一種大面積制備微納米凸球透鏡陣列的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微納加工技術(shù)和光量子通訊技術(shù)領(lǐng)域，具體說來，是一種大面積制備光量子輻射微納米透鏡陣列的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微型化、陣列化、集成化是光信息技術(shù)的發(fā)展方向，作為該方向常用光學器件之一的微透鏡及其陣列為研宄人員所廣泛關(guān)注。研宄人員已經(jīng)發(fā)展了全息法、光刻膠熔融法、光敏玻璃法、激光刻蝕法等制備微透鏡及其陣列。這些工藝能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)器件的大批量制備，同時在一定程度上滿足了當前的應(yīng)用需求。但是，他們的缺點在于，很多工藝過程將結(jié)構(gòu)制備在光刻膠、PDMS等聚合物上，對于需要直接在光學材料表面加工的場合并不適用。
[0003]隨著技術(shù)發(fā)展，準確的函數(shù)描述微曲面在微納光學器件中有重要應(yīng)用。以新型單光子源中的金剛石氮空位色心(金剛石中氮取代與相鄰空位缺陷組合而成的色心)為例，為了克服金剛石的高折射率導致的全反射現(xiàn)象，提高單光子輻射利用效率，需要在金剛石表面以色心為球心定位加工具有理想形貌的半球結(jié)構(gòu)，參見文獻“Strongly enhancedphoton collect1n from diamond defect centers under microfabricated integratedsolid immers1n lenses，Appl.Phys.Lett.97241901 (2010) ”。并且，計算表明，當半球結(jié)構(gòu)周圍是拋物面形狀凹槽時，器件具有最好的工作效果。
[0004]文獻報道的在金剛石表面制備二次微曲面多是通過聚焦鎵離子束刻蝕逐個加工的方法，不僅存在加工效率低下，而且存在多晶碳濺射再沉積以及鎵離子晶格注入等污染問題。為克服現(xiàn)有加工方法缺陷，本專利提出一種無晶格污染大批量刻蝕理想二次微曲面透鏡的方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種用電子束光刻(EBL)結(jié)合反應(yīng)離子刻蝕(RIE)大面積制備微納米凸球透鏡陣列的方法，包括步驟如下:
[0006]步驟S1:清潔金剛石表面并蒸鍍粘附層金屬；
[0007]步驟S2:在蒸鍍了粘附層金屬的金剛石樣品表面旋涂HSQ層，并進行前烘；
[0008]步驟S3:在EBL系統(tǒng)中對金剛石樣品表面HSQ層進行曝光，曝光圖形為周期性圓形陣列；
[0009]步驟S4:對曝光后的HSQ層進行顯影定影，得到周期性柱形硅氧化物掩膜；
[0010]步驟S5:用RIE刻蝕去除周期性柱形硅氧化物掩膜周圍的粘附層金屬；
[0011]步驟S6:用RIE刻蝕周期性凸球陣列結(jié)構(gòu)。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的方法，優(yōu)選地，步驟SI中蒸鍍粘附層金屬的厚度應(yīng)小于10nm，確保在步驟S5中去除周期性柱形硅氧化物掩膜周圍部分的時候不對掩膜本身造成過多消耗。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的方法，優(yōu)選地，步驟S2中，HSQ的旋涂方式是將小塊的金剛石用碳膠等固定到邊長約Icm硅片上，其中金剛石的一個角對準硅片的中心，并將硅片中心位置吸附到涂膠臺上，再旋涂HSQ。HSQ的厚度要根據(jù)曝光結(jié)構(gòu)大小旋涂，結(jié)構(gòu)尺寸大需要膠厚比較大，結(jié)構(gòu)尺寸小則需要膠厚比較小。實驗中可通過涂膠臺轉(zhuǎn)速及旋涂、烘烤反復進行來控制膠厚。