CN105372735B - 三维金属光栅的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种三维金属光栅的制作方法，包括步骤：在外延片上形成间隔排列的多个挡体；在所述挡体之间形成三维金属结构；将所述挡体剥离去除，以在所述外延片上形成三维金属光栅。本发明利用表面等离子体激元将能量束缚在金属表面，在近场范围内可以增强平行于量子阱材料生长方向上的电场强度，并采用热蒸发的原理来制备三维金属光栅，从而提高多量子阱对光的耦合效率，提高红外探测器的探测灵敏度，进而促进红外探测器系统向小型化、便携式和高灵敏兼具的目标发展。
Description
技术领域
本发明属于微纳加工及光电传感器领域，具体地讲，涉及一种三维金属光栅的制作方法。
背景技术
量子阱红外探测器(QuantumWell InfraredPhotodetector，简称QWIP)可以通过改变势阱宽度和势垒高度对带隙宽度进行人工裁剪，实现响应波长的可控，其在国防探测、矿物资源探测、森林防火、工业监控及医疗卫生等领域有广泛的应用前景，成为近年来红外探测器领域研究的热点。
然而，根据量子阱子带跃迁选择定则的限制，垂直于量子阱材料的入射光子不能激发QWIP量子阱中的基态电子跃迁，只有通过一定角度的入射或耦合方式才能吸收响应波段的红外辐射。因此，目前利用表面周期性结构来引入额外的波矢，以改变入射光在介质中传播的波矢，使入射光与表面等离子体波的波矢相匹配，满足动量守恒定律，实现入射光波与表面等离子体激元的能量耦合，能量的局域增强作用。传统的光耦合方式一般采用45°斜面的方法，使入射光线平行于量子阱生长方向入射，经过45°斜面的折射产生平行于量子阱生长方向的电矢量。相比于直接入射的方法，耦合效率提高不少，但是这样的方法会牺牲部分量子阱。
另外，传统的表面周期性结构采用的是二维结构光栅，入射光通过反射和衍射来实现光吸收，光只在量子阱层中通过两次吸收路径，因此二维光栅的光吸收效率仍然不高。近年来随着GaN/AlGaN多量子阱红外探测器的发展，由于受到GaN/AlGaN多量子阱材料体系极化和缺陷的限制，电子跃迁和输运几率较低，传统的二维光栅的耦合效率已经显示一定的局限性，对于更高耦合效率的光栅的需求更加迫切。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种三维金属光栅的制作方法，包括步骤：在外延片上形成间隔排列的多个挡体；在所述挡体之间形成三维金属结构；将所述挡体剥离去除，以在所述外延片上形成三维金属光栅。
进一步地，所述多个挡体等间隔排列。
进一步地，所述“在衬底上形成预定间隔排列的多个挡体”具体包括步骤：在外延片上涂覆第一光刻胶层；在所述第一光刻胶层上涂覆第二光刻胶层；对所述第二光刻胶层和所述第一光刻胶层进行曝光、显影，以形成间隔排列的多个挡体；其中，所述挡体包括未被曝光、显影的第二光刻胶层的部分及未被曝光、显影的第一光刻胶层的部分。
进一步地，在所述挡体中，所述未被曝光、显影的第二光刻胶层的部分的宽度大于所述未被曝光、显影的第一光刻胶层的部分的宽度。
进一步地，在步骤“在所述第一光刻胶层上涂覆第二光刻胶层”之前，以预定温度对所述第一光刻胶层进行烘干。
进一步地，在步骤“在外延片上涂覆第一光刻胶层”之前，在外延片上涂覆增粘剂。
进一步地，所述第一光刻胶层采用LOR10A光刻胶，所述第二光刻胶层采用正性光刻胶材料。
进一步地，所述“将所述挡体剥离去除”具体包括：利用丙酮溶液将所述挡体的未被曝光、显影的第二光刻胶层的部分去除剥离；利用乙醇及去离子水对去除掉未被曝光、显影的第二光刻胶层的部分的挡体进行清洗；利用正性光刻胶显影液将所述挡体的未被曝光、显影的第一光刻胶层的部分去除剥离。
进一步地，所述挡体的高度大于所述三维金属结构的高度。
本发明利用表面等离子体激元将能量束缚在金属表面，在近场范围内可以增强平行于量子阱材料生长方向上的的电场强度，设计三维结构的量子阱红外探测器光栅，并采用热蒸发的原理来制备三维金属光栅，从而提高多量子阱对光的耦合效率，提高红外探测器的探测灵敏度，进而促进红外探测器系统向小型化、便携式和高灵敏兼具的目标发展。
附图说明
通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：
图1是根据本发明的实施例的三维金属光栅的制作方法的流程图；
图2是根据本发明的实施例的制作三维金属光栅的结构示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。
图1是根据本发明的实施例的三维金属光栅的制作方法的流程图。图2是根据本发明的实施例的制作三维金属光栅的结构示意图。
参照图1，在步骤110中，在外延片10上形成间隔排列的多个挡体20。该步骤的具体方法请参照图2中(a)图、(b)图和(c)图。外延片10可为蓝宝石基底的氮化镓(GaN)外延片，但本发明并不限制于此。此外，在本实施例中，优选的，多个挡体20等间隔排列。
步骤110的具体方法为：
在图2的(a)图中，在外延片10上涂覆第一光刻胶层21。在本实施例中，第一光刻胶层21可为LOR10A光刻胶，其厚度可约为1.2微米。此外，在涂覆第一光刻胶层21之前，在外延片10上采用高温蒸汽涂覆六甲基二硅胺(HMDS)粘结剂，以增加外延片10与第一光刻胶层21的粘结力。另外，在外延片10上涂覆第一光刻胶层21之后，要对涂覆的第一光刻胶层21进行烘干，这里，由于烘干温度决定第一光刻胶层21在显影液中的显影速率，即，烘干温度越高第一光刻胶层21在显影液中的显影速率越慢，所以在本实施例中，采用烘干温度为140度、烘干时间120秒对第一光刻胶层21进行烘干。
