本發(fā)明屬于表面等離子體干涉刻寫亞波長結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，涉及表面等離子體干涉刻寫亞波長結(jié)構(gòu)制備裝置，特別涉及表面等離子體多次干涉曝光的亞波長結(jié)構(gòu)制備裝置。

背景技術(shù)：

亞波長光學(xué)結(jié)構(gòu)在偏振器件、衍射光柵、生物傳感和微納光學(xué)等領(lǐng)域具有重要和廣泛應(yīng)用。目前的表面等離子體亞波長光刻技術(shù)主要包括：基于棱鏡耦合激發(fā)表面等離子體的無掩模干涉光刻；基于特殊金屬光柵掩模結(jié)構(gòu)激發(fā)表面等離子體的光刻技術(shù)。這些光刻技術(shù)存在一些不足，主要表現(xiàn)在：

1)基于棱鏡耦合激發(fā)表面等離子體的無掩模干涉光刻，一般情況下，只能刻寫簡單的一維亞波長光柵結(jié)構(gòu)。利用多束表面等離子體干涉光刻技術(shù)制備復(fù)雜的二維周期性結(jié)構(gòu)時(shí)，需要制備多面棱鏡以激發(fā)多束表面等離子體曝光樣品，這無疑增加了光路的復(fù)雜性。

2)基于特殊金屬光柵掩模結(jié)構(gòu)激發(fā)表面等離子體的光刻技術(shù)，也只能刻寫簡單的一維亞波長光柵結(jié)構(gòu)。另外，由于要制備金屬掩膜層，無疑增加了光刻的成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供表面等離子體多次干涉曝光的亞波長結(jié)構(gòu)制備裝置，對上述表面等離子體干涉刻寫微納結(jié)構(gòu)的光刻方法和設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)多種亞波長結(jié)構(gòu)的刻寫制備，同時(shí)降低光刻的成本和操作的難度。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：表面等離子體多次干涉曝光的亞波長結(jié)構(gòu)制備裝置，包括He-Cd激光器、光電快門、短焦距透鏡、長焦距透鏡、1/2波片、分束器、平面反射鏡A、平面反射鏡B、棱鏡、Al膜、光刻膠、玻璃襯底和光刻樣品旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)，其中，

所述的He-Cd激光器為光源，發(fā)射波長325nm的垂直方向偏振的激光束，打開光電快門時(shí)，激光束通過光電快門后，先后經(jīng)過短焦距透鏡、長焦距透鏡組成的擴(kuò)束器后被擴(kuò)束，經(jīng)1/2波片后變成水平方向偏振的TM偏振光，再被分束器分為兩束強(qiáng)度相同的相干光，且從兩個方向射出，被平面反射鏡A、平面反射鏡B反射后，由棱鏡耦合輻照到Al膜上，當(dāng)入射角為表面等離子體的激發(fā)角θ_sp時(shí)，將激發(fā)Al膜和光刻膠界面的表面等離子體波，表面等離子體波的干涉場曝光光刻膠，通過控制光刻樣品旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對光刻樣品不同方式的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而對光刻膠進(jìn)行不同方式的曝光，曝光后，通過顯影、定影后續(xù)工藝處理，即可得到相應(yīng)的亞波長結(jié)構(gòu)。

其中，所述的He-Cd激光器可以產(chǎn)生325nm的垂直方向偏振的激光束，作為激發(fā)表面等離子體的激發(fā)光源。

其中，對激光束的擴(kuò)束由兩個焦距不同的短焦距透鏡、長焦距透鏡的組合來實(shí)現(xiàn)，以使He-Cd激光器發(fā)出的激光束在通過它們后被擴(kuò)束，實(shí)現(xiàn)大面積刻寫。

其中，所述的1/2波片用于改變激光的偏振方向，將從He-Cd激光器發(fā)射的垂直方向偏振的激光改變?yōu)樗椒较蚱竦腡M偏振光。

其中，所述的分束器用于將經(jīng)從1/2波片的TM激光束分為光強(qiáng)相等的兩束激光，射出時(shí)沿兩個方向分別射向平面反射鏡A、平面反射鏡B。

