短和焦深浅等关键技术难题，提出表面等离子体波前工程理论和技术的研究思路，建立SP超分辨成像光刻技术的“波前工程”理论技术体系，同时结合SP耦合匹配膜层结构思想，拓展SP超分辨成像的工作距和焦深，解决SP光学光刻应用方面的重大技术困难，进一步促进SP光学光刻技术向实用化方向发展。目前，这方面的研究尚未见报道。4.4课题设置本项目课题的设置分为基础性和应用基础性两个层次。各个课题都紧密围绕项目总体目标和关键科学问题开展研究，或者从SP成像光刻分辨力、光刻介质、光刻质量、光刻效率、光刻器件、光刻工艺等不同侧面，或者选择不同的理论体系，围绕SP超分辨成像光刻研究的重大科技问题开展协同研究，彼此既有关联又有各自主攻的科研目标。第一课题研究SP光刻极限分辨力的理论问题以及提高SP分辨力极限的物理机制，是SP光刻分辨力研究的理论基石。第二课题研究SP与光刻介质相互作用机理，建立SP与光刻介质作用的数理模型，并分析光刻材料对光刻分辨力的影响特性。该课题是研究SP光刻工艺的理论基础。第三课题针对影响SP光刻效率的关键物理问题展开研究，包括有效减少SP损耗的物理和技术途径，以及调控SP材料介电常数、损耗等特性的物理机制和途径，为低损耗的SP超分辨成像器件的研究提供材料基础。 第四课题研究波前工程技术、SP超衍射光学光刻工艺技术等提高SP光刻图形质量的原理和方法，是最终形成制作高深宽比、面形误差小、高质量光刻图形的理论和实验基石。第五课题研究SP超衍射材料、超分辨SP成像器件的物理原理和实现方法，为新一代光学光刻技术奠定重要理论和技术基础。课题之间的相互关系如下图所示：图4-1 项目课题及主要承担单位之间的关系示意图课题1、限制SP光刻分辨力的物理因素和解决途径预期目标：经过五年的努力，本课题预期达到的目标为：1.建立系统描述SP超衍射光刻的物理模型，得到SP成像分辨力、视场、焦深受限的物理因素并给出理论解决途径，研究影响SP成像和光刻分辨力极限的物理因素，探索其理论分辨力极限。2.建立一套完整的SP超衍射、超分辨成像理论仿真和优化设计平台。提供描述436nm、365nm、248nm或193nm波长入射光波前分布、偏振状态、膜层厚度、平整度、均匀度等因素对成像分辨力影响的数值模拟软件和详细说明，给出能够实现波前调控提高SP光刻的波前调制器件或预畸变器件的设计软件，给出实现SP光刻长焦深器件设计软件和详细说明。 3.提供一种拓展SP成像焦深（>100nm32nm线宽）的有效方法，并为项目总体提供一套焦深检测系统方案并进行实验验证。4.发表论文3545篇，申请专利10项。培养研究生1015名。研究内容本课题以SP超分辨光学成像光刻为主要目标，集中力量进行SP超分辨成像过程中的物理问题的研究，主要内容有：（1）建立理论仿真和优化设计平台。建立基于SP光学的超分辨成像模型，系统地描述SP超衍射成像光刻的物理过程，发展并完善SP超衍射成像的数值计算方法和理论模型，研究SP体与电磁瞬逝波相互作用机理及其传播、耦合特性， 研究限制SP超衍射成像性能的因素，对SP超衍射成像光刻分辨力的理论极限进行预测和分析。针对SP超衍射成像的机理，在436nm、365nm、248nm或193nm波长光源条件下，提出提高缩放倍率，焦深和工作距离的方法途径，为高分辨力，长焦深和长工作距离的SP超衍射光刻器件的设计提供理论指导。在365nm波长光源条件下建立优化设计平台，实现对波前调控器件的设计。建立传统光刻技术与SP光刻技术的衔接， 探索利用传统光学的波前调控和预畸变技术提高SP光刻质量的方法途径。（2）研究各种因素对SP成像性能的影响。利用内容（1）建立的理论模型和数值计算平台系统研究各种因素对SP成像性能的影响。研究入射光的波长、波前分布、偏振特性、相干特性等对光刻质量的影响，为SP光刻照明选择提供依据；研究成像掩模质量，如图形深度、边缘形貌、图形质量等对SP光刻质量的影响，为制定SP掩模设计和工艺标准提供依据。