光刻技术一直以来作为集成电路领域的一个关键技术,有着十分重要的作用。光刻技术的分辨力决定了整个集成电路芯片工艺的最小尺寸。表面等离子体（surface plasmonic,SP）光刻能够利用金属-介质表面的SP共振,耦合倏逝波参与成像,从而突破衍射极限,成为一种有效的超分辨光刻技术受到了广泛关注。但是倏逝波在传播方向上呈指数衰减,使得光刻工作距离极短且光刻胶（PR）中的图案深度很浅。负折射超材料是一种折射率为负的新型人工电磁材料,可以放大倏逝波而获得亚波长聚焦,且通过调整超材料的厚度可以改变焦点的位置。通过交替金属和介质层组成的表面等离子体波导超材料可以在高频下实现负折射率,本文基于表面等离子体耦合增强倏逝波和负折射率超材料的亚波长成像特性,通过表面等离子体波导负折射超材料来提高光刻工作距离和增加曝光图形的焦深,具有重要的科研意义和实用价值。本论文主要是利用SP共振耦合,增强倏逝波、负折射超材料放大倏逝波和负折射亚波长成像的性质,通过仿真和实验的方法来研究金属-介质多层薄膜负折射超材料对于提高焦深和拓宽光刻工作距离的影响,对负折射率材料在光刻技术中的应用做了一定的启发研究工作。主要内容可分为三个部分:针对SP直写光刻中倏逝波传播过程中呈指数衰减造成的光束展宽以及光刻胶中焦深过短的问题。本文采用径向偏振光（相对于同心光栅结构是TM偏振光）通过金属-介质圆环产生无衍射倏逝波贝塞尔光束,使光束在传播过程基本横向形状保持不变。并利用金属/介质多层膜介电常数接近零的双曲色散负折射超材料选择高空间频率（1.62 k0）模式,可以高效传输突破衍射极限的图形信息,结合金属-光刻胶-金属的波导模式实现长焦深的超分辨光刻器件。模拟结果表明,在波长为405 nm的径向偏振光入射下,所设计的器件在PR层可以产生聚焦深度超过400 nm（1.0λ0）的突破衍射极限的针状光束,光束半高全宽在传播过程中仅从80 nm（0.2λ0）变宽到94 nm（0.23λ0）。该设计在制造各种深宽比的纳米结构方面显示出一定优势。针对表面等离子体光刻的工作距离非常短,在大面积扫描时,会出现探针损伤、针尖磨损以及光刻胶划伤等问题。本文基于SP反对称模式将金属-介质-金属（MDM）表面等离子体波导的二维负折射率超材料性质推广到三维,相比于对称模式实现的三维负折射,反对称模式有效地降低了金属膜层的厚度。通过调整金属-介质多层膜的厚度来提高工作距离和增加曝光图形的深度,且仅一次曝光就成功实现大面积无旁瓣的光刻图案。仿真和实验结果表明:在波长为365 nm的TM偏振光入射下,实现空气工作距离为100 nm,焦深为160 nm的大面积光刻。针对倏逝波在自由空间呈指数衰减,光场图形分辨力随之降低的问题,引入金属-介质-光刻胶-金属的共振腔模式增强光刻胶光场中的倏逝波成分。结合粒子群优化算法,允许金属-介质层的厚度不同,而引入额外的自由度,以进一步提高光场的分辨力,提出基于共振腔增强的负折射超材料纳米光刻器件。仿真结果显示,365 nm的TM偏振光入射下,空气工作距离为100 nm,孤立线条的半高全宽为118 nm,大面积密集线条的半周期为110 nm。而当填充介质为水时,孤立线条的半高全宽为100 nm,大面积密集线条的半周期为90 nm。相对于无底层反射银的波导模式和周期性膜层,图形的分辨力获得一定的提升。