其中，棱鏡用來耦合激發(fā)Al膜和光刻膠界面的表面等離子體。

其中，Al膜通過電子束蒸發(fā)蒸鍍到棱鏡的底面上。

其中，光刻膠旋涂在玻璃襯底上，構(gòu)成光刻樣品。

其中，光刻樣品旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)，可以使光刻樣品繞其中心軸旋轉(zhuǎn)某一特定角度，對光刻膠進(jìn)行N次曝光和N-1次旋轉(zhuǎn)，可制備得到特定結(jié)構(gòu)的亞波長結(jié)構(gòu)。

其中，光刻樣品旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)，可以使光刻樣品繞其中心軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)任意角度，通過光刻樣品連續(xù)旋轉(zhuǎn)的同時(shí)對光刻膠進(jìn)行連續(xù)曝光，可制備得到亞波長的同心等間隔圓環(huán)結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明表面等離子體多次干涉曝光的亞波長結(jié)構(gòu)制備裝置具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)基于表面等離子體多次干涉曝光，通過多次旋轉(zhuǎn)光刻樣品曝光或連續(xù)旋轉(zhuǎn)光刻樣品曝光，可以刻寫制備出諸如二維點(diǎn)陣、六邊形、同心等間隔圓環(huán)等多種亞波長結(jié)構(gòu)。

2)基于表面等離子體多次干涉曝光，通過多次旋轉(zhuǎn)光刻樣品曝光或連續(xù)旋轉(zhuǎn)光刻樣品曝光，可實(shí)現(xiàn)大面積刻寫制備亞波長結(jié)構(gòu)，且相比于多光束干涉刻寫裝置，光路簡單，易于操作，同時(shí)降低了光刻的成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明表面等離子體多次干涉曝光的亞波長結(jié)構(gòu)制備裝置示意圖。

圖2是以光刻樣品表面幾何中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立的笛卡爾坐標(biāo)系的xoz平面上的光路示意圖，z軸垂直于光刻樣品表面，x軸在水平方向，且在Al膜和光刻膠的分界面上。

圖3是在第一次曝光后，旋轉(zhuǎn)光刻樣品90°，并再次曝光光刻膠相同時(shí)間，可以得到的二維亞波長周期點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖4是每次曝光相同時(shí)間后旋轉(zhuǎn)光刻樣品60°，總共曝光三次，旋轉(zhuǎn)光刻樣品兩次，得到的二維亞波長六邊形點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是將光刻樣品連續(xù)旋轉(zhuǎn)180°并連續(xù)曝光的條件下，得到的同心等間隔圓環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1中：1為He-Cd激光器，2為光電快門，3為短焦距透鏡，4為長焦距透鏡，5為1/2波片，6為分束器，7為平面反射鏡A，8為平面反射鏡B，9為棱鏡，10為Al膜，11為光刻膠，12為玻璃襯底，13為光刻樣品旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)。

圖2中：表示激光束1的波矢，表示激光束2的波矢，θ_sp表示表面等離子體的激發(fā)角。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描敘，附圖中相同的標(biāo)號始終表示相同的部件。

如圖1所示，本發(fā)明表面等離子體多次干涉曝光的亞波長結(jié)構(gòu)制備裝置，包括He-Cd激光器1、光電快門2、短焦距透鏡3、長焦距透鏡4、1/2波片5、分束器6、平面反射鏡A 7、平面反射鏡B 8、棱鏡9、Al膜10、光刻膠11、玻璃襯底12和光刻樣品旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)13，其中：

He-Cd激光器1，發(fā)射325nm波長的激光，用做激發(fā)表面等離子體的激發(fā)光源。

光電快門2用來控制是否曝光光刻膠11，以及曝光光刻膠11的時(shí)間，調(diào)整光電快門2的開關(guān)狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)對光刻樣品的曝光以及曝光時(shí)間的控制。

