專利名稱：一種基于負折射率透鏡的亞波長連續(xù)面形微結構制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微納結構加工技術領域，具體地說是一種基于負折射率透鏡的亞波長連續(xù) 面形微結構制備方法。
技術背景近年來，隨著微納加工技術和納米材料的迅速發(fā)展，微納金屬結構的電磁學性質正受 到越來越多的關注。光與表面微納金屬結構的相互作用產(chǎn)生了一系列新的奇異物理現(xiàn)象。例如，1998年法國科學家Ebbesen及其合作者發(fā)現(xiàn)通過亞波長金屬孔列陣的光的異常增強 現(xiàn)象(Extraordinary Optical Transmission)。 H. J. Lezec等人的研究進一步表明當光透過 亞波長金屬納米孔時，其透過率不僅可以得到增強，而且光束的衍射角度非常小，傳輸方 向不遵循通常電介質結構中的衍射規(guī)律。此外，與表面等離子體金屬微納結構有關新現(xiàn)象 還有光與特殊分布的金屬微結構作用后，出現(xiàn)沿左手規(guī)則傳播的特性，說明材料具有負 折射率；光通過特定金屬納米孔結構后，光波出射具有極好的方向性等等。微納金屬結構 表面等離子體波的研究已經(jīng)形成一個新的領域。基于微納金屬結構的新型表面等離子體技 術可以被廣泛應用于軍事、醫(yī)療、國家安全等多個領域。尺度遠大于波長的連續(xù)面形結構可廣泛應用于光計算、光通訊以及各種微光機電系統(tǒng) 中。這類器件采用傳統(tǒng)的半色調灰度掩模技術即可實現(xiàn)很好的成形。而結構尺寸與波長相 當、甚至小于波長的連續(xù)面形結構也可以廣泛的應用于基于表面等離子體的各種新型功能 器件之中。這類器件的成形由于受到光場衍射行為的影響很難采用傳統(tǒng)的技術實現(xiàn)成形。 為了突破亞波長連續(xù)面形微納結構的制備技術，本發(fā)明提出了基于負折射率透鏡的亞波長 連續(xù)面形微結構成形技術。 發(fā)明內容本發(fā)明需要解決的技術問題是針對現(xiàn)有連續(xù)面形微結構制備技術的加工范圍很難拓 展到亞波長尺度的問題，提供一種基于負折射率透鏡的亞波長連續(xù)面形微結構制備方法， 該方法實現(xiàn)了亞波長連續(xù)面形結構成形。本發(fā)明的技術方案 一種基于負折射率透鏡的亞波長連續(xù)面形微結構制備技術，其特 點在于包括以下步驟(1)對目標結構面形進行量化分解，并制作圖形特征尺寸為納米量級的半色調光刻掩.
模(2) 在基片表面涂覆光刻膠，然后在光刻劑的基片表面涂覆間隔層，再在間隔層表面 蒸鍍厚度10ntn—120nm左右的金屬層；(3) 在金屬層表面涂覆間隙層，將制備的半色調光刻掩膜緊密的壓制于間隙層表面；(4) 將入射光垂直照射半色調掩模表面，實現(xiàn)對光刻膠的曝光；(5) 曝光完成后，去掉間隙層和金屬層，并對光刻膠進行顯影，即可獲得需要的連續(xù) 面形結構。所述步驟(1)中采用傳統(tǒng)的半色調灰度掩膜量化方法對目標結構進行量化分解。所述步驟(l)中采用電子束直寫系統(tǒng)制作圖形特征尺寸為納米量級的半色調光刻掩模。所述步驟(1)中光刻膠的厚度從幾十納米 幾個微米。所述步驟(2)中間隔層厚度為20nm 200nm，間隔層的材料為PMMA。所述步驟(2)中的間隔層和步驟(3)中的間隙層為有機材料，如PDMS、 PMMA以及光刻膠等或無機材料，如石英膜層，玻璃膜層等。所述步驟(2)中的金屬層材質為折射率近似為負值的金、或銀。所述步驟(3)中的間隙層涂覆于金屬層表面，或涂覆于半色調掩模表面。