CN101158809B - 应用聚苯乙烯球进行聚焦光刻成形亚波长微纳结构 - Google Patents
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Abstract
一种应用聚苯乙烯球进行聚焦光刻成形亚波长微纳结构的制作方法，其特征在于：首先选择基底材料；在其表面依次旋涂一层抗蚀剂，蒸镀一层金属结构，再旋涂一层间隙层，最后自组装一层聚苯乙烯球；将上述结构在曝光系统中进行曝光；然后去除聚苯乙烯球、间隙层和金属层结构；将基底放入显影液中进行显影，获得目标结构；最后对目标结构进行刻蚀，将结构传递到基底上。本发明采用聚苯乙烯球充当聚焦透镜，进一步减小了透镜的周期和尺寸；并且在被曝光的抗蚀剂表面蒸镀金属结构，使得在聚焦曝光的时候，在金属内部可以激发表面等离子体，提高聚焦焦斑的分辨率，减小成形的目标结构的特征尺寸，为亚波长微纳结构的制作提供了一种有效的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米结构的制作方法，特别涉及一种应用聚苯乙烯球进行聚焦光刻成形亚波长微纳结构的方法。
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，这类器件采用传统微加工技术即可实现很好的成形；而结构尺寸与波长相当、甚至小于波长的微纳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。近几年，聚焦光刻方法已经逐渐发展成为一种制作微结构的光刻方法，它利用微透镜列阵或者相当与微透镜列阵的结构来对抗蚀剂进行曝光，利用透镜的聚焦作用，在焦斑处形成能量的极大值，利用焦点处能量的极高值来进行光刻，从而在底层光刻胶成形纳米结构的方法，但是该方法在制作过程中，传统的微透镜列阵一般口径和数值孔径比较大，因此成形的目标结构周期和特征尺寸大，同时由于焦斑大小受到衍射极限的限制，从而所使得制作图形的尺寸受到限制，给成形纳米结构带来了很大的困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题是： 克服现有技术的不足，提出了一种通过提高分辨率，减小焦斑尺寸，成形亚波长微纳结构的方法。
本发明解决其技术解决问题所采用的技术方案：一种应用聚苯乙烯球进行聚焦光刻成形亚波长微纳结构的方法，其特征在于如下步骤：
(1)选择合适的基底材料，并将其进行清洗，用高压氮气吹干；
(2)在基底表面旋涂一层抗蚀剂，在抗蚀剂表面再蒸镀一层金属层；
(3)在金属层表面旋涂一层间隙层；
(4)在间隙层表面自组装一层聚苯乙烯球；
(5)将步骤(4)所得结构在曝光系统中进行聚焦曝光，通过调节曝光时间，在抗蚀剂内部形成需要的曝光能量分布；
(6)除去聚苯乙烯球以及间隙层和金属层；
(7)选择与抗蚀剂相匹配的显影液，对抗蚀剂进行显影，获得目标结构；
(8)对目标结构进行刻蚀，将目标结构传递到基底上；
其中：金属层的金属材料为可以激发表面等离子体的金属金、银、铜或铝，金属层的厚度为10nm～100nm；间隙层为PMMA，PDMS折射率匹配介质，其厚度为50纳米到5微米，厚度的选取要使得入射光经聚苯乙烯球聚焦之后焦点落在抗蚀剂内，实现聚焦光刻。所述步骤(1)中的基底材料为可见光材料的石英，玻璃，或二氧化硅，或者为红外材料的硅、或锗。
所述步骤(2)中旋涂的抗蚀剂为正性抗蚀剂、或者为负性抗蚀剂，抗蚀剂的厚度为100nm～800nm。
所述步骤(4)中的聚苯乙烯球为球形结构，其直径为3um。
所述步骤(5)中曝光时间为3秒钟到3分钟。
所述步骤(6)中采用乙醇清洗掉聚苯乙烯球，由于间隙层为一种有机物，可采用干法刻蚀将其去除，湿法腐蚀去除金属层结构。
所述步骤(8)中采用RIE进行刻蚀，刻蚀气体根据基底材料选择，刻蚀时间根据抗蚀剂的厚度以及基底来确定，为1分钟到60分钟。
本发明与现有技术相比所具有的优点是：
(1)与采用微透镜列阵进行聚焦光刻相比：本发明采用聚苯乙烯球充当微透镜列阵，克服了微透镜列阵口径大，数值孔径小等问题，极大的缩小了所制作的目标结构的周期和特征尺寸；
(2)与不施加金属层结构相比：本发明通过在抗蚀剂表面施加金属层结构，可以使得在聚焦曝光的时候在金属内部产生表面等离子体，从而可以进一步提高聚焦焦斑的分辨率， 进而减小成形的目标结构的特征尺寸；
(3)与电子束光刻以及聚焦粒子束光刻制作纳米结构相比：本发明不需要采用昂贵的大型设备，以及精密的控制仪器，是一种成本低，操作简便的制作方法；
(4)利用本专利技术可以成形特征尺寸为λ/6～λ/4的纳米结构。
附图说明
图1为在基底表面旋涂抗蚀剂并蒸镀银层之后的结构；
图2为在银层表面旋涂PMMA间隙层之后的结构；
图3为在PMMA表面自组装一层聚苯乙烯球之后的结构；
图4为将图3中所得的结构在曝光系统中进行曝光的示意图；