短焦距透鏡3、長焦距透鏡4組成擴(kuò)束器，實(shí)現(xiàn)對He-Cd激光器1發(fā)射的激光束的擴(kuò)束，以實(shí)現(xiàn)大面積刻寫。

1/2波片5用于改變激光的偏振方向，將從He-Cd激光器1發(fā)射的垂直方向偏振的激光改變?yōu)樗椒较蚱竦腡M偏振光，以激發(fā)表面等離子體。

分束器6可以把入射的激光束分為兩束強(qiáng)度相等的相干光，沿兩個不同方向射出。

平面反射鏡A7、平面反射鏡B8，把經(jīng)分束器射出的兩束激光束反射到棱鏡9上。

棱鏡9耦合兩束激光，使激光束以表面等離子體的激發(fā)角θ_sp輻照到Al膜10上，從而激發(fā)Al膜10和光刻膠11界面上的兩束沿相反方向傳播的表面等離子體波，兩束表面等離子體的干涉場曝光光刻膠11。

光刻樣品旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)13控制光刻樣品的旋轉(zhuǎn)，可以使光刻樣品旋轉(zhuǎn)某一特定角度或連續(xù)旋轉(zhuǎn)任意角度。下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)行進(jìn)一步說明：

實(shí)施例1

參照圖1所示的表面等離子體多次干涉曝光的亞波長結(jié)構(gòu)制備裝置示意圖，He-Cd激光器1發(fā)射波長325nm的垂直方向偏振的激光束，打開光電快門2，激光束通過光電快門2后，先后經(jīng)過短焦距透鏡3、長焦距透鏡4后被擴(kuò)束，經(jīng)1/2波片5后變成水平方向偏振的TM偏振光，再被分束器6分為兩束強(qiáng)度相同的相干光并從兩個方向射出，被平面反射鏡A7、平面反射鏡B8反射后，由棱鏡9耦合輻照到Al膜10上，棱鏡9的折射率為1.8，Al膜10的厚度為20nm，光刻膠11的折射率為1.53，當(dāng)入射角為表面等離子體的激發(fā)角θ_sp(67.25°)時(shí)，將激發(fā)Al膜10和光刻膠11界面的表面等離子體波，表面等離子體波的干涉場曝光光刻膠11，曝光一定時(shí)間T后，關(guān)閉光電快門2；通過光刻樣品旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)13使光刻樣品旋轉(zhuǎn)90°，之后再打開光電快門2，再次曝光光刻膠11相同時(shí)間T；經(jīng)后續(xù)顯影、定影工藝處理，即可得到二維亞波長周期性點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，周期是97.87nm。如圖3所示。

實(shí)施例2

參照圖1所示的表面等離子體多次干涉曝光的亞波長結(jié)構(gòu)制備裝置示意圖，旋轉(zhuǎn)光刻樣品兩次，曝光光刻膠11三次；每次曝光相同時(shí)間T后關(guān)閉光電快門2，并通過光刻樣品旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)13使光刻樣品每次旋轉(zhuǎn)60°，其他步驟參照實(shí)施例1，可以得到二維亞波長六邊形點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。如圖4所示。

實(shí)施例3

參照圖1所示的表面等離子體多次干涉曝光的亞波長結(jié)構(gòu)制備裝置示意圖，保持He-Cd激光器1和光電快門2為開啟狀態(tài)，通過光刻樣品旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)13使光刻樣品以一定角速度ω₀勻速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過180°后關(guān)閉光電快門2，停止曝光，其他步驟參照實(shí)施例1，可以得到同心等間隔圓環(huán)結(jié)構(gòu)，圓環(huán)間隔為97.87nm，為亞波長尺寸。如圖5所示。

