实现表面等离子体结构成形的方法

摘要

本发明公开了一种实现表面等离子体结构成形的方法。步骤为：首先利用湿法腐蚀各向同性和侧向钻蚀的特点，减小掩蔽层下方微米级结构的特征线宽，同时形成一定的阴影区；然后在湿法腐蚀后的结构表面热蒸镀金属膜层，并去除掩蔽层得到线宽和周期都减小的微纳结构；在此基础上，采用模压复制以及干法刻蚀工艺将该微结构转移至另一膜层表面；重复进行上述步骤可制作出纳米级的结构。该方法可成形亚微米甚至纳米级结构；该成形方法不需要电子束、离子束以及AFM等昂贵的设备。采用传统的微米级加工设备，通过多次湿法腐蚀、重复压印即可制作各种随机的大面积微纳结构。为实用化纳米结构的制作提供了途径。

说明书

技术领域

本发明涉及一种等离子体光刻模板成形方法，具体地说是一种利用湿法腐蚀、模压复制等工艺制作表面等离子体微纳结构的方法。

背景技术

近年来，随着微纳加工技术和纳米材料的迅速发展，微纳金属结构的电磁学性质正受到越来越多的关注。光与表面微纳金属结构的相互作用产生了一系列新的奇异物理现象。例如，1998年法国科学家Ebbesen及其合作者发现通过亚波长金属孔列阵的光的异常增强现象〔1〕(Extraordinary Optical Transmission)。H.J.Lezec等人的研究进一步表明〔2〕：当光透过亚波长金属纳米孔时，其透过率不仅可以得到增强，而且光束的衍射角度非常小，传输方向不遵循通常电介质结构中的衍射规律。此外，与表面等离子体金属微纳结构有关新现象还有：光与特殊分布的金属微结构作用后，出现沿左手规则传播的特性，说明材料具有负折射率；光通过特定金属纳米孔结构后，光波出射具有极好的方向性等等。微纳金属结构表面等离子体波的研究已经形成一个新的领域。基于微纳金属结构的新型表面等离子体技术可以被广泛应用于军事、医疗、国家安全等多个领域。

微纳金属结构的成形是表面等离子体实验研究与应用的基础。实现微纳金属结构的成形对于表面等离子体实验研究及应用具有重要意义。由于表面等离子体微纳金属结构要求线宽为亚微米甚至纳米级，因此采用常规的微光刻技术已经无法实现。目前，表面等离子体微纳金属结构主要采用电子束、离子束等直写设备进行加工，但这种方法加工方法不仅需要昂贵的加工设备，而且制作的微纳结构面积很难突破200微米。其次采用自组装技术也可以制作纳米级的结构，而且结构面积也可以做大，但自组装技术只能制作点阵列，很难用于制作线阵列、环阵列以及其它非阵列的微纳结构。这给需要大面积、细线宽、任意结构的表面等离子体的实验研究以及初步应用带来了很大的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可实现大面积、任意线条的表面等离子体结构成形的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

实现表面等离子体结构成形的方法，包括以下步骤：

1)在基底表面热蒸镀沉积掩蔽膜层，在所述掩蔽膜层表面涂布光刻胶；

2)通过曝光方法图形化所述光刻胶；

3)对暴露出的掩蔽膜层进行湿法腐蚀，湿法腐蚀过程中的侧向钻蚀效应导致腐蚀后的掩蔽膜层线条宽度小于光刻胶图形线条宽度；

4)对湿法腐蚀后的结构热蒸镀掩蔽膜层，去除光刻胶，基底表面线条数目增加一倍；

5)在另一块基底表面蒸镀掩蔽膜层，采用模压复制工艺，将所述第一块基底表面上的微结构转移到第二块基底的掩蔽膜层表面；

6)采用干法刻蚀工艺将第二块基底的掩蔽膜层表面微结构下凹处的剩余复制材料去掉；

7)以复制材料结构为掩蔽层进行湿法腐蚀、侧向钻蚀；并再次蒸镀掩蔽膜层，去除掩蔽层。

重复所述步骤5到步骤7，进一步减小线条宽度和线条周期。

所述掩蔽膜层的材料为金属、硅、有机膜层或二氧化硅。

所述步骤3中，通过控制腐蚀时间来控制掩蔽膜层线条宽度的宽度。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

1.采用湿法实现微纳结构加工，因此不需要昂贵的电子束以及聚焦离子束直写设备即可制作出亚微米甚至纳米级的线条结构，微纳结构的面积可以达到几百毫米。

2.成形的微纳结构图形可以是环形、直线形以及任意曲线，图形可以是阵列排布、也可以是不规则排布。微纳结构可以是金属结构，也可以非金属结构。

3.将湿法腐蚀微纳结构与模压复制工艺、镀膜工艺以及刻蚀工艺结合，可极大降低微结构的制作成本。

4.可用于成形各种功能的表面等离子体微纳金属结构，为表面等离子体实验研究与应用提供了途径。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是实施例一中采用现有加工光刻设备制作的环形金属结构俯视图。线条宽度2微米。图中1代表基底材料K9玻璃。2代表金属Ag膜材料，3代表光刻胶膜。

