CN102621820A - 一种用于光刻的高效超分辨聚焦器件制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于光刻的高效超分辨聚焦器件制备方法，该方法首先确定入射波，再选取合适的基底材料，在基底上蒸镀或溅射沉积一层金属膜，让入射波垂直于金属膜表面入射；在金属膜上表面取中心点为原点，选定x轴方向及y轴方向，取垂直于金属膜表面方向为z轴方向；依据等光程原理计算菲涅尔各级波带的位置及宽度；在金属膜中心位置开出奇数级或偶数级菲涅尔波带环形条缝；利用现有纳米加工技术制作菲涅尔波带及凹槽；在金属膜上交替蒸镀或溅射沉积厚度为纳米级别的金属与介质多层薄膜以支持高频信息的传输；最后在多层膜上涂布光刻胶及沉积反射金属层即可得到超分辨的聚焦器件。本发明所设计的透镜结构简单，具有广阔的发展前景。
Description
技术领域
本发明涉及包含金属纳米圆孔或环带聚焦元件制作的技术领域，特别涉及一种用于光刻的高效超分辨聚焦器件制备方法，该方法为焦斑强度可调制的高效超分辨聚焦器件制备方法。
背景技术
近年来，纳米技术得到了突飞猛进的发展，其在光刻等方面的应用也对相应的分辨率提出了新的要求，各种聚焦器件正在逐步朝着小型化和集成化的方向发展。在一系列的新型聚焦器件中，超光栅(Hypergratings)越来越受到人们的关注，其最大的优点是可以突破传统衍射极限，从而达到一个很小的焦斑；然而缺点是透过效率很低，焦斑强度很弱。
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，利用环带纳米开孔金属膜产生的倏逝波和纳米厚度交替金属和介质多层膜结构的倏逝波传播能力，实现高分辨力的超衍射极限聚焦，通过凹槽环带的耦合作用，增加透射效率，方便用于纳米光刻和高容量数据存储装置的一种焦斑强度可调制的超分辨聚焦元件。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案：一种用于光刻的高效超分辨聚焦器件制备方法，其步骤如下：
步骤(1)选择入射光的工作波长λ，根据其波长选择可以透光的基底材料；在基底表面蒸镀厚度为d的金属膜，入射光垂直于金属膜上表面入射；取垂直穿过金属膜中心的轴为z轴，假设z轴与金属膜上表面相交位置为坐标原点，在金属膜上表面取过原点的某方向为x轴方向，确定x轴正方向及y轴方向；
步骤(2)根据工作波长λ选择合适的金属薄膜与介质薄膜材料，设计菲涅尔各级波带半径；
步骤(3)选择凹槽环带的位置即内环半径r，其要使凹槽激发的表面等离子体波能够与菲涅尔波带透过的光很好的耦合。
步骤(4)凹槽环带的宽度w与深度h可以进行一定范围的调制，以达到不同聚焦强度的焦斑。
步骤(5)凹槽环带的排列方向可以有所选择，从而对入射光的偏振态有着不同的响应。
步骤(6)根据上述设计所得的奇数级或者偶数级菲涅尔波带位置及宽度，凹槽位置及宽度，利用现有加工技术进行制作，获得包含奇数或偶数级菲涅尔波带环形条缝和凹槽的金属掩膜；
步骤(7)在金属掩膜后表面交替蒸镀纳米厚度的金属和介质多层膜结构以支持超衍射传输达到超分辨效果，沉积多层膜的总厚度为设定的超衍射聚焦结构透镜的焦距f；
步骤(8)在多层膜结构后蒸镀一层纳米厚度的光刻胶及一层反射金属层，获得一种焦斑强度可调的超分辨聚焦器件。
所述步骤(1)中的可透光的基底材料的可以为石英或二氧化硅。
所述步骤(1)中的选取的工作波的偏振模式可以为由金属掩膜上凹槽的排列方式所决定为某一方向的线偏振光或者圆偏振光。
所述步骤(1)中的金属膜的厚度d为50纳米到200纳米，金属膜材料为能够激发表面等离子体的金属金、银、铜或铬。
所述步骤(2)中的金属薄膜可取银、铜和金等，介质薄膜可取三氧化二铝、二氧化硅或碳化硅。
所述步骤(3)中的凹槽环带的内半径与菲涅尔各级环带的半径有关，要使得凹槽激发的表面等离子体波能够很好的与菲涅尔环带条缝透射的光耦合，通过调制凹槽环带的内半径即位置可以得到不同强度的聚焦焦斑。
所述步骤(4)中的凹槽环带的宽度为10纳米到1000纳米。
所述步骤(4)中的凹槽环带的深度不大于金属掩膜的厚度。
所述步骤(5)中凹槽环带的排列方式可以为单向排列，包括仅在横向排布或仅在纵方向排布。
本发明与现有技术相比所具有的优点是：
本发明利用传统菲涅尔波带片的原理及纳米级厚度的金属-介质多层膜的超衍射传输特性，设计一种超衍射聚焦元件；在菲涅尔波带周围设计一系列凹槽环带，调节凹槽的宽度、位置及深度，可以对焦斑的强度进行调制；同时，该金属膜聚焦元件结构非常简单，可以很方便的用于光路系统集成，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例所设计的超聚焦元件上表面的俯视图；
图2是本发明实施例所设计的超聚焦元件的中心剖面图；
图3是本发明实施例所设计的超聚焦元件的凹槽宽度对焦斑强度的调制图；
图4是本发明实施例所设计的超聚焦元件的凹槽深度对焦斑强度的调制图；
图5是本发明实施例所设计的超聚焦元件的凹槽位置对焦斑强度的调制图；
图中：1为空气，2为金属铬，3为基底二氧化硅，4为介质碳化硅薄膜，5为光刻胶，6为反射金属银膜，7为金属银薄膜。
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步骤如下：
(1)选取工作波长λ为365nm，偏振模式为圆偏振光模式，确定所设计的超分辨聚焦器件焦距为76nm；选择二氧化硅作为基底材料，在其表面蒸镀50nm厚的金属铬；让入射光垂直于金属膜上表面入射；取垂直穿过金属膜表面的轴为在z轴，假设z轴与金属膜上表面相交位置为坐标原点，在金属膜上表面上取过原点的某一方向为x轴方向，确定x轴正方向，根据右手法则确定y轴方向。