研究膜层厚度、重复周期、平整度、均匀度等因素对成像质量的影响，为SP超分辨成像器件的设计制作提供指导。探索对SP成像波长、振幅、位相、传输方向、偏振态、态密度等参数的操控理论和方法，为结合光刻胶工艺进一步提高SP光刻质量提供前提。（3）探索进一步提高SP成像质量的理论机理和技术途径。在前面工作的基础上，同课题4，5 结合，研究提高SP光刻质量的理论机制和技术途径。研究SP超衍射成像的图像质量，建立相应的表征体系，研究SP成像像差表征、描述、产生的原因和相应的克服方法。研究提高SP成像分辨力，扩大视场以及焦深的切实可行的解决方法，利用杨顾算法等优化设计方法设计基于SP成像的长焦深成像器件、相移器件等亚波长光学器件，用于改善SP成像质量。进行二维、三维阵列化SP成像、聚焦光刻功能器件的性能分析和优化设计。（4）扩展SP成像焦深的器件设计、制作和实验表征。利用SP成像原理模型，在365nm波长光源条件下通过在传统光刻输入端或SP成像时对相位进行调制，扩展成像焦深，改进工作距离。同其他课题合作，通过波前调制，控制SP成像的特性，实现长焦深成像。研发一种焦深检测的系统方案并实验验证。经费比例：11%承担单位：首都师范大学课题负责人：张岩学术骨干：刘娟、周云松、刘树田、董碧珍课题2、SP与光刻介质相互作用的机理研究预期目标：本课题针对表面等离子体超分辨成像光刻中SP光场与光刻介质相互作用，研究在365nm波长光源条件下SP与光刻介质相互作用过程中电磁能量转换机制，分析光刻介质性能参数与光刻分辨力和图形质量之间的关系，建立SP光刻过程的物理描述和分析方法；基于光学非线性等效应，发展新型SP光刻介质，提高SP光刻的分辨力和灵敏度。1.获得SP与光刻介质相互作用过程中电磁能量转换机制，以及光刻介质性能参数与光刻分辨力和图形质量之间的关系。建立SP与光刻介质相互作用过程的物理描述和分析方法。2.基于光学非线性等效应，发展出提高SP光刻分辨力和灵敏度的新型SP光刻介质，为32nm线宽节点以下SP光刻技术提供物理和技术支撑。给出32nm线宽光刻介质和超分辨力光刻方法的研究结果，提供完整详细可重复的工艺技术报告。3.发表论文35-50篇，申请专利6-10项。培养研究生10-15名。通过项目设置，引进吸引人才，培养一支高水平的表面等离子体超分辨成像光刻基础研究的人才和技术队伍。研究内容：1.SP光刻过程中的电磁能量转换机制。研究在365nm波长光源条件下SP激发的过程和场分布特点；研究光刻掩模高频分量与SP的耦合、转化以及SP与光刻介质间电磁能量耦合和转换过程；分析光刻结构中SP的场分布特点与光刻效率、图形质量的关系；研究掩模版结构参数、膜层结构特点，以及光刻介质的特性对SP光刻过程中电磁能量利用和转换的影响。2.光刻介质的性能参数、表面平整度与SP光刻图形质量的关系。研究并分析在365nm波长光源条件下SP光场聚焦特点、光刻介质性能参数、膜层参数、材料匹配以及金属固有吸收损耗等对分辨力和图形质量的影响；进行SP光刻中相干效应以及改善SP光刻线条对比度、陡度、边缘粗糙度的方法研究。3.SP光刻过程的物理描述和分析方法。开展基于耦合理论描述光刻过程中高频信息的传递、光学远场信息到近场变换的研究；基于微扰理论分析光刻结构特征参数对分辨力和图形质量的影响，给出SP光刻微观和宏观过程的物理描述。发展用于描述SP光刻工艺过程的数值仿真方法，建立相应的非线性时域和频域有限差分法、严格耦合波（RCWA）等计算分析工具。4.在365nm波长光源条件下，研究光学非线性等效应对SP光刻及介质性能的影响。引入矢量光场、非线性光学效应，研究径向偏振光高效最优SP激发过程及特性对成像光刻空间分辨力及局域场增强效应的影响。