图2是实施例一中采用现有加工光刻设备制作的环形金属结构过中心的剖面图。线条宽度2微米。图中1代表基底材料K9玻璃，2代表金属Ag膜材料，3代表光刻胶膜。

图3为对基底表面Ag膜进行湿法腐蚀以及侧向钻蚀后得到的微结构图形。图中1代表基底材料K9玻璃，2代表金属Ag膜材料，3代表光刻胶膜。

图4为对图3中结构进行蒸镀100nm金属Ag得到的结构；图中1代表基底材料K9玻璃，2代表金属Ag膜材料，3代表光刻胶膜。

图5为采用LIFT OFF工艺去除光刻胶后，剩余的金属Ag结构。图中1代表基底材料K9玻璃，2代表金属Ag膜材料。

图6为在另外的K9玻璃基底表面蒸镀金属AL，并采用复制工艺将图5中微结构转移至该基底表面得到的微图形；图中1代表基底材料K9玻璃，4代表金属AL膜材料，5代表用于复制的有机材料。

图7采用干法刻蚀工艺将图6中微纳结构下凹处的剩余复制材料去掉后的微纳结构。图中1代表基底材料K9玻璃，4代表金属AL膜材料，5代表用于复制的有机材料。

图8采用湿法腐蚀工艺对图7中的金属AL膜进行腐蚀和侧向钻蚀，并再次蒸镀金属AL后得到的微纳结构。图中1代表基底材料K9玻璃，4代表金属AL膜材料，5代表用于复制的有机材料。

图9是采用LIFT OFF工艺去除有机材料后，剩余的金属AL结构。图中1代表基底材料K9玻璃。4代表金属AL膜材料。

图10是实施例二中采用现有加工光刻设备制作的微米级光栅金属结构俯视图。线条宽度2微米。图中6代表基底材料SI，7代表SIO2膜材料，3代表光刻胶膜。

图11是实施例二中采用现有加工光刻设备制作的微米级光栅金属结构剖面图。线条宽度2微米。图中6代表基底材料SI，7代表SIO2膜材料，3代表光刻胶膜。

图12为对基底表面SIO2膜进行湿法腐蚀以及侧向钻蚀后得到的微结构图形。图中6代表基底材料SI，7代表SIO2膜材料，3代表光刻胶膜。

图13为对图12中结构进行蒸镀100nmSIO2膜，并采用LIFT OFF工艺去除光刻胶后得到的结构；图中6代表基底材料SI，7代表SIO2膜材料。

图14经过重复复制以及再次湿法腐蚀后得到的微纳结构。图中6代表基底材料SI，7代表SIO2膜材料。不仅微结构尺寸得到减小，同时线条周期也得到减小。

具体实施方式

实施例一是通过本发明的方法制作的口径φ＝2000μm，线条宽度亚微米级的表面等离子体环形金属结构。其制作过程如下：

1)首先选择K9玻璃1作为基底材料：K9玻璃的腐蚀速率较快，且材料价格低廉，根据需要也可以选择其他腐蚀材料作基底，例如石英、硅、锗或其他类型的玻璃；在K9玻璃表面热蒸镀沉积金属Ag膜200nm，涂布200nm光刻胶；通过曝光，得到如图1和图2所示的光刻胶图形；附图1为环形微纳结构俯视图，附图2为微纳结构过中心剖面图。

2)对暴露出的金属膜Ag层进行湿法腐蚀，湿法腐蚀过程中的侧向钻蚀效应将导致腐蚀后的金属线条宽度小于光刻胶图形线条宽度。采用20％浓度的硝酸对Ag层进行侧向腐蚀60秒，得到图3所示的线条结构。通过改变腐蚀时间可以控制所得线条的宽度。

3)对图3所示的湿法腐蚀后的结构热蒸镀金属Ag膜100nm，微纳结构如图4所示；并采用LIFT OFF工艺去除光刻胶，得到图5所示微纳结构，此时基底表面线条数目增加一倍。

4)在另外一块K9玻璃表面蒸镀金属AL膜(也可以为Ag膜)，并采用模压复制工艺，将上述微结构转移到金属AL膜表面。得到图6所示微纳结构。

5)采用干法刻蚀工艺将金属AL膜表面微纳结构下凹处的剩余复制材料去掉如图7所示。

6)以图7结构为母板，将图7所示结构复制转移到另外一片蒸镀有金属银膜的基片表面，再次重复步骤2到步骤5，得到图8所示结构。随后采用LIFT OFF去除复制材料掩蔽层，最终得到图9所示结构。

实施例二是通过本发明的方法制作亚微米级的金属光栅结构。其制作过程如下：

1)采用Si片作为基底材料，在Si片表面热蒸镀沉积SIO2膜200nm，涂布200nm光刻胶：通过曝光，得到如图10和图11所示的光刻胶图形；附图10为光栅微纳结构俯视图，附图11为微纳结构剖面图。

2)对暴露出的SIO2膜层进行湿法腐蚀，湿法腐蚀过程中的侧向钻蚀效应将导致腐蚀后的线条宽度小于光刻胶图形线条宽度。采用5％浓度的HF酸对SIO2层进行侧向腐蚀5分钟，得到图12所示的线条结构。

3)对图11所示的湿法腐蚀后的结构热蒸镀SIO2膜100nm，并采用LIFT OFF工艺去除光刻胶，得到图13所示微纳结构，此时基底表面线条数目增加一倍。

4)在另外一块K9玻璃表面蒸镀金属AL膜(也可以为Ag膜)，并采用模压复制工艺，将上述微结构转移到金属AL膜表面。

5)采用干法刻蚀工艺将金属AL膜表面微纳结构下凹处的剩余复制材料去掉。

6)多次重复步骤2到步骤5，以复制材料结构为掩蔽层进行湿法腐蚀、侧向钻蚀；并再次蒸镀金属膜层，随后采用LIFT OFF去除复制材料掩蔽层。并通过干法刻蚀工艺得到图14所示结构；