CN103076646A - 一种纳米尺度超分辨光学聚焦器件的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种纳米尺度超分辨光学聚焦器件的制作方法，包括S1：选择入射光的工作波长选择能透光的基底；在表面蒸镀厚度为的金属膜，入射光垂直于金属膜的上表面入射；S2：根据工作波长选择金属薄膜与介质薄膜的材料，设计菲涅尔各级波带半径；S3：选择凹槽环带的位置即内环半径；步骤S4：根据焦斑强度需要调制凹槽环带的宽度与深度；S5：根据入射光偏振态选择凹槽环带的排列方向；S6：用加工技术获得菲涅尔波带环形条缝和凹槽的金属掩膜；S7：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，沉积多层膜的总厚度为透镜的焦距；S8：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，获得纳米尺度超分辨光学聚焦器件。

Description

一种纳米尺度超分辨光学聚焦器件的制作方法

技术领域

本发明涉及一种包含金属纳米圆孔或环带聚焦元件，特别涉及一种纳米尺度超分辨光学聚焦器件。

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，如超光栅(Hypergratings)是利用菲涅尔波带片的聚焦效果与多层纳米膜的超分辨特性得到很小的焦斑，但是其透过效率很低，焦斑强度很弱，且焦斑聚焦于多层膜内部。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：通过凹槽环带间表面等离子体波的耦合，增强纳米厚度交替金属和介质多层膜结构的透过效率，通过凹槽的半径变化及深度调制，能实现对焦斑强度控制；本发明的目的是一种纳米尺度超分辨光学聚焦器件制作方法。

本发明提供一种纳米尺度超分辨光学聚焦器件的制作方法，包括下列步骤：

步骤S1：选择入射光的工作波长，根据其波长选择能透光的基底的材料；在表面蒸镀金属膜，入射光垂直于金属膜的上表面入射；取垂直穿过金属膜的中心的轴为z轴，设z轴与金属膜的上表面相交位置为坐标原点，在金属膜的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S2：根据工作波长λ选择金属薄膜与介质薄膜的材料，设计菲涅尔各级波带半径；

步骤S3：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耦合；

步骤S4：调制凹槽环带的宽度与深度，用以达到不同聚焦强度的焦斑；

步骤S5：选择凹槽环带的排列方向，用于对入射光的偏振态有着不同的响应；

步骤S6：根据上述设计得到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，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S7：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；

步骤S8：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，获得纳米尺度超分辨光学聚焦器件。

本发明与现有技术相比所具有的优点是：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纳米尺度超分辨光学聚焦器件。由此本发明解决了超光栅透过效率很低，焦斑强度很弱的缺陷。

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。

本发明可以根据事先设定的透镜焦距来改变金属膜上菲涅尔环带的位置及大小以实现短焦距或长焦距的超衍射极限聚焦，通过凹槽的宽度、位置及深度来调制聚焦焦斑的强度，而且可以改变凹槽的排列方向来获得对不同偏振态的入射光的响应，同时本发明所设计的透镜结构简单，可以用于纳米光刻和数据存储，大量提高电子器件的集成度。

附图说明

图1a和图1b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为凹槽环带，2为金属膜，3为菲涅尔一级波带圆孔，4为介质薄膜，5为光刻胶，6、7为金属薄膜，8为基底。

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。

图2示出制成纳米尺度超分辨光学聚焦器件，图2中1为凹槽环带，2为金属膜，3为菲涅尔一级波带圆孔，4为介质薄膜，5为光刻胶，6、7为金属薄膜，8为基底。金属膜2、介质薄膜4、光刻胶5、金属薄膜6、7、基底8均为上下紧密排布。

本发明实施纳米尺度超分辨光学聚焦器件的制作方法，包括下列步骤：

步骤S1：选择入射光的工作波长λ，根据其波长选择能透光的基底8的材料；在表面蒸镀厚度为d的金属膜2，入射光垂直于金属膜2的上表面入射；取垂直穿过金属膜2的中心的轴为z轴，设z轴与金属膜2的上表面相交位置为坐标原点，在金属膜的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S2：根据工作波长λ选择金属薄膜6、7与介质薄膜4的材料，设计菲涅尔各级波带半径；

步骤S3：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耦合；

步骤S4：调制凹槽环带的宽度w与深度h，用以达到不同聚焦强度的焦斑；

步骤S5：选择凹槽环带的排列方向，用于对入射光的偏振态有着不同的响应；

步骤S6：根据上述设计得到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S7：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S8：在多层膜结构后蒸镀一层纳米厚度的光刻胶5及一层反射金属层，获得纳米尺度超分辨光学聚焦器件。

步骤S1中的基底8的材料为能透光的石英或二氧化硅。

步骤S1中所述工作波长的偏振模式由金属掩膜上凹槽的排列方式所决定，凹槽的排列方式为单向排列，则为垂直于排列方向的线偏振光，凹槽的排列方式为环形排列，则为圆偏振光。

