CN103345009B - 表面等离子体透镜的批量化制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新的表面等离子体透镜的批量化制备方法，属于微/纳光子器件领域。该方法首先在基底旋涂纳米球排列形成的单层自组装结构；对纳米球的直径进行调整后，淀积第一层金属薄膜，去除基底上的纳米球及金属薄膜后，得到完全由纳米孔组成的结构阵列；旋涂光刻胶并图形化得到圆形凸台，以此定义透镜孔径以及透镜阵列的排布形式；淀积第二层金属薄膜；去除光刻胶及金属薄膜，得到最终的表面等离子体透镜。本方法采用基于旋涂法的纳米球光刻技术，具备圆片级的加工能力，可与标准的微/纳加工工艺集成，极大提高工艺效率、缩减工艺成本；同时，组成透镜的纳米孔尺寸可通过调整纳米球直径来控制，进而对器件的透过率实现调制。

Description

表面等离子体透镜的批量化制备方法

技术领域

本发明属于微/纳光子器件领域，主要涉及微/纳加工技术、自组装技术、亚波长尺度光学技术等。

现有技术

随着纳米加工技术、数值建模与仿真技术、纳米尺度光学表征技术等的不断成熟，表面等离子体光子学（Plasmonics）在过去十几年得到了爆炸式发展，逐渐形成一门新兴学科，在超衍射极限成像及光刻、超灵敏生化检测、超材料隐形、单芯片光通信组件、高效能源利用、生物医疗等等领域已展现出良好的应用前景（Nature,2003,424:824;Sci.Am.,2007,296:56.）。

表面等离子体透镜（plasmonic lens）作为一种典型的表面等离子体纳光子器件，利用金属材料在某些波段具有负折射系数的特性，能够放大衰逝波（携带物体的细部特征信息）或将其转变为传播波，从而可以克服传统的衍射极限，实现超分辨率成像（Phys.Rev.Lett.,2000,85:3966;Science,2005,308:534;Science,2007,315:1686.）。此外，由于该类透镜通常具有平面薄膜结构，而金属薄膜一般采用物理气相沉积的方法制备，与标准的半导体制造工艺完全兼容，因此为实现片上光学系统提供了可能。然而，平面薄膜式的表面等离子体透镜没有工作距离（定义为透镜平面到其焦平面的距离），因此只能工作于距离透镜仅数十纳米的空间，从而限制了实际应用。纳米结构式的表面等离子体透镜能较好地解决这一问题，实现显著的远场光学聚焦。

纵观现有的纳米结构式表面等离子体透镜，基于变尺寸纳米结构阵列构建透镜的方法被大量采用，其中，宽度（Nano Lett.,2009,9:235.）、深度（Appl.Phys.Lett.,2004,85:642.）、周期（J.Mod.Opt.,2009,56:1550.）等是主要的结构设计参数。结构参数的设计多样性赋予了该类透镜在聚焦性能上的高度可控性。然而，变尺寸的结构单元决定了该类透镜在制造时需要借助诸如聚焦离子束刻蚀、电子束曝光等可定义任意图形的纳米加工技术，但这些技术属于串行工艺，工艺效率低、工艺成本很高，不利于透镜的产业化发展。

美国西北大学的Odom研究组基于光学干涉原理，利用周期性亚波长的金纳米孔阵列研制了一种表面等离子体透镜（Nano Lett.,2010,10:4111.），并实验观察到器件在相当宽波段范围内具有明显的聚焦效应。该透镜的焦距主要取决于工作波长以及器件的整体尺寸。同时，研究人员采用激光干涉式光刻以及纳米压印等技术实现了透镜的批量化制备。但是，通过激光干涉式光刻制作的透镜母模的面积一般是有限的，通常只有数个平方厘米；另外，由于拔模等工艺过程中存在的缺陷，透镜边缘处的纳米孔尺寸要明显小于中心处的纳米孔，导致实际的焦距要小于设计值。

近年来，基于旋涂法的纳米球光刻技术由于实验设备简单、加工成本低廉、工艺效率高、具备圆片级（4英寸甚至更大）纳米加工能力以及可与标准的微/纳加工工艺集成等显著优点逐渐受到大家的关注（J.Mater.Chem.,2010,20:5025;Nanotechnol.,2010,21:205301.）。利用自组装技术，它可以在4英寸基底上形成单层或多层紧密排列的纳米球自组装结构，随后将其作为剥离或刻蚀掩膜，将相邻纳米球之间的周期性结构间隙复制到特定的结构材料中；借助干法或湿法刻蚀技术还可以调整纳米球的直径，从而极大增加了器件的设计灵活性。该技术已被应用于各种周期性纳米点、纳米孔、纳米柱、纳米圆盘等结构的制备。

发明内容

本发明的目的是：为了实现Odom研究组提出的纳米结构式表面等离子体透镜的批量化制备，并克服现有技术中存在的加工面积有限、构成透镜的纳米孔结构尺寸不一致等问题，本发明基于旋涂法的纳米球光刻技术，提出了一种新的针对该透镜的批量化制备方法。