研究非线性等效应对SP光刻介质中局域光场分布，以及焦距、能量集中度、形状的调控。5.在365nm波长光源条件下新型SP光刻介质的探索研究。探索金属纳米团簇的加入对SP光刻介质分辨力、灵敏度焦深等性能的改进。研究金属纳米团簇的种类、尺寸、浓度、形状等参数及引入方式对SP光刻介质性能的调控。研究金属纳米团簇与感光颗粒的微观结构、分布形态对光刻灵敏度的影响。经费比例：11%承担单位：中国科学技术大学、中国科学院物理研究所、中国科学院光电技术研究所课题负责人：明海学术骨干：王沛、周岳亮、王灿、鲁拥华、潘丽课题3、影响SP光刻效率的关键物理问题预期目标：1.获得SP传输、耦合过程中电磁能量损耗的物理规律，得到有效减少SP损耗的物理机制和技术途径，建立损耗影响SP光刻效率的分析方法和提高途径,深入研究调控SP材料介电常数、损耗、色散行为的物理机制和技术途径。2.研制工作波长为365nm或193nm的掺杂Ag、Au、Al材料膜层，给出介电常数的测试结果（介电常数实部调制范围：3-10) ，提供完整详细可重复的工艺技术报告。3.提出增益补偿的SP传输、耦合多层金属介质薄膜结构，明确该结构样品的工艺制备方法以及其中SP传输和耦合损耗特性的测试分析方法，获得指导性结果。 4.研制薄膜结构，在20 - 300nm的SP横向传输波长范围内（工作波长365nm和193nm），论证SP传输与耦合损耗小于0. 2dB / mm的可行性，同时研究可重复的多层金属、介质膜层制备工艺和条件，提供完整详细可重复的工艺技术报告代替 “20mm薄膜的制备”的目标。5.发表论文2540篇，申请专利10项以上。培养研究生1015名。研究内容：本课题的5年主要研究内容如下：1.SP耦合、传输衰减的物理机制和规律在已有的先期工作基础上，深入开展SP模式特性、传输损耗特性和各种SP模式之间耦合特性的基础理论研究，明确其与SP传输、耦合结构参量的相关性，为相关器件的设计提供理论依据。2.SP在增益材料中的传输和增益行为规律在研究SP传输、耦合物理机制和规律的基础上，针对SP传输损耗大的瓶颈问题，开展SP在增益材料中的传输规律的研究，探索利用半导体增益材料补偿SP传输损耗。3.增益补偿方式的低损耗SP耦合、传输结构设计和优化在研究内容1和2的基础上，针对实现增益补偿的低损耗的传输、耦合，设计SP传输、耦合、分束等功能结构，并针对提高SP光刻效率的应用要求，优化设计结构参量。4.低损耗SP传输、耦合结构、材料的制备技术在理论研究的基础上，为有效提高SP纳米光刻效率，开展制备低损耗SP传输、耦合结构、材料的研究工作。5.SP传输、耦合行为的损耗测试和分析技术在制备低损耗SP传输、耦合结构的基础上，对SP在各种微纳结构中的传输、耦合现象进行测试，测试SP模式的模场和损耗特性，并进一步实验分析造成SP损耗的机理。6.调控SP行为特性的机制和途径在理论研究SP传输、耦合与结构参量关系的基础上，探索调控SP模式特性（包括波长、色散、能量分布、耦合等）的物理机理，研究金属/介质纳米结构中利用热光效应、电光效应实现SP调控的有效途径。7.掺杂SP材料制备技术和SP行为性能测试围绕低损耗SP的传输、耦合，研究金属和介质混合形成的金属陶瓷材料的制备技术，并利用该材料介电常数可调的特点，设计、制备SP传输、耦合结构，并对金属陶瓷材料中SP的传输、耦合、色散特性进行测试。经费比例：10%承担单位：清华大学、西南交通大学、中国科学院光电技术研究所课题负责人：黄翊东学术骨干：刘仿、闫连山、范崇澄、邢卉课题4、提高SP光刻图形质量的原理和验证方法研究预期目标：1.在超分辨成像的物理机制和成像分辨力极限问题的研究基础上，研究实现高深宽比、陡直度好的高质量SP光刻图形的原理和方法，为课题五SP超分辨成像光刻技术实验验证奠定理论基础，并提供可靠的工艺技术支持。2.