預期目標
本專案總體目標
本專案以國家在國民經濟和國防高科技領域對資訊科學技術中新一代微納資訊器件的重大需求為牽引，研究sp超衍射光刻中的關鍵基本物理問題，結合我國中長期科技戰略發展規劃中的「極大規模積體電路製造技術及成套工藝」和「核心電子器件、高階通用晶元及基礎軟體產品」兩個重大專項對微納製造技術的重大戰略需求，重點針對 sp超分辨成像光刻技術中若干關鍵科學技術問題（比如衍射極限問題、分辨極限問題、感光機制問題、損耗問題、sp超分辨成像器件設計、製備技術、工藝技術等）開展系統研究，並取得原創性成果，作出系統性和創新性貢獻，建立相應的研究基地和人才隊伍，形成具有核心自主智財權的sp光刻技術平台。通過本專案研究，使我國在sp超分辨成像光刻理論、技術和應用方面，總體達到國際先進水平，部分方面處於國際領先地位，力爭形成新一代光學光刻技術路線，為採用光學方法突破16nm、甚至10nm以下光刻線寬節點奠定基礎。
1.建立sp超衍射和超分辨成像理論和技術體系，為16nm線寬節點以下光學光刻技術奠定理論和方法基礎。
2.形成sp光刻技術平台和技術標準草案，在sp光刻分辨力極限、sp感光機理、損耗及能量利用率、焦深等關鍵問題研究方面取得突破。
3.培養一支該領域高水平研究人才隊伍和一批學術帶頭人，建立sp超分辨成像實驗平台與超衍射光學光刻技術研究基地，為未來5～10年研發16nm線寬節點以下的超分辨成像光刻器件和系統奠定理論和技術基礎。
五年預期目標：
1.得到sp超分辨成像理論模型，建立超衍射與衍射受限光學成像一體化設計和分析方法並構建相關軟體。
2.建立sp超分辨光刻感光機理模型，並用於研究對比度、焦深、工作距等關鍵sp光學光刻工藝理論和技術。
3.獲得兩項標誌性成果。（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）製作特徵尺寸為32nm的光柵、nefo字元等積體電路常用典型圖形結構。
4.綜合考慮衍射受限成像、超衍射成像和光刻過程，獲得16nm線寬分辨力的sp光學成像設計結果。
5.發表高水平sci**100篇以上，申請發明專利100項以上，培養研究生65名左右。
研究方案
總體思路
瞄準資訊產業中光學光刻領域對突破衍射極限成像光刻技術的重大需求，抓住表面等離子體光刻正處於探索性研發階段的機遇，整合我國在光學工程、微細加工技術、微納整合、物理、化學、材料、資訊科技等方面的優勢，瞄準該領域一些前沿性重大理論、核心工藝問題，進行多學科交叉合作研究，對相關核心基礎科學問題進行深入系統地探索，以期獲得一些具有原始創新的突破和成果，取得一批自主智財權的核心技術，培養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發展奠定堅實的基礎。
按上述指導思想，根據專案的總體目標和五年目標，針對基本的關鍵科學問題，結合國內優勢力量，在前期973專案超衍射機制、超分辨成像以及sp非線性複合材料等研究基礎上，以sp超衍射行為規律和物理機制入手，深入和系統地開展表面等離子體光學成像及光刻技術研究，解決限制sp光刻分辨力的物理因素、sp與光刻介質相互作用機理、影響sp光刻效率的關鍵物理問題、超分辨成像光刻器件原理和方法以及sp超衍射光學光刻技術和工藝等關鍵科學技術問題，獲得32nm線寬分辨力sp超分辨成像器件，製作特徵尺寸為32nm的光柵、nefo字元等積體電路常用典型圖形結構兩項標誌性成果，並建立sp超分辨成像應用基礎研究的理論和技術平台、研究基地以及人才隊伍。
技術路線
1.在超衍射光學行為的物理本質、規律和操縱方法研究方面：
（1）繼續發展向量楊顧演算法，使其能適用於分析亞波長範圍的超衍射電磁行為和超分辨成像理論計算，用來指導研究在sp場的影響下，電磁波突破衍射極限限制的原理和實現途徑，並進行相關器件設計。結合光刻技術、溶膠－凝膠法、以及自組裝等手段，將設計的器件製作出，並利用afm、tem、sem以及微區raman、ftir、紫外-可見-紅外分光光度計等各種微結構表徵手段，研究奈米金屬微結構的形貌、尺寸、週期性、介電引數等對超衍射行為的影響。
（2）模擬傳統材料科學中原子、分子、晶胞、缺陷、複合材料的結構劃分體系，分層次開展超衍射光學材料結構與物性之間的關係規律研究。從單元結構形式，金屬點、線、環等構成的簡單到複雜的結構，從電磁相互作用的規律上分門別類，總結歸納結構型別和特徵，採用有限元、時域有限差分方法，結合電磁理論中電極化率、磁極化率等物理概念，研究分析結構引數線寬、間距等、材料引數、電磁波引數等對電磁響應行為（有效介電係數、磁導率、折射率、色散等）的影響，總結歸納結構型別和特徵規律，為單元結構電磁振盪模型提供思路。
（3）在超衍射材料結構與電磁物性之間的關係模型上，主要從電偶極子、磁偶極子簡單模擬，遠小於波長尺度下的近穩態電磁場分析，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，求解分析單元結構對外界電磁場的響應模型，同時與嚴格向量電磁分析對比，驗證和改進模型。單元結構之間的電磁耦合對材料特性的影響模型方面，先從弱耦合，強耦合兩種極端情況入手，結合微擾理論、等效介質理論描述材料的巨集觀電磁特性。對於一般耦合情況，則利用向量電磁耦合波理論，結合簡化的單元結構模型，聯立週期邊界條件、缺陷邊界條件，建立簡化的耦合電磁方程，數值求解分析電磁行為，並與嚴格計算結果對比分析。