本发明的技术方案：本发明针对的表面等离子体透镜的基本结构及其工作原理参阅图1。器件主要由基底1、金属薄膜2以及在金属薄膜2上加工的周期性分布的纳米孔3组成，其中图1(a)为器件的三维示意图，图1(b)为器件在A-A方向上的横截面及其工作原理图。纳米孔3的结构阵列近似排布成一个直径为Ф的圆，它即为透镜孔径。基底1为整个器件提供机械支撑。对于特定的工作波长λ，基底1具有良好的透过率。金属薄膜2在给定的工作波长λ处具有负的折射系数。由于纳米孔3的周期是亚波长的，因此除了零级以外的其他高级次衍射级将被全部抑制。当入射平面波4从基底1的一侧入射时，将在另一侧观察到明显的光学聚焦特性，形成的焦点5与透镜表面的距离f即为焦距，其大小可由公式（0.5Ф）²/λ计算得到。由于表面等离子体激元（surface plasmons,SPs）的存在，透镜在某些共振波长处具有显著的透射增强效应，其透过率可通过调整纳米孔3的直径以及周期来控制。

参阅图2，本发明提出的第一种用于表面等离子体透镜的批量化制备方法，主要包括如下基本的工艺步骤：

步骤1：参阅图2(a)，采用旋涂法，在基底1的上表面制作得到由纳米球10紧密排列形成的单层自组装结构。基底1可以为玻璃、硅、蓝宝石等材料，需根据具体应用进行选择；纳米球10可以为聚苯乙烯、二氧化硅、金属等各种材质。

步骤2：参阅图2(b)，采用干法或湿法刻蚀技术，对纳米球10的直径进行调整，具体选用哪种技术与纳米球10的材质有关。

步骤3：参阅图2(c)，在整个基底1以及纳米球10的上表面淀积一定厚度的第一层金属薄膜11，用来形成纳米孔3。第一层金属薄膜11可以为金、银、铝、铜等材质，需要满足在要求的工作波长处具有负的折射系数。

步骤4：参阅图2(d)，采用微/纳加工技术去除基底1上的纳米球10及其表面的第一层金属薄膜11，得到完全由纳米孔3组成的结构阵列。

步骤5：参阅图2(e)，旋涂光刻胶12并图形化，得到圆形凸台，以此定义透镜孔径以及透镜阵列的排布形式。

步骤6：参阅图2(f)，淀积一定厚度的第二层金属薄膜13，用来形成光学阻挡层。

步骤7：参阅图2(g)，采用微/纳加工技术去除光刻胶12及其表面的第二层金属薄膜13，得到最终的表面等离子体透镜及其阵列，其孔径Ф由光刻胶12形成的圆形凸台决定。

参阅图3，本发明提出的第二种用于表面等离子体透镜的批量化制备方法，主要包括如下基本的工艺步骤：

步骤1：参阅图3(a)，在基底1的上表面旋涂光刻胶12并图形化，得到圆形凸台，以此定义透镜孔径以及透镜阵列的排布形式。基底1可以为玻璃、硅、蓝宝石等材料，需根据具体应用进行选择。

步骤2：参阅图3(b)，淀积一定厚度的第一层金属薄膜11，用来形成光学阻挡层。

步骤3：参阅图3(c)，采用微/纳加工技术去除光刻胶12及其表面的第一层金属薄膜11，得到表面等离子体透镜器件的外围边框，其孔径Ф由光刻胶12形成的圆形凸台决定。

步骤4：参阅图3(d)，采用旋涂法，在基底1以及第一层金属薄膜11的上表面制作得到由纳米球10紧密排列形成的单层自组装结构。纳米球10可以为聚苯乙烯、二氧化硅、金属等各种材质。

步骤5：参阅图3(e)，采用干法或湿法刻蚀技术，对纳米球10的直径进行调整，具体选用哪种技术与纳米球10的材质有关。

步骤6：参阅图3(f)，在整个基底1、第一层金属薄膜11以及纳米球10的上表面淀积一定厚度的第二层金属薄膜13，用来形成纳米孔3。第二层金属薄膜13可以为金、银、铝、铜等材质，需要满足在要求的工作波长处具有负的折射系数。

步骤7：参阅图3(g)，采用微/纳加工技术完全去除纳米球10及其表面的第二层金属薄膜13，得到最终的表面等离子体透镜及其阵列。

本发明的有益效果：本发明提出的用于表面等离子体透镜的批量化制备方法，采用基于旋涂法的纳米球光刻技术，具备圆片级（4英寸甚至更大）的加工能力，可与标准的微/纳加工工艺集成，极大提高了工艺效率、缩减了工艺成本；同时，组成透镜的纳米孔尺寸可简单的通过调整纳米球直径来控制，进而对器件的透过率实现调制。本发明将促进表面等离子体透镜的实用化发展。