高质量SP光刻图形：特征尺寸32nm、深宽比2：13.发表论文20篇以上，申请发明专利35项，培养研究生1015名。研究内容：本课题在课题一针对SP超分辨物理极限问题的研究上，主要开展邻近效应校正技术、离轴照明技术等波前工程技术相对应的SP光刻理论模型研究。同时，研究实现纳米量级尺度上微结构图形的原理和技术方法，最终形成制作高深宽比、面形误差小、高质量光刻图形的SP超衍射光学光刻工艺技术，搭建综合性实验平台，对提高SP光刻图形质量的波前工程技术、光刻辅助增强工艺等各种技术途径进行分析和验证，为课题五提供技术支持。主要研究内容：1.SP超分辨光刻配套光刻工艺和方法研究研究基于SP超分辨光刻的配套光刻工艺和方法，研究用于提高SP光刻质量的掩模设计和制备技术、光学光刻材料处理工艺、图形传递工艺等关键辅助工艺。2.提高SP超分辨光刻质量的新方法和新机理研究针对SP成像光刻技术特点，研究提高SP光刻图形质量的新机理和新方法，探索入射光偏振特性、幅相特性等光学特性对焦深、视场等光刻图形质量因素的影响。3.研究波前照明技术对SP超分辨光刻质量提高的影响研究掩模邻近效应优化设计和制备、相移掩模设计和制备、离轴照明以及偏振光照明等波前照明技术对SP成像光刻质量的影响，研究光刻掩模图形设计优化方法及仿真模型方式、照明偏振特性优化方法及仿真模型及其选择依据。4.提高SP光刻质量技术的实验平台研究分别搭建针对提高SP光刻图形质量的波前工程技术、光刻辅助增强技术的实验检测平台，研究各实验检测方法和分析评价标准。经费比例：32%承担单位：中国科学院光电技术研究所、四川大学、中国科技大学课题负责人：姚汉民学术骨干：王长涛、苏显渝、刘尧、张斗国、赖之安课题5、超分辨成像光刻器件原理和方法研究预期目标：1.阐明超分辨SP成像器件物理原理，获得成像特性和规律，解决与超分辨成像分辨力相关的关键物理问题，获得提高成像极限分辨力的物理实现方法。建立超分辨成像器件与传统成像系统一体化设计和分析方法，实现器件结构制备，搭建SP超分辨成像光刻实验装置和获得验证性实验结果，为新一代光学光刻技术奠定重要理论和技术基础。2.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。3.在365nm波长条件下，获得32nm线宽分辨力SP超分辨成像器件，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。4.发表论文2030篇，申请专利35项。培养研究生1015名。研究内容：本课题在前期SP超衍射、超分辨成像方面的研究基础上，展开超衍射材料、超分辨SP成像的物理原理、特性和规律研究，解决与超分辨成像分辨力相关的关键物理问题，探索提高成像极限分辨力的物理实现方法。研究与传统成像系统的一体化设计和分析方法，并设计和制备超分辨成像光刻器件，搭建相关光刻实验装置进行实际性能的实验验证。主要研究内容：1. SP超分辨成像物理机制以及成像特性和规律在SP超分辨成像物理机制方面主要研究内容包括：倏逝波以SP波形式作用时在超分辨成像过程中的传输模式和成像机理；超衍射材料用于成像的理论和设计途径，成像结构的设计原则；系统描述SP超分辨成像光学特性的相关数理模型和计算方法。在SP超分辨成像特性和规律方面主要研究内容包括：超分辨成像的缩放倍率、物距、像距、焦深、视场、对比度、光学传递函数等性能参数之间的理论关系；超分辨成像器件结构和材料参数与成像特性的数理关系模型；超分辨成像的像质分析方法、精细像差理论模型和像差补偿技术；超分辨成像模式下的球差、慧差、色差、畸变、场曲等像差的分析和评判规则；像差与成像器件结构、光学系统缺陷之间的物理关系，以及像差对SP光刻分辨力的影响和关系模型；有效提高SP光刻分辨力、延伸SP成像工作距和焦深的理论和技术途径。2. 超