2.在紫外、深紫外頻段的超衍射光學材料結構設計、製備和檢測技術研究方面：
（1）超衍射光學材料的一般電磁特性的結構逆向設計，例如介電常數、磁導率、折射率等，首先通過結構物性的數理模型，選擇初始結構形貌，結構引數，結合模擬退火、遺傳演算法等數值優化方法，設計電磁結構。對於額外的設計要求，例如表面阻抗特性、加工限制條件等，通過增加約束條件，結合優化演算法流程設計。
（2）材料色散、損耗特性是影響超衍射光學材料應用的普遍性的關鍵問題。首先從色散、損耗的電磁結構模型中分析關鍵特徵引數的影響，通過對其選擇性優化達到拓展頻寬、減少損耗的目的。另外，綜合波長遠離單元結構的共振區域、利用色散匹配的復合單元結構等進一步對其優化。
超衍射光學材料的損耗優化，可以根據機制和模型，減少局域電磁模式中的磁流環路，減少電磁能在共振環路中的局域特性，甚至引入電磁能量補償機制等方面入手對材料的結構重新設計優化。
（3）用高分辨力的暗場顯微鏡研究奈米結構對光超衍射散射，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。對近場光學掃瞄顯微鏡進行技術改造，研究不同照明條件、不同金屬結構的sp超衍射行為特徵。
（4）從單層薄膜製備技術入手，包括單一組份、多種組份共存的膜層製備技術，選擇合適的膜層製備方法，通過對現有原子鍍膜和磁控濺射鍍膜裝置的電源、靶材、濺射方式、監控方式的改造，以滿足薄膜厚度、成膜質量、膜層材料成分比例控制等方面的要求，攻關相關工藝技術問題。
（5）針對曲**層超衍射材料結構，發展面形可控的曲**層製備技術。通過改造光學光刻裝置，製備精確的等效灰度掩模，首先製備相應光刻材料曲**層，然後傳遞到所需的金屬或介質表面。改造膜層濺射或沉積裝置，以可控劑量的薄膜沉積技術獲得特定厚度分布的薄膜結構。
（6）在前面的研究基礎上，通過引入雙靶材共濺射等技術、精密對準技術，發展復合交替膜層結構製備技術，通過對裝置技術改造和優化，實現高質量交替膜層成形技術。針對奈米尺度圖形的膜層填充技術、平坦化技術開展攻關研究，研究相關的膜層平坦化工藝，發展膜層厚度精確控制的平坦化停止工藝。
（7）利用掃瞄電子顯微鏡（sem）、原子力顯微鏡（afm）等精密奈米測試手段，測量超衍射材料表面形貌、均勻性、缺陷檢測，以及材料橫截面結構膜層緻密性、膜層厚度、奈米圖形層結構尺寸等。利用x射線散射分析方法測試材料內部膜層沙眼、空洞，也包括膜層結構錯位等原子層次的缺陷。搭建特殊的光學檢測系統，例如掩模缺陷光學檢測系統，快速和高效的分析超衍射材料的內部缺陷。
（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構的光學常數，包括介電常數、吸收率、光學薄膜厚度等。針對橢偏儀在多層金屬薄膜方面的測試缺陷，搭建用於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，獲得超衍射材料的巨集觀介電常數、吸收效率等實驗測試結果。
3.在超分辨成像原理、物理機制、成像特性和規律研究方面:
（1）採用理論分析和實驗相結合的方案，從一些典型亞波長金屬薄膜結構的sp對高頻資訊的傳遞和轉換能力出發，分析將不同分量高頻資訊轉換到自由空間的效率、資訊之間相互影響。設計像方在無窮遠位置，考慮位相匹配等因素，設計金屬介質薄膜表面結構，實現對攜帶特定空間資訊倏逝波的高效轉換。歸納以上倏逝波資訊轉換和在遠場恢復的基本物理特性和規律，建立超分辨成像模型。
（2）根據超分辨成像器件的工作原理，設計兩類器件的結構引數。為了簡化分析，首先將超衍射材料簡化為等效介質材料，或者具有特定電磁引數分布的材料。通過建立光波在這種等效材料中的傳輸行為的解析公式，分析在特定材料引數空間分布下的光波傳輸行為的數理公式利用多重級數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式，獲得超分辨成像器件成像效能引數和結構引數（口徑、焦距、分辨力、等效材料引數、視場大小、物距、像距）之間的解析公式。
通過向量電磁波計算方法，如時域有限元差分、嚴格向量耦合波分析等，數值計算其成像面光場分布，分析超衍射材料的有限單元結構尺寸對等效材料電磁特性的影響。通過系統的計算和分析各種結構引數、材料引數對成像特性的影響，建立結構引數與成像分辨力、對比度、視場大小等成像特性之間的關係曲線。
（3）基於超衍射材料中光波的傳輸變換規律，模擬巨集觀光學成像物理原理，發展基於超衍射材料的超分辨成像器件工作原理，建立超衍射材料、結構引數與成像效能之間的關係模型，分析超分辨成像規律，為超分辨成像器件的設計、檢測提供理論基礎。
（4）建立系統的超衍射材料中光波匯聚的理論模型，考察理想匯聚焦點的光斑函式。結合具體成像方式，以光線和復光場函式兩類分析方法，研究光波經過超分辨成像器件聚焦後的光波行為，併同焦斑分布形式建立關聯，分門別類研究球差、慧差、像散等像差的產生機制。在此基礎上，通過考察像差與結構引數、透鏡引數的關係，建立超衍射成像器件像差的補償理論。
並根據補償理論，設計和數值模擬分析像差補償的超衍射成像器件。
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