所述步驟(3)中間隙層的厚度為20nm 300nm，間隙層的材料PMMA等折射率匹配介質。所述步驟(2)和步驟(3)中，通過調節(jié)間隙層和間隔層的厚度可對光通過金屬層后 的頻譜進行調節(jié)。所述步驟(4)中曝光時間從幾秒級 幾分鐘級。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有的有益效果為現(xiàn)有的可用于連續(xù)面形結構制備的主要技 術包括移動掩模技術、掩模移動濾波技術、灰度掩膜技術、半色調掩模技術等，現(xiàn)有技 術只能制作特征尺寸遠大于光波波長的結構，對于特征尺寸與光波長接近，甚至遠小于波 長的結構由于光場衍射效應的存在是根本無法實現(xiàn)的；而本發(fā)明通過調節(jié)光刻膠層、負折 射率結構透鏡(金屬膜層類似于負折射率透鏡)以及半色調掩模的參數(shù)以及三者之間的相 互間距(通過調節(jié)間隙層和間隔層的厚度進行間距調節(jié))對負折射率透鏡的頻譜進行調節(jié)， 從而實現(xiàn)對入射到半色調掩模表面的光場進行濾波，最后實現(xiàn)亞波長尺度的連續(xù)面形結構 的制備。


圖1為本發(fā)明方法的流程圖；圖2為本發(fā)明的一種實施例要制作的光柵巨標，圖中1表示石英；
圖3為采用現(xiàn)有電子束直寫技術制作的半色調灰度掩膜，圖中黑色區(qū)域表示不透光， 白色區(qū)域表示透光;圖4為將電子束直寫技術制備的半色調光刻掩膜緊密的壓制于間隙層表面后形成的結 構，圖中l(wèi)表示石英基底，2表示電子束直寫制作的掩模，3表示基底表面涂覆的光刻膠， 4表示間隔層PMMA材料，5表示金屬銀膜材料，6為間隙層LOR resist材料；圖5為曝光完成以后，經(jīng)過顯影得到的光刻膠結構，圖中1表示石英基底，3表示光 刻膠材料。
具體實施方式
下面結合具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細說明，但本發(fā)明的保護范圍并不僅限于下列實施例，應包括權利要求書中的全部內容。在本發(fā)明具體實施方式
中，只以金屬銀層為例，金屬金層與金屬銀層的主要相同均作為負折射率透鏡使用，二者起的作用是完全相同的，成膜的技術也是完全相同的。此外作 為間隔層和間隙層的各種材料，無論是有機材料還是無機材料起的作用也是完全相同的， 工藝操作歩驟也是完全相同的。因此，本發(fā)明只給出--個實施例，實現(xiàn)其它實施方式與該 實施例完全相同。本發(fā)明具體實施步驟如下(1) 針對石英材質目標結構，采用傳統(tǒng)的半色調灰度掩膜量化技術對目標結構進行量 化分解，并采用電子束直寫系統(tǒng)制作圖形特征尺寸為納米量級的半色調光刻掩模，圖2為 目標結構，圖3為量化并制作完成的半色調光刻掩膜；(2) 在石英基片表面涂覆500nm厚度的光刻膠，并在光刻膠表面涂覆PMMA間隔層 50nm，然后在光刻膠表面蒸鍍厚度50nm的金屬銀層；(3) 在金屬層表面涂覆厚度為30nm的LOR resist作為間隙層；將電子束直寫技術制 備的半色調光刻掩膜緊密的壓制于間隙層表面，如圖4所示；(4) 將入射光垂直照射半色調掩模表面，實現(xiàn)對光刻膠的曝光；(5) 曝光10秒后，去掉間隔層、間隙層和金屬層，并對光刻膠進行顯影，即可獲得 需要的連續(xù)面形結構，如圖5所示；(6) 采用現(xiàn)有干法工藝將光刻膠結構轉移至石英基底表面即可完成石英材質光柵結構 的制作。
權利要求