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的方法，優(yōu)選地，步驟S5中，用RIE刻蝕去除周期性柱形氧化物掩膜周圍粘附層金屬時，刻蝕氣體要針對粘附層金屬選擇，刻蝕時間要根據(jù)刻蝕速率控制在剛好去除粘附層金屬。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的方法，優(yōu)選地，步驟S6中刻蝕金剛石周期性凸球陣列結(jié)構(gòu)所用刻蝕氣體中，除主要刻蝕金剛石的成分外，應(yīng)有少量對掩膜有化學刻蝕作用的氣體成分，含量在主要刻蝕氣體的十分之一左右，確保在結(jié)構(gòu)刻蝕過程中，掩膜形狀能逐步得到修正，同時掩膜消耗速度不會太快。由于掩膜形狀的修正過程與其曝光圖形的半徑、曝光圖形陣列的周期、旋涂HSQ的厚度、EBL曝光劑量等因素相關(guān)。調(diào)整優(yōu)化各項參數(shù)，可以通過RIE刻蝕的方法制備得到形貌理想的大面積金剛石半球周期陣列結(jié)構(gòu)。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列技術(shù)效果:
[0017]1、本發(fā)明簡單靈活，能用簡單的步驟實現(xiàn)金剛石表面大面積的凸球結(jié)構(gòu)制備。
[0018]2、本發(fā)明能夠通過優(yōu)化參數(shù)實現(xiàn)大面積金剛石半球陣列結(jié)構(gòu)的制備，在金剛石NV色心單光子器件等方面有潛在應(yīng)用。
【附圖說明】
[0019]以下參照附圖對本發(fā)明實施例作進一步說明，其中:
[0020]圖1示出了本發(fā)明一個實施例中在金剛石表面用RIE刻蝕大面積凸球透鏡陣列的不同階段的示意圖；其中圖1a?圖1c為立體示意圖，圖1d?圖1f為側(cè)視剖面示意圖；
[0021]圖2a?圖2d示出了本發(fā)明一個實施例中在金剛石表面用RIE刻蝕大面積凸球陣列中單個凸球形成的各階段示意圖；
[0022]圖3a?圖3c示出了本發(fā)明一個實施例中在金剛石表面用RIE刻蝕大面積凸球陣列的電鏡掃描圖；其中圖3b為俯視電鏡掃描圖，圖3a、圖3b為52°傾角電鏡掃描圖。
【具體實施方式】
[0023]為了使本發(fā)明的目的，技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖通過具體實施例對本發(fā)明進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供了一種用RIE在金剛石塊材表面制備大面積凸球陣列的方法。包括步驟:蒸鍍粘附層金屬；旋涂HSQ ;EBL曝光；反應(yīng)離子刻蝕凸球陣列。HSQ是一種常用的負性電子抗蝕劑，具有極高的曝光分辨率。實驗所用EBL系統(tǒng)為JBX6300電子束曝光系統(tǒng)。RIE 系統(tǒng)為 PlasmaLab 80plus system (Oxford Instruments Ltd)反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)。
[0025]具體過程如下:
[0026]步驟S1:蒸鍍粘附層金屬。
[0027]參考圖la，取一個至少具有一個拋光表面的金剛石塊材I，進行表面清潔，并蒸鍍粘附層金屬。在一個優(yōu)選實施例中，將金剛石小塊依次放入丙酮，乙醇，去離子水中超聲清洗各五分鐘，然后用氮氣吹干。然后在已清洗的金剛石塊材I表面制備粘附層金屬2。粘附層金屬2是最終刻蝕形成凸球結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵步驟，其制備可以采用電子束蒸發(fā)、或熱蒸發(fā)、或磁控濺射、或激光誘導沉積方法，厚度小于10nm。在上述優(yōu)選實施例中，利用熱蒸發(fā)手段在清洗干凈的金剛石表面沉積5nm厚的Ti金屬層。
[0028]步驟S2:旋涂 HSQ。
[0029]參考圖lb，在蒸鍍了粘附層金屬的金剛石表面旋涂HSQ層。在上述實施