采用时域有限差分方法(FDTD)对探针诱导表面等离子体共振耦合纳米光刻(PSPRN)技术中探针的引入对表面等离子体共振(SPR)产生的影响进行了模拟分析，以获得最佳的光刻实验条件。结果表明，高斯光束聚焦光斑越小，SPR场增强效应也越小。接触模式下，针尖曲率半径为10 nm的硅(Si)，35 nm，100 nm的金(Au)探针，分别使SPR共振角变化了0，0.8°和1°。且对于Au探针，针尖曲率半径大的，针尖处的局域场增强效应要小。分析表明，采用针尖曲率半径为10 nm的Si或35 nm的Au探针，在合适的SPR膜层上通过调整光入射角度，很有可能实现50 nm的光刻记录点。

通过理论计算获得了全反射时分层介质中p偏振光的透射系数计算公式, 并采用时域有限差分(FDTD)方法进行了验证。计算所获得的公式与传统的采用分层介质的特性矩阵法计算获得的相似, 不同之处在于当发生全反射时, 公式多了一个全反射修正因子。此外, 采用FDTD模拟的两层介质的全反射结构及表面等离子体共振(SPR)膜系结构的结果与修正后的公式符合得很好。该修正公式是对分层介质中电磁波传播的完善, 是对一些有影响力的文献关于场增强因子的修正, 它对SPR及倏逝场的研究具有参考价值。

Kretschmann型激发表面等离子体共振(SPR)膜系结构是探针诱导表面等离子体共振耦合纳米光刻技术(PSPRN)的关键部分之一。采用多层介质的特性矩阵法计算膜系结构的透射系数和反射率,对PSPRN所需的单膜层、双膜层及三膜层膜系结构进行了优化设计。计算结果表明,光波波长为514.5 nm时,对于选定材料的最佳膜系结构是Ag膜厚度为46 nm的单膜层结构,Ag膜厚度为24 nm,AgOx厚度为95 nm的双膜层结构及Ag膜厚度为44 nm,SiO2厚度为180 nm,AgOx厚度为10 nm的三膜层结构,提出了记录层材料应选择折射系数小且吸收系数尽可能小的光刻材料的观点。

Field enhancement effect of metal probe in evanescent field, induced by using a multi-layers structure for exciting surface plasmon resonance (SPR), is analyzed numerically by utilizing two-dimensional (2D) TM-wave finite difference time-domain (FDTD) method. In this letter, we used a fundamental mode Gaussian beam to induce evanescent field, and calculated the electric intensity. The results show that compared with the nonmetal probe, the metal probe has a larger field enhancement effect, and its scattering wave induced by field enhancement has a bigger decay coefficient. The field enhancement effect should conclude that the metal probe has an important application in nanolithography.

提出了一种在原子力显微镜(AFM)基础上设计的探针诱导表面等离子体共振纳米光刻(PSPRN)系统。此系统不但实现了探针的精确控制,而且由于系统本身具有AFM的全部功能,因此可以实时检测样品表面的形貌以及光刻效果。系统采用改进的Kretschmann型共振耦合器件,在棱镜和样品基板之间注入匹配折射率油,使样品更方便更换;利用声光调制器与AFM配合实现了等离子体激发光照射时间的精确控制。通过初步实验,在银(Ag)膜表面获得了直径100 nm左右的光刻点,验证了PSPRN的可行性。研究了光照时间、激光功率、激光入射角、材料厚度等因素对光刻点大小、深度的影响,为实现更小的光刻点提供了参考。