CN102621601B - 一种平面像场超分辨成像透镜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种平面像场超分辨成像透镜的制备方法，先选择基底材料；在基底表面旋涂牺牲层，其厚度为d1；在牺牲层上沉积平面多层膜，包括可用于激发表面等离子体的金属膜层和介质膜层，多层膜的厚度为d2；在多层膜上旋涂一层光刻胶，其厚度为d3；在光刻胶上曝光，显影得到所需大小的半圆形结构；将半圆形结构刻蚀转移到多层膜上，形成多层半圆形结构；在多层半圆形结构上沉积曲面多层膜，其厚度为d4；在曲面多层膜上沉积一层铬膜，膜厚为d5；在铬膜上进行开缝，缝宽为d6，间距为d7；在铬膜层上选用粘连剂粘连一块石英片；将基底和石英片泡在丙酮溶液内，通过溶解牺牲层来去掉基底材料。本发明的透镜可以实现图形的超分辨缩小成像。

Description

一种平面像场超分辨成像透镜的制备方法
技术领域
本发明涉及透镜制备的技术领域，具体涉及一种平面像场超分辨成像透镜制备方法，其为一种制备曲面-平面缩小倍率超分辨成像透镜的方法。
背景技术
基于近场光学原理的超分辨成像透镜因不受衍射极限限制，能够传输高频信息、分辨半波长以下图形，具有广阔的应用前景，如生物医学探测、纳米光刻、实时动态成像等领域。
缩小倍率超分辨成像透镜特点在于：利用光波在曲面结构中传播实现物面到像面光场的尺寸变化，所以缩小倍率成像首先是利用物面和像面均为曲面结构的透镜实现的。但是，这种结构使得成像的有效面积减小、成像质量不高，并且难以与现有成像系统结合，造成使用价值不高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有曲面缩小倍率超分辨成像透镜不足之处，提供一种平面像场超分辨成像透镜的制备方法，该方法只需要常规的涂胶、光刻和工艺镀膜，就可以制备出物面为曲面、像面为平面的缩小倍率超分辨成像透镜，拓展了现有缩小成像技术应用范围。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种平面像场超分辨成像透镜的制备方法，包括下列步骤：
步骤(1)、选择平整的基底；
步骤(2)、在基底表面旋涂牺牲层，牺牲层的厚度为d1＝3～5um，并在100～150℃条件下烘30～150分钟。控制牺牲层的表面平整度≤5nm；
步骤(3)、在牺牲层上沉积平面多层膜，共沉积5～20组，每组由2层膜层组成，每层膜厚为20～30nm，所述平面多层膜总厚度d2＝200～1200nm，其中Ag层和SiO2层交替沉积；控制平面多层膜的表面平整度≤2nm；
步骤(4)、在平面多层膜上旋涂光刻胶，控制胶厚d3＝2～3um；
步骤(5)、在光刻胶上采用移相掩模曝光，显影得到所需的半圆形结构。所得到的半圆形结构的半径为200～500nm；
步骤(6)、对步骤(5)中得到的半圆形结构进行刻蚀，将光刻胶中的半圆形结构转移到平面多层膜上，形成多层半圆形结构；
步骤(7)、在步骤(6)中得到的多层半圆形结构上蒸镀曲面多层膜，共蒸镀10～20组，每组由2层膜层组成。先蒸镀Ag然后是SiO2，交替蒸镀。控制每层厚度20～30nm，总厚度d4＝400～1200nm；
步骤(8)、在曲面多层膜上沉积一层铬膜。选用磁控溅射的方式，功率选用100～800W，铬膜的厚度d5＝50～100nm；
步骤(9)、在步骤(8)中所镀的铬膜上开缝。使缝宽d6＝50～150nm，缝间距d7＝200～300nm；
步骤(10)、利用粘连剂将一块石英片粘连到铬膜上，尽量使粘连剂填充满整个铬层与石英片之间的所有空隙，使石英片与铬膜粘贴牢固；
步骤(11)、将基底和石英片泡在丙酮溶液内，通过溶解牺牲层来去掉基底材料，从而得到最终的透镜结构。
