一种基于负折射率透镜的亚波长连续面形微结构制备方法

摘要

一种基于负折射率透镜的亚波长连续面形微结构制备方法：(1)对目标结构进行量化分解，并制作图形特征尺寸为纳米量级的半色调光刻掩模；(2)在基片表面涂覆光刻胶，然后在光刻剂的基片表面涂覆间隔层，再在间隔层表面蒸镀厚度10nm－120nm左右的金属层；(3)在金属层表面涂覆间隙层，将制备的半色调光刻掩膜紧密的压制于间隙层表面；(4)将入射光垂直照射半色调掩模表面，实现对光刻胶的曝光；(5)曝光完成后，去掉间隙层和金属层，并对光刻胶进行显影，即可获得需要的连续面形结构。本发明实现了亚波长尺度的连续面形结构的制备，可广泛应用于基于表面等离子体的各种新型功能器件的制备。

说明书

技术领域

本发明属于微纳结构加工技术领域，具体地说是一种基于负折射率透镜的亚波长连续面形微结构制备方法。

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(Extraordinary Optical Transmission)。H.J.Lezec等人的研究进一步表明：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。

尺度远大于波长的连续面形结构可广泛应用于光计算、光通讯以及各种微光机电系统中。这类器件采用传统的半色调灰度掩模技术即可实现很好的成形。而结构尺寸与波长相当、甚至小于波长的连续面形结构也可以广泛的应用于基于表面等离子体的各种新型功能器件之中。这类器件的成形由于受到光场衍射行为的影响很难采用传统的技术实现成形。为了突破亚波长连续面形微纳结构的制备技术，本发明提出了基于负折射率透镜的亚波长连续面形微结构成形技术。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：针对现有连续面形微结构制备技术的加工范围很难拓展到亚波长尺度的问题，提供一种基于负折射率透镜的亚波长连续面形微结构制备方法，该方法实现了亚波长连续面形结构成形。

本发明的技术方案：一种基于负折射率透镜的亚波长连续面形微结构制备技术，其特点在于包括以下步骤：

(1)对目标结构面形进行量化分解，并制作图形特征尺寸为纳米量级的半色调光刻掩模；

(2)在基片表面涂覆光刻胶，然后在光刻剂的基片表面涂覆间隔层，再在间隔层表面蒸镀厚度10nm-120nm左右的金属层；

(3)在金属层表面涂覆间隙层，将制备的半色调光刻掩膜紧密的压制于间隙层表面；

(4)将入射光垂直照射半色调掩模表面，实现对光刻胶的曝光；

(5)曝光完成后，去掉间隙层和金属层，并对光刻胶进行显影，即可获得需要的连续面形结构。

所述步骤(1)中采用传统的半色调灰度掩膜量化方法对目标结构进行量化分解。

所述步骤(1)中采用电子束直写系统制作图形特征尺寸为纳米量级的半色调光刻掩模。

所述步骤(1)中光刻胶的厚度从几十纳米～几个微米。

所述步骤(2)中间隔层厚度为20nm～200nm，间隔层的材料为PMMA。

所述步骤(2)中的间隔层和步骤(3)中的间隙层为有机材料，如：PDMS、PMMA以及光刻胶等或无机材料，如：石英膜层，玻璃膜层等。

所述步骤(2)中的金属层材质为折射率近似为负值的金、或银。

所述步骤(3)中的间隙层涂覆于金属层表面，或涂覆于半色调掩模表面。

所述步骤(3)中间隙层的厚度为20nm～300nm，间隙层的材料PMMA等折射率匹配介质。

所述步骤(2)和步骤(3)中，通过调节间隙层和间隔层的厚度可对光通过金属层后的频谱进行调节。

所述步骤(4)中曝光时间从几秒级～几分钟级。

本发明与现有技术相比具有的有益效果为：现有的可用于连续面形结构制备的主要技术包括：移动掩模技术、掩模移动滤波技术、灰度掩膜技术、半色调掩模技术等，现有技术只能制作特征尺寸远大于光波波长的结构，对于特征尺寸与光波长接近，甚至远小于波长的结构由于光场衍射效应的存在是根本无法实现的；而本发明通过调节光刻胶层、负折射率结构透镜(金属膜层类似于负折射率透镜)以及半色调掩模的参数以及三者之间的相互间距(通过调节间隙层和间隔层的厚度进行间距调节)对负折射率透镜的频谱进行调节，从而实现对入射到半色调掩模表面的光场进行滤波，最后实现亚波长尺度的连续面形结构的制备。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明的一种实施例要制作的光栅目标，图中1表示石英；

图3为采用现有电子束直写技术制作的半色调灰度掩膜，图中黑色区域表示不透光，白色区域表示透光；

图4为将电子束直写技术制备的半色调光刻掩膜紧密的压制于间隙层表面后形成的结构，图中1表示石英基底，2表示电子束直写制作的掩模，3表示基底表面涂覆的光刻胶，4表示间隔层PMMA材料，5表示金属银膜材料，6为间隙层LOR resist材料；

图5为曝光完成以后，经过显影得到的光刻胶结构，图中1表示石英基底，3表示光刻胶材料。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下列实施例，应包括权利要求书中的全部内容。

在本发明具体实施方式中，只以金属银层为例，金属金层与金属银层的主要相同均作为负折射率透镜使用，二者起的作用是完全相同的，成膜的技术也是完全相同的。此外作为间隔层和间隙层的各种材料，无论是有机材料还是无机材料起的作用也是完全相同的，工艺操作步骤也是完全相同的。因此，本发明只给出一个实施例，实现其它实施方式与该实施例完全相同。

本发明具体实施步骤如下：

(1)针对石英材质目标结构，采用传统的半色调灰度掩膜量化技术对目标结构进行量化分解，并采用电子束直写系统制作图形特征尺寸为纳米量级的半色调光刻掩模，图2为目标结构，图3为量化并制作完成的半色调光刻掩膜；

(2)在石英基片表面涂覆500nm厚度的光刻胶，并在光刻胶表面涂覆PMMA间隔层50nm，然后在光刻胶表面蒸镀厚度50nm的金属银层；

(3)在金属层表面涂覆厚度为30nm的LOR resist作为间隙层；将电子束直写技术制备的半色调光刻掩膜紧密的压制于间隙层表面，如图4所示；

(4)将入射光垂直照射半色调掩模表面，实现对光刻胶的曝光；

(5)曝光10秒后，去掉间隔层、间隙层和金属层，并对光刻胶进行显影，即可获得需要的连续面形结构，如图5所示；

(6)采用现有干法工艺将光刻胶结构转移至石英基底表面即可完成石英材质光栅结构的制作。