下面用表面等離子體干涉原理結(jié)合坐標(biāo)變換矩陣來說明本發(fā)明表面等離子體多次干涉曝光的亞波長結(jié)構(gòu)制備裝置的原理：

圖2是以光刻樣品表面幾何中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立的笛卡爾坐標(biāo)系的xoz平面上的光路示意圖，兩束相干光經(jīng)過平面反射鏡A 7、平面反射鏡B 8反射后，由棱鏡9耦合輻照到Al膜10上；當(dāng)入射角為表面等離子體的激發(fā)角θ_sp(67.25°)時(shí)，激發(fā)Al膜10和光刻膠11界面的表面等離子體波，表面等離子體波的干涉場曝光光刻膠。

在Al膜10和光刻膠11界面?zhèn)鞑サ谋砻娴入x子體波的色散關(guān)系可以表達(dá)為：

其中k_sp是表面等離子體波的波矢，k₀表示325nm波長的激光在真空中的波矢，ε₁是Al膜10的介電常數(shù)，ε₂是光刻膠11的介電常數(shù)，兩束相干光經(jīng)過平面反射鏡A7、平面反射鏡B8反射后，由棱鏡9耦合輻照到Al膜10上，激發(fā)表面等離子體波的共振角θ_sp滿足以下表達(dá)式：

ε₀為棱鏡9的介電常數(shù)，當(dāng)入射角為θ_sp時(shí)，激發(fā)Al膜10和光刻膠11界面的表面等離子體波，表面等離子體波的干涉場曝光光刻膠11，光刻膠11中干涉條紋的磁場強(qiáng)度分布為：

其中H₀為入射激發(fā)光的磁場強(qiáng)度，表示最大場增強(qiáng)，k_x是x軸方向的波矢，κ_z＝ik_z，k_z是光刻膠中平行于z軸方向的波矢。

表面等離子體波干涉的場分布的周期△x為：

λ₀表示入射激發(fā)光325nm光的波長。

基于上述表面等離子體波在光刻膠11中的干涉場強(qiáng)分布公式(3)，在光刻樣品多次旋轉(zhuǎn)曝光的條件下，運(yùn)用坐標(biāo)變換矩陣：

可以得到光刻樣品旋轉(zhuǎn)過一定角度α_n后曝光光刻膠11時(shí)的干涉條紋的磁場強(qiáng)度分布。I_n代表第n次曝光的磁場強(qiáng)度分布，α_n是光刻樣品旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)13使光刻樣品旋轉(zhuǎn)的角度，即每次曝光時(shí)，光刻樣品相對最初位置的角度。基于上述公式，可得每次曝光后的干涉條紋的磁場強(qiáng)度分布為：

因此，對光刻樣品進(jìn)行N-1次旋轉(zhuǎn)和N次曝光后，總的干涉條紋的磁場強(qiáng)度分布：

在對光刻樣品連續(xù)旋轉(zhuǎn)曝光的條件下，可設(shè)光刻樣品旋轉(zhuǎn)的角速度為ω₀，則有α＝ω₀t，所以結(jié)合(6)式，某一時(shí)刻t的光強(qiáng)分布可以寫為：

對光刻樣品旋轉(zhuǎn)曝光一段時(shí)間T后，光刻膠11上總的干涉條紋的磁場強(qiáng)度分布可寫為：

本發(fā)明表面等離子體多次干涉曝光的亞波長結(jié)構(gòu)制備裝置，基于表面等離子體干涉，通過多次旋轉(zhuǎn)光刻樣品曝光或連續(xù)旋轉(zhuǎn)光刻樣品曝光，能夠?qū)崿F(xiàn)多種周期性亞波長結(jié)構(gòu)的刻寫。

相比于同時(shí)激發(fā)多束表面等離子體干涉的光刻裝置，本裝置光路結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，一定程度上降低了光刻成本。且同時(shí)激發(fā)多束表面等離子體干涉的光刻裝置，無法實(shí)現(xiàn)亞波長的同心等間隔圓環(huán)結(jié)構(gòu)的制備。因此本發(fā)明在亞波長光學(xué)結(jié)構(gòu)的制備領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。