所述步骤(1)中的基底材料为红外波段的硅，也可以是光波段的石英或玻璃。
所述步骤(2)中所涂牺牲层可以为AZ-3100、AZ-1500和AZ-3170光刻胶。
所述步骤(3)中所沉积的平面多层膜可以通过磁控溅射镀膜也可以选择真空蒸镀的方式。
所述步骤(4)中所旋涂的光刻胶可以AZ-3100、AZ-1500或者AZ-3170光刻胶。
所述步骤(5)中采用的移相掩模曝光技术，曝光时间有曝光强度和光刻胶的厚度决定，为10～150秒。
所述步骤(6)中将光刻胶中的半圆形结构顺利转移到平面多层膜中，可以利用RIE、IBE或ICP来实现。刻蚀所选气体可以是SF6、CHF3或Ar。
所述步骤(7)中蒸镀的曲面多层膜中的单层膜厚可以控制在20～30nm之间。
所述步骤(8)中沉积的铬膜应该在腔体温度200～300℃下进行沉积，这样可以保持比较好的膜层致密度。
所述步骤(9)中在铬膜层上开缝的线宽为50-150nm。
所述步骤(10)所选择的粘连剂可以使紫外固化胶，也可以用PMMA。
本发明与现有技术相比所具有的优点是：
本发明可以克服现有曲面缩小倍率超分辨成像透镜不足之处，提供一种制备曲面-平面缩小倍率超分辨成像透镜的方法，该方法只需要常规的涂胶、光刻和工艺镀膜，就可以制备出物面为曲面、像面为平面的缩小倍率超分辨成像透镜，拓展了现有缩小成像技术应用范围。
附图说明
图1为本发明一种平面像场超分辨成像透镜的制备方法的流程图；
图2为所选择的基底示意图；
图3为在基底上制作牺牲层后结构示意图；
图4为在牺牲层上制作平面多成膜结构示意图；
图5为在平面多层膜上旋涂一层光刻胶结构示意图；
图6为在光刻胶上曝光、显影后制备的半圆形结构示意图；
图7为刻蚀后的曲面结构示意图；
图8为制备得到的曲面多层膜结构示意图；
图9为在曲面多层膜上制备的铬膜层结构示意图；
图10为在铬膜层上开的缝结构示意图；
图11为在铬膜层上粘连一片石英片结构示意图；
图12去除牺牲层后的透镜结构示意图。
图13超透镜成像光刻中的光场分布图，其中照明光波长为365nm，掩膜图形线宽100nm。图中的横坐标为所制备器件在X方向的尺寸，单位为m；纵坐标为器件在Y方向的尺寸，单位为m.
图14为图13光场中切线上的光场强度分布图，其中场强半高全宽为50nm。其中横坐标为器件在X方向的尺寸，单位为m；纵坐标为光场的光强强度。
图中：1为基底材料，2为牺牲层，3为金属银，4为二氧化硅，5为光刻胶，6为金属铬，7为所开的缝，8为粘连剂，9为石英片。
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本领域技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
实施例1
如图1所示，本发明的一种平面像场超分辨成像透镜的制备方法，其具体实施步骤如下：
(1)选择硅晶圆片作为基底材料，如图2所示；
(2)在基底上旋涂AZ-1500光刻胶作为牺牲层，厚度为3um；如图3所示；
(3)在牺牲层上通过溅射制备平面多层膜，先镀Ag层，然后是SiO2层，交替5组10层。每层厚度为10nm，共100nm，如图4所示；
(4)在平面多层膜上旋涂一层AZ-3100光刻胶，膜厚为2um，如图5所示；
(5)利用移相掩模曝光技术，显影得到所需的半圆形结构。得到的半圆形结构的半径为300nm，如图6所示；
(6)通过IBE刻蚀，将光刻胶上的半圆形结构转移到多层膜上，形成多层半圆形结构，如图7所示；
(7)在步骤(6)中得到的多层半圆形结构蒸镀曲面多层膜，共蒸镀10组20层，先蒸镀Ag然后是SiO2，交替蒸镀10组。控制每层厚度为20nm，总厚度为400nm，如图8所示；
