随着微电子行业的急速发展，集成电路的特征尺寸不断缩小，对光刻分辨力的要求越来越高。传统投影光刻受光学系统衍射极限影响，分辨力只有半个波长左右。主要原因是携带亚波长信息的倏逝波，沿传播方向强度指数衰减，没有参与成像。接近式表面等离子体(SP)透镜实现增强倏逝波，克服衍射极限，获得超分辨成像。但是，接近式SP透镜光刻分辨力仍然受限于曝光波长以及工作距(物与成像记录结构之间距离)，称为近场衍射极限。分辨力越高的SP光刻，工作距越短，因此在深亚波长分辨力的接近式SP透镜光刻实验中，物与成像记录结构通常需要物理接触。

本文通过调制SP透镜物图形衍射的频谱分布，结合操控像平面处电场分量，实现倏逝波在成像过程中放大增强，从而突破近场衍射极限，拓展接近式SP光刻工作距，提高成像分辨力。基于这一方法，开展了接近式SP透镜分辨力增强的原理理论研究，构建了SP透镜超分辨成像数理模型，基于模型和数值计算结果分析成像规律，设计SP透镜光刻结构，并且进行光刻实验验证。主要研究成果如下：

1、提出了浸没式离轴照明SP透镜的方法。通过浸没式离轴照明大幅度地平移物图形衍射的频谱，结合SP共振腔透镜调制像平面处电场极化分量，从而增强成像信息中的倏逝波，实现了SP透镜成像空间拓展以及分辨力增强。提出了浸没式离轴照明Hyperlens的接近式SP透镜缩小成像方法，获得了深亚波长分辨力的SP光刻图形。建立了离轴照明SP透镜的成像数理模型，并通过全模仿真进行验证。

2、设计了棱镜浸没离轴照明(kx,inc=1.5k0) SP共振腔透镜的成像结构，通过光刻实验获得了60nm分辨力光刻图形，工作距拓展到120nm，是传统近场光刻工作距的8倍。进一步利用在掩模出射面刻画浅沟槽的方法，将离散图形准周期化，实验上显著抑制了离轴照明下离散线条边缘图形畸变，提高了离轴照明的SP成像光刻图形兼容性。

3、利用金属/介质多层膜结构空间频谱滤波特性，设计了双曲色散超材料浸没离轴照明光束(kx,inc=2.51k0)的照明源结构。结合SP共振腔透镜，实现32nm分辨力光刻图形，工作距拓展到60nm，是正入射Superlens光刻结构的6倍。实验上，通过SP干涉倍频方法证明了双曲色散超材料的频谱滤波特性，得到半周期36nm的干涉条纹。进一步的光刻实验获得分辨力32nm、空气工作距40nm的光刻胶记录图形。

4、提出了双曲色散超材料激发亚波长分辨力的近场无衍射Bessel-SP聚焦光束方法，设计了近场Bessel-SP聚焦透镜。利用双曲色散超材料传输高频SP模式，聚焦透镜选择性地耦合出倏逝波，在径向极化照明下，实现了传播距离80nm范围内，近场Bessel-SP聚焦光束半高全宽保持62nm。相比于开孔金属透镜，分辨力提高了3.2倍。将SP共振腔透镜作为成像记录结构，调控光刻胶区域电场分量，光刻实验证明了40nm工作距下，圆极化照明近场Bessel-SP聚焦透镜，焦斑半高全宽68nm，曝光胶深30nm。