(2)选择金属银与碳化硅介质作为薄膜材料；设计菲涅尔一级波带的内外半径分别为ri＝0，ro＝50nm；
(3)选择凹槽环带的内环半径r＝100nm，深度h＝25nm，调制凹槽环带的宽度；
(4)根据上述设计所得的菲涅尔一级波带位置及宽度，凹槽位置及宽度，利用现有加工技术进行制作，获得包含菲涅尔一级波带圆孔和凹槽的金属铬掩膜如图1所示，图1左图对磁场横向偏振光入射的聚焦有增强效果，右图对磁场纵向偏振光入射的聚焦有增强效果；
(5)在金属铬掩膜后表面交替蒸镀纳米厚度的金属银和碳化硅介质薄膜的多层结构。沉积多层膜共8层，总厚度为设定的超衍射聚焦结构透镜的焦距80nm，然后蒸镀25nm厚的光刻胶及30nm厚的反射银层，制成一种焦斑强度增强的超分辨聚焦元件如图2所示。
(6)调制凹槽环带的宽度w为25～200nm，焦斑强度的调制图如图3所示；w＝50nm时焦斑强度最大，其满足ksp(w+h+r)＝π，式中
ε1表示金属铬的介电常数的实部-8.5734，ε2表示金属铬周围介质的介电常数1；
(7)若凹槽环带的宽度不变设为w＝50nm，调制其深度h为10～40nm，焦斑强度的调制图如图4所示；h＝30nm时焦斑强度最大。
(8)若凹槽环带的宽度设为w＝50nm，深度为h＝25nm，调制其位置即内环半径r为60～340nm，焦斑强度的变化图如图5所示；在r1＝100nm和r2＝260nm处均出现极大值，其距离ksp(r2-r1)＝0.93π≈π。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
Claims (9)
1.一种用于光刻的高效超分辨聚焦器件制备方法，其特征在于：该方法包括下列步骤：
步骤(1)选择入射光的工作波长λ，根据其波长选择可以透光的基底材料；在基底表面蒸镀或溅射沉积厚度为d的金属膜，入射光垂直于金属膜上表面入射；取垂直穿过金属膜中心的轴为z轴，假设z轴与金属膜上表面相交位置为坐标原点，在金属膜上表面取过原点的某方向为x轴方向，确定x轴正方向及y轴方向；
步骤(2)根据工作波长λ选择合适的金属薄膜与介质薄膜材料，设计菲涅尔各级波带半径；
步骤(3)选择凹槽环带的位置即内环半径r，其要使凹槽激发的表面等离子体波能够与菲涅尔波带透过的光很好的耦合；
步骤(4)凹槽环带的宽度w与深度h可以进行一定范围的调制，以达到不同聚焦强度的焦斑；
步骤(5)凹槽环带的排列方向可以有所选择，从而对入射光的偏振态有着不同的响应；
步骤(6)根据上述设计所得的奇数级或者偶数级菲涅尔波带位置及宽度，凹槽位置及宽度，利用现有加工技术进行制作，获得包含奇数或偶数级菲涅尔波带环形条缝和凹槽的金属掩膜；
步骤(7)在金属掩膜后表面交替蒸镀或溅射沉积纳米厚度的金属和介质多层膜结构以支持超衍射传输达到超分辨效果，沉积多层膜的总厚度为设定的超衍射聚焦结构透镜的焦距f；
步骤(8)在多层膜结构后涂布一层纳米厚度的光刻胶及沉积一层反射金属层，获得一种焦斑强度可调的超分辨聚焦器件。
2.根据权利要求1所述的一种用于光刻的高效超分辨聚焦器件制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的可以透光的基底材料的可以为石英或二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的一种用于光刻的高效超分辨聚焦器件制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的入射光的偏振模式可以为由金属掩膜上凹槽的排列方式所决定为某一方向的线偏振光或者圆偏振光。
4.根据权利要求1所述的一种用于光刻的高效超分辨聚焦器件制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的金属膜的厚度d为50纳米～200纳米，金属膜材料为能够激发表面等离子体的金属金、银、铜或铬。
5.根据权利要求1所述的一种用于光刻的高效超分辨聚焦器件制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的金属薄膜可取银、铜或金，介质薄膜可取三氧化二铝、二氧化硅或碳化硅。
6.根据权利要求1所述的一种用于光刻的高效超分辨聚焦器件制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的凹槽环带的内半径与菲涅尔各级环带的半径有关，要使得凹槽激发的表面等离子体波能够很好的与菲涅尔环带条缝透射的光耦合，通过调制凹槽环带的内半径即位置可以得到不同强度的聚焦焦斑。
7.根据权利要求1所述的一种用于光刻的高效超分辨聚焦器件制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中的凹槽环带的宽度为10纳米到1000纳米。
8.根据权利要求1所述的一种用于光刻的高效超分辨聚焦器件制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中的凹槽环带的深度不大于金属掩膜的厚度。
9.根据权利要求1所述的一种用于光刻的高效超分辨聚焦器件制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中凹槽环带的排列方式可以为单向排列，包括仅在横向排布或纵向排布。
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