(8)在曲面多层膜上沉积一层铬膜。选用磁控溅射的方式，功率选用700w，铬膜的厚度为50nm，如图9所示；
(9)在步骤(8)中所镀的铬膜上开缝。使缝宽为50nm，缝间距为300nm，如图10所示；
(10)将一块石英片选用紫外固化胶粘连到铬膜上，粘连后在紫外灯下照射30分钟，使石英片与铬膜粘贴牢固，如图11所示；
(11)将基底和石英片泡在丙酮溶液内，通过溶解牺牲层来去掉基底材料，从而得到最终的透镜结构，如图12所示。
实施例2
(1)选择硅K9玻璃片作为基底材料，如图2所示；
(2)在基底上旋涂AZ-3170光刻胶作为牺牲层，厚度为2um；如图3所示；
(3)在牺牲层上通过溅射镀平面多层膜，先镀Ag层，再镀SiO2层，交替10组20层。每层厚度为10nm，共200nm。如图4所示；
(4)在平面多层膜上旋涂一层AZ-3170光刻胶，膜厚为3um。如图5所示；
(5)采用由汞灯激发，波长为365nm的平面偏振光对(4)中旋涂的光刻胶进行曝光，并通过显影得到所需的半圆形结构。所得到的半圆形结构的半径为400nm，如图6所示；
(6)通过RIE刻蚀，将光刻胶上的半圆形结构转移到多层膜上，形成多层半圆形结构，如图7所示；
(7)在步骤(6)中得到的多层半圆形结构上蒸镀曲面多层膜，共蒸镀5组10层，先蒸镀Ag然后是SiO2，交替蒸镀5组。控制每层厚度为20nm，总厚度200nm，如图8所示；
(8)在曲面多层膜上蒸镀一层铬膜，铬膜的厚度为80nm，如图9所示；
(9)在所镀的铬膜上进行开缝。使缝宽为100nm，缝间距为400nm，如图10所示；
(10)将一块石英片选用紫外固化剂粘连到铬膜上。在紫外灯下照射60分钟，使石英片与铬膜粘贴牢固，如图11所示；
(11)将基底和石英片泡在丙酮溶液内，通过溶解牺牲层来去掉基底材料，从而得到最终的透镜结构，如图12所示。
实施例3
(1)选择石英片作为基底材料，如图2所示；
(2)在基底上旋涂AZ-1500光刻胶作为牺牲层，厚度为4um；如图3所示；
(3)在牺牲层上通过溅射镀平面多层膜，先镀Ag层，再镀SiO2层，在每次镀Ag层之前镀一层2nm左右的Ge层，从而增加Ag层的光洁度。交替8组16层。每层厚度为20nm，共320nm。如图4所示；
(4)在平面多层膜上旋涂一层AZ-1500光刻胶，膜厚为3um。如图5所示；
(5)采用由汞灯激发，波长为365nm的平面偏振光对(4)中旋涂的光刻胶进行曝光，曝光时，照明光垂直掩膜版入射，曝光时间30秒。并通过显影，得到所需的半圆形结构。所得到的半圆形结构的半径为400nm，如图6所示；
(6)通过ICP刻蚀，将光刻胶上的半圆形结构转移到多层膜上，形成多层半圆形结构，如图7所示；
(7)在步骤(6)中得到的多层半圆形结构上蒸镀曲面多层膜，共蒸镀8组16层，先蒸镀Ag然后是SiO2，交替蒸镀8组。控制每层厚度为30nm，总厚度为480nm，如图8所示；
(8)在曲面多层膜上蒸镀一层铬膜，铬膜的厚度为100nm，如图9所示；
(9)在所镀的铬膜上进行开缝。使缝宽为150nm，缝间距为500nm，如图10所示；
(10)将一块K9玻璃片，选用PMMA粘连到铬膜上，使K9玻璃片与铬膜粘贴牢固，如图11所示；
(11)将基底和石英片泡在丙酮溶液内，通过溶解牺牲层来去掉基底材料，从而得到最终的透镜结构，如图12所示。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (10)

1.一种平面像场超分辨成像透镜的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤（1）、选择平整的基底；