在图2的(b)图中，在第一光刻胶层21上涂覆第二光刻胶层22。为了利于之后的光刻工艺，第二光刻胶层22一般选择分辨率较高的I线(365nm)光刻胶，在本实施例中，第二光刻胶层22可为正性光刻胶材料(例如，AZ5214光刻胶)，其厚度可约为1.7微米。这样，第一光刻胶层21的厚度与第二光刻胶层22的厚度之和大于将要形成的三维金属结构的高度。
在图2的(c)图中，对第二光刻胶层22和第一光刻胶层21进行曝光、显影，并将经曝光、显影的第二光刻胶层22的部分和第一光刻胶层21的部分去除，以形成间隔排列的多个挡体20。这里，该多个挡体20等间隔排列。每个挡体20包括第一光刻胶层21的未被曝光、显影的部分以及第二光刻胶层22的未被曝光、显影的部分。在每个挡体20中，第二光刻胶层22的未被曝光、显影的部分的宽度大于第一光刻胶层21的未被曝光、显影的部分，以使每个挡体20形成倒檐结构。此外，第一光刻胶层21与第二光刻胶层22之间不会互溶。
在步骤120中，在挡体20之间形成三维金属结构30。具体请参照图2中(d)图，采用热蒸发蒸镀金属，具体为利用热蒸发的原理来制备三维金属结构30。金属原子在通过热运动沉积到外延片10上时，由于原子间的相互碰撞和外延片10上挡体20的作用，使得金属原子并不是均匀的沉积到具有挡体20的外延片10的表面上，而是形成像透镜式的形状。同时，沉积在挡体20上的金属原子层也在无挡体20区域逐渐收缩，并最终可以在合适的尺寸设计下并拢闭合，在闭合区的下方形成三维锥形金属结构30。此外，金属材料的选择需根据金属对不同波段的光的反射率来选择，例如，针对红外波段，金属材料可以选择金(Au)、银(Ag)、铝(Al)等多种金属材料。
在步骤130中，将挡体20剥离去除，以在外延片10上形成三维金属光栅。应当理解的是，本实施例的三维金属光栅由等间隔排列的多个三维金属结构30形成，具体请参照图2中(e)图。
此外，在步骤130中，将挡体20剥离去除的具体方法为：
首先，利用丙酮溶液将挡体20的第二光刻胶层22的未被曝光、显影的部分去除剥离；其次，利用乙醇及去离子水对去除掉第二光刻胶层22的未被曝光、显影的部分的挡体20进行清洗；接着，利用预定浓度的正性光刻胶显影液(例如浓度为2.38％的氢氧化四甲铵溶液)将挡体20的第一光刻胶层的未被曝光、显影的部分去除剥离；最后，利用去离子水对外延片10及其上的三维金属光栅进行清洗，并用氮气枪吹干。
综上所述，根据本发明的实施例的三维金属光栅的制作方法，利用表面等离子体激元将能量束缚在金属表面，在近场范围内可以增强平行于量子阱材料生长方向上的的电场强度，设计三维结构的量子阱红外探测器光栅，并采用热蒸发的原理来制备三维金属光栅，从而提高多量子阱对光的耦合效率，提高红外探测器的探测灵敏度，进而促进红外探测器系统向小型化、便携式和高灵敏兼具的目标发展。
虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。
Claims (8)
1.一种三维金属光栅的制作方法，其特征在于，包括步骤：
在外延片上形成间隔排列的多个挡体；
在所述挡体之间形成三维金属结构；
将所述挡体剥离去除，以在所述外延片上形成三维金属光栅；
所述“在外延片上形成间隔排列的多个挡体”具体包括步骤：
在外延片上涂覆第一光刻胶层；
在所述第一光刻胶层上涂覆第二光刻胶层；
对所述第二光刻胶层和所述第一光刻胶层进行曝光、显影，以形成间隔排列的多个挡体；
其中，所述挡体包括未被曝光、显影的第二光刻胶层的部分及未被曝光、显影的第一光刻胶层的部分。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述多个挡体等间隔排列。
3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，在所述挡体中，所述未被曝光、显影的第二光刻胶层的部分的宽度大于所述未被曝光、显影的第一光刻胶层的部分的宽度。
4.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，在步骤“在所述第一光刻胶层上涂覆第二光刻胶层”之前，以预定温度对所述第一光刻胶层进行烘干。
5.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，在步骤“在外延片上涂覆第一光刻胶层”之前，在外延片上涂覆增粘剂。
6.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述第一光刻胶层采用LOR10A光刻胶，所述第二光刻胶层采用正性光刻胶材料。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述“将所述挡体剥离去除”具体包括：
利用丙酮溶液将所述挡体的未被曝光、显影的第二光刻胶层的部分去除剥离；
利用乙醇及去离子水对去除掉未被曝光、显影的第二光刻胶层的部分的挡体进行清洗；
利用预定浓度的正性光刻胶显影液将所述挡体的未被曝光、显影的第一光刻胶层的部分去除剥离。
8.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述挡体的高度大于所述三维金属结构的高度。
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