1、 一種基于負折射率透鏡的亞波長連續(xù)面形微結構制備方法，包括以下步驟(1) 對目標結構進行量化分解，并制作圖形特征尺寸為納米量級的半色調光刻掩模；(2) 在基片表面涂覆光刻膠，然后在光刻劑的基片表面涂覆間隔層，再在間隔層表面 蒸鍍厚度10nm—120nm左右的金屬層；(3) 在金屬層表面涂覆間隙層，將制備的半色調光刻掩膜緊密的壓制于間隙層表面；(4) 將入射光垂直照射半色調掩模表面，實現(xiàn)對光刻膠的曝光；(5) 曝光完成后，去掉間隙層和金屬層，并對光刻膠進行顯影，即可獲得需要的連續(xù) 面形結構。
2、 根據(jù)權利要求1所述的一種基于負折射率透鏡的亞波長連續(xù)面形微結構制備方法， 其特征在于所述步驟(1)中目標結構為光刻膠材料。
3、 根據(jù)權利要求1所述的一種基于負折射率透鏡的亞波長連續(xù)面形微結構制備方法， 其特征在于所述步驟(1)中采用傳統(tǒng)的半色調灰度掩膜量化方法對目標結構進行量化分 解。
4、 根據(jù)權利要求l所述的一種基于負折射率透鏡的亞波長連續(xù)面形微結構制備方法， 其特征在于所述步驟(1)中采用電子束直寫系統(tǒng)制作圖形特征尺寸為納米量級的半色調 光刻掩模。
5、 根據(jù)權利要求1所述的一種基于負折射率透鏡的亞波長連續(xù)面形微結構制備方法， 其特征在于所述步驟(1)中光刻膠的厚度從幾十納米級 幾個微米級。
6、 根據(jù)權利要求1所述的一種基于負折射率透鏡的亞波長連續(xù)面形微結構制備方法，其特征在于所述步驟(2)中的間隔層厚度為20nm 200nm，間隔層的材料為PMMA。
7、 根據(jù)權利要求1所述的一種基于負折射率透鏡的亞波長連續(xù)面形微結構制備方法， 其特征在于所述步驟(2)中的間隔層和和步驟(3)中的間隙層為有機材料，或無機材 料。
8、 根據(jù)權利要求1所述的一種基于負折射率透鏡的亞波長連續(xù)面形微結構制備方法，其特征在于所述步驟(2)中的金屬層材質為折if率近似為負值的金Z或銀。'
9、 根據(jù)權利要求1所述的一種基于負折射率透鏡的亞波長連續(xù)面形微結構制備方法， 其特征在于所述步驟(3)中的間隙層涂覆于金屬層表面，或涂覆于半色調掩模表面，間 隙層的厚度為20nm 300nm，間隙層的材料為PMMA類折射率匹配介質。
10、 根據(jù)權利要求1所述的一種基于負折射率透鏡的亞波長連續(xù)面形微結構制備方法， 其特征在于所述步驟(2)和步驟(3)中，通過調節(jié)T旬隙層和l'iT隔層的厚度對光通過金 屬層后的頻譜進行調節(jié)。
11、根據(jù)權利要求1所述的一種基于負折射率透鏡的亞波長連續(xù)面形微結構制備方法， 其特征在于所述步驟(4)中曝光時間從幾秒級 幾分鐘級。
全文摘要
一種基于負折射率透鏡的亞波長連續(xù)面形微結構制備方法(1)對目標結構進行量化分解，并制作圖形特征尺寸為納米量級的半色調光刻掩模；(2)在基片表面涂覆光刻膠，然后在光刻劑的基片表面涂覆間隔層，再在間隔層表面蒸鍍厚度10nm-120nm左右的金屬層；(3)在金屬層表面涂覆間隙層，將制備的半色調光刻掩膜緊密的壓制于間隙層表面；(4)將入射光垂直照射半色調掩模表面，實現(xiàn)對光刻膠的曝光；(5)曝光完成后，去掉間隙層和金屬層，并對光刻膠進行顯影，即可獲得需要的連續(xù)面形結構。本發(fā)明實現(xiàn)了亞波長尺度的連續(xù)面形結構的制備，可廣泛應用于基于表面等離子體的各種新型功能器件的制備。
文檔編號G03F1/32GK101122739SQ200710121240
公開日2008年2月13日 申請日期2007年8月31日 優(yōu)先權日2007年8月31日
發(fā)明者杜春雷, 羅先剛, 董小春, 鄧啟凌 申請人:中國科學院光電技術研究所