附图说明

图1表面等离子体透镜的基本结构及其工作原理图

图2第一种用于表面等离子体透镜的批量化制备方法

图3第二种用于表面等离子体透镜的批量化制备方法

其中：1.基底；2.金属薄膜；3.纳米孔；4.入射平面波；5.焦点；10.纳米球；11.第一层金属薄膜；12.光刻胶；13.第二层金属薄膜。

具体实施方式

实施例1

参阅图2，本实施例中用于表面等离子体透镜的批量化制备方法，主要包括如下基本的工艺步骤：

步骤1：参阅图2(a)，采用旋涂法，在玻璃基底1的上表面制作得到由直径为500nm的聚苯乙烯纳米球10紧密排列形成的单层自组装结构。

步骤2：参阅图2(b)，采用氧等离子干法刻蚀技术，对聚苯乙烯纳米球10的直径进行调整，使得纳米球10的直径变成250nm。

步骤3：参阅图2(c)，在整个玻璃基底1以及聚苯乙烯纳米球10的上表面淀积100nm厚的金膜，形成第一层金属薄膜11，用来形成纳米孔3。金膜在可见光波段具有负的折射系数。

步骤4：参阅图2(d)，采用丙酮去除玻璃基底1上的聚苯乙烯纳米球10及其表面的第一层金属薄膜11，得到完全由纳米孔3组成的结构阵列。

步骤5：参阅图2(e)，旋涂ma-N1420负性光刻胶12并图形化，得到直径为5μm的圆形凸台，以此定义透镜孔径以及透镜阵列的排布形式。

步骤6：参阅图2(f)，淀积100nm厚的金膜，形成第二层金属薄膜13，用来形成光学阻挡层。

步骤7：参阅图2(g)，采用丙酮去除光刻胶12及其表面的第二层金属薄膜13，得到最终的表面等离子体透镜及其阵列，其孔径Ф由光刻胶12形成的圆形凸台决定。

实施例2

参阅图3，本实施例中用于表面等离子体透镜的批量化制备方法，主要包括如下基本的工艺步骤：

步骤1：参阅图3(a)，在玻璃基底1的上表面旋涂ma-N1420负性光刻胶12并图形化，得到直径为8μm的圆形凸台，以此定义透镜孔径以及透镜阵列的排布形式。

步骤2：参阅图3(b)，淀积100nm厚的银膜，形成第一层金属薄膜11，用来形成光学阻挡层。

步骤3：参阅图3(c)，采用丙酮去除光刻胶12及其表面的第一层金属薄膜11，得到表面等离子体透镜器件的外围边框，其孔径Ф由光刻胶12形成的圆形凸台决定。

步骤4：参阅图3(d)，采用旋涂法，在玻璃基底1以及第一层金属薄膜11的上表面制作得到由直径为600nm的二氧化硅纳米球10紧密排列形成的单层自组装结构。

步骤5：参阅图3(e)，采用氢氟酸湿法腐蚀技术，对二氧化硅纳米球10的直径进行调整，使得纳米球10的直径变成300nm。

步骤6：参阅图3(f)，在整个玻璃基底1、第一层金属薄膜11以及二氧化硅纳米球10的上表面淀积100nm厚的银膜，形成第二层金属薄膜13，用来形成纳米孔3。银膜在可见光波段具有负的折射系数。

步骤7：参阅图3(g)，采用氢氟酸完全去除二氧化硅纳米球10及其表面的第二层金属薄膜13，得到最终的表面等离子体透镜及其阵列。

Claims (5)

1.一种用于表面等离子体透镜的批量化制备方法，主要包括如下基本的工艺步骤：

步骤1：在基底(1)的上表面旋涂光刻胶(12)并图形化，得到圆形凸台，以此定义透镜孔径以及透镜阵列的排布形式；

步骤2：淀积第一层金属薄膜(11)，用来形成光学阻挡层；

步骤3：去除光刻胶(12)及其表面的第一层金属薄膜(11)，得到表面等离子体透镜器件的外围边框，其孔径Ф由光刻胶(12)形成的圆形凸台决定；

步骤4：在基底(1)以及第一层金属薄膜(11)的上表面制作得到由纳米球(10)紧密排列形成的单层自组装结构；

步骤5：采用干法或湿法刻蚀技术，对纳米球(10)的直径进行调整；

步骤6：在整个基底1、第一层金属薄膜(11)以及纳米球(10)的上表面淀积第二层金属薄膜(13)，用来形成纳米孔(3)；

步骤7：完全去除纳米球(10)及其表面的第二层金属薄膜(13)，得到最终的表面等离子体透镜及其阵列。

2.一种如权利要求1所述的用于表面等离子体透镜的批量化制备方法，其特征在于，所述基底(1)的材料为玻璃、硅或蓝宝石。

3.一种如权利要求1所述的用于表面等离子体透镜的批量化制备方法，其特征在于，所述纳米球(10)的材质为聚苯乙烯、二氧化硅或金属。

4.一种如权利要求1所述的用于表面等离子体透镜的批量化制备方法，其特征在于，所述第一层金属薄膜(11)的材质为金、银、铝或铜。

5.一种如权利要求1所述的用于表面等离子体透镜的批量化制备方法，其特征在于，所述第二层金属薄膜(13)的材质为金、银、铝或铜。