一种利用劳埃镜实现无掩模表面等离子体干涉光刻的装置

摘要

利用劳埃镜实现无掩模表面等离子体干涉光刻的装置，包括调节入射光角度的精密转台，耦合激发表面等离子体干涉的直角梯形棱镜，压紧基片和直角梯形棱镜的压紧装置，固定压紧装置的支架；将直角梯形棱镜一个侧面固定于精密转台上，使P偏振的激光束垂直入射至其斜面，微调精密转台确定激发表面等离子体的实际共振角；将涂有光刻胶的基片置于棱镜底面并调节压紧装置将棱镜和基片压紧；用宽光束以实际共振角入射至棱镜，在金属膜下表面实现表面等离子体干涉并对光刻胶曝光；取下曝光后的基片；对光刻胶后烘、显影，实现表面等离子体干涉光刻；本发明具有成本低廉、工作效率高、加工图形区域面积大、容易装调等优点，还有利于纳米光子晶体和人工材料的研究和应用。

说明书

技术领域

本发明属于纳米加工技术领域，涉及一种实现表面等离子体干涉光刻的装置。

技术背景

随着纳米加工技术不断的深入发展，各种纳光子器件尤其纳米光栅、纳米光子晶体等周期性纳米结构逐渐被广泛关注并应用于实际。例如，纳米光栅可应用于高精度测量传感、高密度存储，纳米光子晶体可用作人工材料，实现负折射、超分辨以及高灵敏度生物传感等功能。

由于传统光刻技术受衍射极限的限制，为了制作更小尺寸的纳米结构，必须使用更短波长的光源。根据这一原理，目前主要发展的纳米加工技术有：极紫外光刻、电子束光刻以及聚焦离子束光刻等等。然而，几乎所有的物质在极紫外波段将表现出与紫外波段截然不同的性质，这要求极紫外光刻的成像系统必须重新建立，使得制作成本大大增加。此外，以逐点扫描为工作方式的电子束直写和聚焦离子束直写的制作成本高、工作效率低且加工面积小，限制了其在许多领域当中的应用。

表面等离子体(Surface Plasmon Polaritons，SPPs)干涉光刻是近年来发展起来的近场光刻的最重要技术之一。表面等离子体是光波与可迁移的表面电荷之间相互作用产生的电磁模，它有着大于同一频率光子在真空中的波矢，利用表面等离子体的干涉可实现亚波长周期性纳米结构的光刻。激发表面等离子体最简单的方式之一是棱镜耦合，当两束P偏振光以共振角对称入射至下表面镀有金属薄膜的棱镜底面时，金属膜下表面将会产生表面等离子体干涉。

劳埃镜是在激光干涉光刻中经常用到的一种光学元件，通过它可以方便的控制双光束以对称的入射角入射形成干涉，若将劳埃镜原理应用到棱镜耦合下的表面等离子体干涉光刻中，将使表面等离子体干涉光刻更方便调节，更容易实现。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有纳米加工设备制作的限制之处，提出一种利用劳埃镜的高对称特性和表面等离子体的短波长特性，制作亚波长周期性纳米结构的实验装置，以及采用该装置实现表面等离子体干涉光刻的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种利用劳埃镜实现无掩模表面等离子体干涉光刻的装置，其特征在于：包括：用于调节入射光角度的精密转台；用于耦合激发表面等离子体干涉的直角梯形棱镜；用于压紧基片和直角梯形棱镜的压紧装置；用于固定压紧装置的支架。

所述的精密转台通过真空吸附固定直角梯形棱镜。

所述的直角梯形棱镜与斜面相对的直角侧面沉积有一层厚度为100—200nm的反射膜，在反射膜表面再利用化学气相淀积—层厚度为10nm-20nm的SiO₂保护膜。

所述的反射膜的材料可以是铝、或银、或多层介质膜。

所述的直角梯形棱镜的下底面沉积有—层厚度为30nm—50nm的金属膜，在金属膜表面利用化学气相淀积一层厚度为10nm-20nm的SiO₂保护膜。

所述的金属膜的材料可以是银或金。

所述的直角梯形棱镜的斜面沉积一层增透膜。

所述的直角梯形棱镜的底角大小等于激发表面等离子体的共振角。

采用上述装置实现表面等离子体干涉光刻的方法，其特征在于：可以包括以下步骤：

(1)将直角梯形棱镜的两个相对的直角侧面的一个侧面固定于精密转台之上；

(2)将涂有光刻胶的基片置于直角梯形棱镜底面，并通过支架和压紧装置将直角梯形棱镜和基片压紧；

(3)将P偏振激光束垂直于棱镜斜面入射至棱镜底面，微调精密转台，使入射光在棱镜底面的入射角等于激发表面等离子体的实际共振角；

(4)确定光束入射角后，锁紧精密转台，取下被曝光的基片并按步骤(2)重新上片；

(5)利用光束直径为2cm-5cm的P偏振激光束垂直于棱镜斜面入射，使其中一部分光束入射至直角梯形棱镜底面，另一部分光束入射至直角梯形棱镜直角面，这两部分入射光将在直角梯形棱镜金属膜下表面激发表面等离子体干涉并使光刻胶曝光；