步骤S1中的金属膜2的厚度d为五十纳米到一百多纳米，金属膜2是能够激发表面等离子体的金属金、银、铜、铬等材料中的一种。

步骤S2中的金属薄膜6、7是银、铜和金材料中的一种，介质薄膜4是三氧化二铝、二氧化硅或碳化硅材料中的一种。

步骤S3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与菲涅尔环带条缝间的位置，用于得到不同强度的聚焦焦斑。

步骤S4中的凹槽环带的宽度为几十纳米到几百纳米。

步骤S4中的凹槽环带的深度最大不超过金属掩膜的厚度。

步骤S5中凹槽环带的排列方式为单向排列，单向排列是横向排布或纵向排布，所述横向排布是用于对磁场横向偏振光入射的聚焦有增强效果，纵向排布是用于对磁场纵向偏振光入射的聚焦有增强效果。

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；

(2)选择二氧化硅作为基底8的材料，在其表面蒸镀50nm厚的金属铬；

(3)让入射光垂直于金属膜2上表面入射；取垂直穿过金属膜2的表面的轴为在z轴，假设z轴与金属膜2的上表面相交位置为坐标原点，在金属膜2的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。

(5)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半径分别为r_i＝0，菲涅尔一级波带外半径为r_o＝50nm；

(6)选择凹槽环带的内环半径r＝100nm，凹槽环带的内环深度h＝25nm，调制凹槽环带的宽度；

(7)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3和凹槽环带1的金属铬掩膜如图1a和图1b所示，在菲涅尔一级波带圆孔3两边分别有一定宽度的凹槽分布，呈横向分布(图1a)或纵向分布(图1b)；

(8)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，制成纳米尺度超分辨光学聚焦器件如图2所示。

(9)调制凹槽环带的宽度w为25nm～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k_sp(w+h+r)＝π，式中

$k_{\mathrm{sp}}=2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1{\mathrm{\ϵ}}_2}{{\mathrm{\ϵ}}_1{\mathrm{\ϵ}}_2}}/\mathrm{\λ},$

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；k_sp为金属铬表面等离子体波的波矢。

(10)若凹槽环带的宽度不变设为w＝50nm，调制其深度h为10nm～40nm，焦斑强度的调制图如图4所示；h＝30nm时焦斑强度最大。

(11)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60nm～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，且k_sp(r₂-r₁)＝0.93π≈π。若凹槽环带的内环半径选择为r₁或者r₂，焦斑强度就能得到增强。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (9)

1.一种纳米尺度超分辨光学聚焦器件的制作方法，其特征在于包括下列步骤：

步骤S1：选择入射光的工作波长λ，根据其波长选择能透光的基底的材料；在表面蒸镀金属膜，入射光垂直于金属膜的上表面入射；取垂直穿过金属膜的中心的轴为z轴，设z轴与金属膜的上表面相交位置为坐标原点，在金属膜的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S2：根据工作波长λ选择金属薄膜与介质薄膜的材料，设计菲涅尔各级波带半径；

步骤S3：选择凹槽环带的位置即内环半径，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耦合；

步骤S4：调制凹槽环带的宽度与深度，用以达到不同聚焦强度的焦斑；

步骤S5：选择凹槽环带的排列方向，用于对入射光的偏振态有着不同的响应；

步骤S6：根据上述设计得到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，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S7：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；

步骤S8：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，获得纳米尺度超分辨光学聚焦器件。

2.根据权利要求1所述纳米尺度超分辨光学聚焦器件的制作方法，其特征在于：步骤S1中的基底材料为能透光的石英或二氧化硅。

3.根据权利要求1所述纳米尺度超分辨光学聚焦器件的制作方法，其特征在于：步骤S1中所述工作波长的偏振模式由金属掩膜上凹槽的排列方式所决定，凹槽的排列方式为单向排列，则为垂直于排列方向的线偏振光，凹槽的排列方式为环形排列，则为圆偏振光。

4.根据权利要求1所述纳米尺度超分辨光学聚焦器件的制作方法，其特征在于：步骤S1中的金属膜的厚度为五十纳米到一百多纳米，金属膜是能够激发表面等离子体的金属金、银、铜、铬等材料中的一种。

5.根据权利要求1所述纳米尺度超分辨光学聚焦器件的制作方法，其特征在于：步骤S2中的金属薄膜是银、铜和金材料中的一种，介质薄膜是三氧化二铝、二氧化硅或碳化硅材料中的一种。

6.根据权利要求1所述纳米尺度超分辨光学聚焦器件的制作方法，其特征在于：步骤S3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与菲涅尔环带条缝间的位置，用于得到不同强度的聚焦焦斑。

7.根据权利要求1所述纳米尺度超分辨光学聚焦器件，其特征在于：步骤S4中的凹槽环带的宽度为几十纳米到几百纳米。

8.根据权利要求1所述纳米尺度超分辨光学聚焦器件的制作方法，其特征在于：步骤S4中的凹槽环带的深度最大不超过金属掩膜的厚度。

9.根据权利要求1所述纳米尺度超分辨光学聚焦器件的制作方法，其特征在于：步骤S5中凹槽环带的排列方式为单向排列，单向排列是在横向排布或纵向排布，所述横向排布是用于对磁场横向偏振光入射的聚焦有增强效果，纵向排布是用于对磁场纵向偏振光入射的聚焦有增强效果。

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