图5为曝光之后，将聚苯乙烯球，间隙层和金属层去除之后，并将抗蚀剂在显影液中进行显影之后获得的目标结构示意图；
图6为应用RIE对目标结构进行刻蚀，将其传递到基底上之后的结构示意图；
图中：1为基底材料二氧化硅SiO2，2为抗蚀剂AZ3100，3为银层结构，4为间隙层PMMA，5为聚苯乙烯球，6为曝光光源。
具体实施方式
下面结合附图及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面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。
本发明实施例的具体过程如下：
(1)根据需要选择二氧化硅SiO2基底，并且用丙酮和乙醇对其进行清洗，用高压氮气吹干， 在基底表面旋涂一层200nm的抗蚀剂AZ3100，并在抗蚀剂表面蒸镀一层40nm的银层结构，如图1所示；
(2)选择直径为3um的聚苯乙烯球，经计算其焦距为2um。
(3)在银层表面旋涂一层PMMA间隙层，其厚度为1.8um，其厚度的选取要使得入射光经聚苯乙烯球聚焦之后焦点可以落在抗蚀剂内，如图2所示；
(4)在PMMA间隙层表面自组装该聚苯乙烯球，如图3所示；
(5)将上述结构在曝光系统中进行曝光，曝光光源中心波长为365nm，曝光时间为10s，光束经过聚焦后在抗蚀剂内部形成需要的曝光能量分布，焦斑处能量最大，其他区域能量小，如图4所示；
(6)将带有结构的基底采用乙醇清洗去除聚苯乙烯球，然后用氧气进行刻蚀去除PMMA间隙层，再将基底放入硝酸溶液中，去除银层结构；
(7)将带有抗蚀剂的基底放入AZ300显影液中进行显影，焦斑处由于曝光能量大，抗蚀 剂被完全分解，所以可以在显影液中完全溶解，获得目标结构，如图5所示；
(8)采用RIE对目标结构进行刻蚀，刻蚀气体为六氟化硫SF6和氧气O2，刻蚀时间为3分钟，将目标结构传递到二氧化硅SiO2基底上，如图6所示。
Claims (9)
1.一种采用聚苯乙烯球进行聚焦光刻成形亚波长微纳结构的方法，其特征在于以下步骤：
(1)选择合适的基底材料，并将其进行清洗，用高压氮气吹干；
(2)在基底表面旋涂一层抗蚀剂，在抗蚀剂表面再蒸镀一层金属层；
(3)在金属层表面旋涂一层间隙层；
(4)在间隙层表面自组装一层聚苯乙烯球；
(5)将步骤(4)所得结构在曝光系统中进行聚焦曝光，通过调节曝光时间，在抗蚀剂内部形成需要的曝光能量分布；
(6)除去聚苯乙烯球以及间隙层和金属层；
(7)选择与抗蚀剂相匹配的显影液，对抗蚀剂进行显影，获得目标结构；
(8)对目标结构进行刻蚀，将目标结构传递到基底上；
其中：金属层的金属材料为可以激发表面等离子体的金属金、银、铜或铝，金属层的厚度为10nm～100nm；间隙层为PMMA，PDMS折射率匹配介质，其厚度为50纳米到5微米，厚度的选取要使得入射光经聚苯乙烯球聚焦之后焦点落在抗蚀剂内，实现聚焦光刻。
2.根据权利要求1所述的一种采用聚苯乙烯球进行聚焦光刻成形亚波长微纳结构的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的基底材料为可见光材料的石英、玻璃。
3.根据权利要求1所述的一种采用聚苯乙烯球进行聚焦光刻成形亚波长微纳结构的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的基底材料为可见光材料的二氧化硅。
4.根据权利要求1所述的一种采用聚苯乙烯球进行聚焦光刻成形亚波长微纳结构的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的基底材料为红外材料的硅、锗。
5.根据权利要求1所述的一种采用聚苯乙烯球进行聚焦光刻成形亚波长微纳结构的方法，其特征在于：所述步骤(2)中旋涂的抗蚀剂为正性抗蚀剂、或者为负性抗蚀剂，抗蚀剂的厚度为100nm～800nm。
6.根据权利要求1所述的一种采用聚苯乙烯球进行聚焦光刻成形亚波长微纳结构的方法，其特征在于：所述步骤(4)中的聚苯乙烯球为球形结构，其直径为3um。
7.根据权利要求1所述的一种采用聚苯乙烯球进行聚焦光刻成形亚波长微纳结构制作的方法，其特征在于：所述步骤(5)中曝光时间为3秒钟到3分钟。
8.根据权利要求1所述的一种采用聚苯乙烯球进行聚焦光刻成形亚波长微纳结构制作的方法，其特征在于：所述步骤(6)中采用乙醇清洗掉聚苯乙烯球，由于间隙层为一种有机物，可采用干法刻蚀将其去除，湿法腐蚀去除金属层结构。
9.根据权利要求1所述的一种采用聚苯乙烯球进行聚焦光刻成形亚波长微纳结构的方法，其特征在于：所述步骤(8)中采用RIE进行刻蚀，刻蚀气体根据基底材料选择，刻蚀时间根据抗蚀剂的厚度以及基底来确定，为1分钟到60分钟。
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