(6)调节压紧装置，取下曝光后的基片；

(7)对光刻胶后烘、显影，光刻过程完成。

所述步骤(5)在曝光时可以转动基片进行二次曝光，实现二维周期性纳米结构的光刻。

本发明与现有技术相比所具有的优点：本发明采用棱镜耦合表面等离子体干涉光刻，实现了无掩模亚波长纳米光刻；采用直角梯形棱镜的耦合结构，将其侧面制作成劳埃镜，方便了实验调节，使表面等离子体干涉光刻更容易实现；本发明还可以通过双曝光方式实现二维图形的光刻；而且本发明具有成本低廉、工作效率高、加工图形区域面积大、容易装调等优点，本发明还有利于纳米光子晶体和人工材料的研究和应用。

附图说明

图1是本发明制作周期性纳米结构所使用的装置结构示意图；

图中：1为直角梯形棱镜；2为溅射沉积的高反射铝膜；3为溅射沉积的金属银膜；4为化学气相法制作的SiO₂保护膜；5为化学气相法制作的增透膜；6为光刻胶；7为基片；8支架；9压紧装置；10精密转台。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

本实施例的一种利用劳埃镜实现无掩模表面等离子体干涉光刻的装置，其结构示意图如图1所示；包括：用于调节入射光角度的精密转台10；用于耦合激发表面等离子体干涉的直角梯形棱镜1；用于压紧基片7和直角梯形棱镜1的压紧装置9；用于固定压紧装置9的支架8。

该装置中的直角梯形棱镜由折射率为1.6～2.0的透明材料加工而成；本实施例以折射率为1.89的超重火石作为材料加工一个的直角梯形棱镜1为例。直角梯形棱镜的底角为70°，该角度大小等于激发表面等离子体的共振角；在该直角梯形棱镜斜面相对的直角侧面上溅射沉积一层厚度为100nm的反射膜2，这里选取反射膜的材料为金属铝；在反射膜表面利用化学气相淀积一层厚度为10nm的SiO₂保护膜4，有效避免反射膜被氧化或被损坏；在直角梯形棱镜的下底面沉积有一层厚度为50nm的金属膜3，这里选取金属膜的材料为金属银；在金属膜表面利用化学气相淀积一层厚度为10nm的SiO₂保护膜4，有效避免金属膜被氧化或被损坏；在直角梯形棱镜的斜面沉积一层增透膜5，提高光能利用率并减小二次反射带来的影响；

采用上述装置实现表面等离子体干涉光刻的方法，其具体步骤如下：

(1)首先将直角梯形棱镜1的两个相对的直角侧面的一个侧面通过真空吸附固定于精密转台10之上；

(2)将涂有120nm厚度光刻胶6的基片7置于直角梯形棱镜1的底面并通过支架8和压紧装置9将直角梯形棱镜1和基片7压紧，这里的光刻胶折射率为1.46；

(3)将P偏振激光束垂直于直角梯形棱镜1斜面入射至其底面，微调精密转台10，使入射光在直角梯形棱镜底面的入射角等于激发表面等离子体的实际共振角；确定其共振角是通过探测器观察入射到直角梯形棱镜1下底面的反射光强最小的位置来实现的，这里的激光束选择波长为442nm的He-Cd激光器来实现；

(4)确定光束入射角后，锁紧精密转台，取下被曝光的基片并按步骤(2)重新装上一块涂有光刻胶6的基片7；

(5)利用光束直径为4cm的P偏振激光束垂直于棱镜斜面入射，使其中一部分光束入射至棱镜底面，另一部分光束入射至棱镜直角面，这两部分入射光将在直角梯形棱镜金属膜下表面激发表面等离子体干涉并使光刻胶6曝光；

(6)调节压紧装置9，取下曝光后的附有光刻胶6的基片7；

(7)对曝光后的基片7后烘、显影，光刻过程完成。

采用上述装置及方法可以实现无掩模亚波长纳米光刻，而且在上述光刻过程中可以转动基片7进行二次曝光，实现二维周期性纳米结构的光刻。