步骤（2）、在基底表面旋涂牺牲层，牺牲层的厚度为d1=3～5um，并在100～150℃条件下烘30～150分钟；控制牺牲层的表面平整度≤5nm；
步骤（3）、在牺牲层上沉积平面多层膜，共沉积5～20组，每组由2层膜层组成，每层膜厚为20～30nm，所述平面多层膜总厚度d2=200～1200nm，其中Ag层和SiO2层交替沉积；控制平面多层膜的表面平整度≤2nm；
步骤（4）、在平面多层膜上旋涂光刻胶，控制胶厚d3=2～3um；
步骤（5）、利用移相掩模曝光技术，在光刻胶上显影得到所需的半圆形结构，所得到的半圆形结构的半径为200～500nm；
步骤（6）、对步骤（5）中得到的半圆形结构进行刻蚀，将光刻胶中的半圆形结构转移到平面多层膜上，形成多层半圆形结构；
步骤（7）、在步骤（6）中得到的多层半圆形结构上蒸镀曲面多层膜，共蒸镀10～20组，每组由2层膜层组成；先蒸镀Ag然后是SiO2，交替蒸镀；控制每层厚度20～30nm，曲面多层膜总厚度d4=400～1200nm；
步骤（8）、在曲面多层膜上沉积一层铬膜；选用磁控溅射的方式，功率选用100～800W，铬膜的厚度d5=50～100nm；
步骤（9）、在步骤（8）中所镀的铬膜上开缝，使缝宽d6=50～150nm，缝间距d7=200～300nm；
步骤（10）、利用粘连剂将一块石英片粘连到铬膜上，尽量使粘连剂填充满整个铬层与石英片之间的所有空隙，使石英片与铬膜粘贴牢固；
步骤（11）、将基底和石英片泡在丙酮溶液内，通过溶解牺牲层来去掉基底材料，从而得到最终的透镜结构。
2.根据权利要求1所述的平面像场超分辨成像透镜的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的基底材料为红外波段的硅，或者是光波段的石英或玻璃。
3.根据权利要求1所述的平面像场超分辨成像透镜的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中所涂牺牲层为AZ-3100、AZ-1500或AZ-3170光刻胶。
4.根据权利要求1所述的平面像场超分辨成像透镜的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中所沉积的平面多层膜通过磁控溅射镀膜，或者选择真空蒸镀的方式。
5.根据权利要求1所述的平面像场超分辨成像透镜的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中所旋涂的光刻胶为AZ-3100、AZ-1500或AZ-3170光刻胶。
6.根据权利要求1所述的平面像场超分辨成像透镜的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中采用的光刻技术，曝光时间由曝光强度和光刻胶的厚度决定，为10～150秒。
7.根据权利要求1所述的平面像场超分辨成像透镜的制备方法，其特征在于：所述步骤（6）中将光刻胶中的半圆形结构转移到平面多层膜上，可以利用RIE、IBE或ICP来实现；刻蚀所选气体是SF6、CHF3或Ar。
8.根据权利要求1所述的平面像场超分辨成像透镜的制备方法，其特征在于：所述步骤（7）中蒸镀的曲面多层膜中的单层膜厚控制在20～30nm之间。
9.根据权利要求1所述的平面像场超分辨成像透镜的制备方法，其特征在于：所述步骤（8）中沉积的铬膜应该在腔体温度200～300℃下进行沉积，这样能够保持比较好的膜层致密度。
10.根据权利要求1所述的平面像场超分辨成像透镜的制备方法，其特征在于：所述步骤（10）所选择的粘连剂是紫外固化胶或PMMA。
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