CN105824228B - 一种基于表面等离子体耦合结构的全息成像膜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于表面等离子体耦合结构的全息成像膜。采用电子束光刻，制备非对称的纳米结构层。该纳米加工技术采用Bosch工艺反应离子刻蚀工艺，利用SF6进行刻蚀，用C4F6生成聚合物，刻蚀钝化交替，其横向钻蚀形成扇贝状的侧壁形貌，最终获得介质纳米柱，在垂直于衬底方向沉积金属薄膜，获得“金属纳米结构‑金属薄膜”耦合结构。该亚波长尺度耦合结构超材料在可见光光谱中表现出谐波共振和暗场激发等离子共振模式，产生多共振峰窄带共振，非对称的上层纳米结构使得反射阵列对不同入射场具有灵敏的色彩响应和高反射率，因此反射阵列能够应用于彩色全息成像的全息成像膜，可实时再现物体真实的三维图像的记录和再现，真正的空间成像、色彩鲜艳，对比度，清晰度高在商品展示、影视制作、艺术创作等领域有重要应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及纳米加工制造技术，表面等离子体光子学，物理光学成像技术，特别涉及一种基于表面等离子体耦合共振效应的反射阵列超材料，及其在全真彩色全息成像技术中的独特应用。
背景技术
三维(3D)显示技术分为两种：一种是利用人眼的视差特性产生立体感；另一种则是在空间显示真实的3D立体影像，如基于全息影像技术的立体成像。全息图采用激光作为照明光源，利用两束相干激光，首先激光光束1在暗室中的照射物体，同时物体向空间发射一束散射激光波称为物体反射激光波，另外激光光束2向空间发出一束散射激光波称为相干激光波，反射激光波对相干激光波进行调制共同入射到全息成像膜，感光底片上各点的感光程度随两束光的强度、相位关系而不同，所以全息图像可以记录物体上的反光强度和相位信息。全息图图像细腻生动包含信息丰富，使全息三维显示技术在空间显示、广告宣传、文物、人像、标本、模型、实物图像、全真光学信息存储等方面的三维逼真空间显示前进了一大步，显示了全息图应用光辉灿烂的前景。
在二十世纪六十年代激光技术成熟之后，激光全息技术成为研究的热点取得了飞速的发展，因其极强的信息承载能力特点，该技术也受到了人们极大的关注。激光全息术在艺术设计、工业生产、生活消费等领域已发挥重要应用，如在人像摄影、图像三维显示、模压印刷、全息集邮等领域得到了成功的运用，但其发展还是缓慢的。其主要原因在于传统的全息摄影技术依赖光致抗蚀剂专用感光材料，本质上属于非实时性的光学处理技术，操作步骤繁琐复杂，限制了它的进一步发展。另一方面由于全息图的彩色难以调节，成像依赖于感光材料而材料本身的光湮灭和读出误差易造成一定程度的图像失真且图像数据读取过程繁琐、不易进行实时成像的局限性等，妨碍了三维显示全息技术的进一步发展和市场化。真彩色、实时成像、大景深反射全息图，将有利于推动了三维显示全息图的进一步发展和市场化。而纳米制造技术与等离子光子学的结合为这一挑战带来了理想解决方案。
发明内容
为了解决现如今三维成像中难以真彩色、实时的三维全息成像的技术困难，本发明提供了一种全息成像反射阵列，利用多层超材料(反射阵列)实现全真彩色、宽可视角、宽波段、高效的三维全息图像。本发明技术特点：(1)创新性利用电子束曝光与等离子体刻蚀工艺中的扇贝效应，获得纳米尺度的三维多层结构反射阵列。(2)多层超材料反射阵列，其单一功能单元“上层金属纳米结构-纳米金属涂层绝缘纳米柱-下层金属薄膜”，见附图1，在可见光的照射下会激发表面等离激元耦合共振模式，提高许多非线性光学过程的效率，获得多共振峰激发，能够有效将非传播倏逝场转换为远场传播，提高反射效率；(3)反射阵列的表面等离子体共振响应波长范围400-780nm，具有入射场敏感性(包括方向、强度)，白光入射可激发出丰富的色彩，作为全息成像膜接收和调制物体反射光和相干激光，反射膜各点感光记录光强和相位信息，并向空间反射重构真实三维图像。
在上述的技术方案中，制备该全息成像反射阵列的关键多层结构“金属纳米结构阵列-金属涂层介质纳米柱-金属薄膜”可以包括以下具体步骤：
(1)图形转移：设计的版图经电子束光刻显影后，通过刻蚀将图形转移到基底，基底材料可选用如单晶硅、多晶硅、无定形氮化硅、无定形氧化硅等甚至一些金属材料；
(2)介质纳米柱：利用各向同性刻蚀或深反应离子刻蚀技术的扇贝效应，获得支撑上层纳米结构的绝缘介质纳米柱；
(3)金属-介质-金属结构：沉积金属获得“上层金属纳米结构-纳米金属涂层绝缘纳米柱-下层金属薄膜”。
本发明的优点在于：1、本发明创新的设计“金属涂层绝缘介质纳米柱支撑的纳米结构-金属薄膜”反射阵列，实现共振耦合；2、超材料是金属纳米涂层绝缘纳米柱支持的金属纳米结构，其中结构特征尺寸为亚波长。该结构在可见光范围实现多峰窄带共振和高的场增强；3、该表面等离子体耦合结构的特殊光学效应决定了全息反射阵列可实现宽度波段，宽角度，真彩色的三维成像；4、本发明可通过设计不同的结构形貌，制作不同色彩灵敏度的反射阵列，并且其高反射率，能够高效实现图像的全真彩色三维重建。
附图说明
图1是基于表面等离子体耦合共振效应的表面等离子体耦合结构反射阵列结构示意图。
图2是本发明衬底上沉积的“掩模层”(如氧化硅、氮化硅、金属层等)电子束在光刻胶表面扫描得到需要的预设图案的抗蚀剂纳米结构示意图；其中1为电子束抗蚀剂，2为掩模层，3为衬底。
图3是将曝光的图形进行显影，然后去除未曝光的部分；刻蚀掩模层后去胶在衬底上形成“图形化的掩模层”结构示意图。4为图形化的掩模层。
图4是本发明使用基于Bosch开发的工艺刻蚀掩模，刻蚀与钝化交替进行，用SF6进行刻蚀，用C4F6生成聚合物形成侧壁保护层，利用刻蚀钝化周期的控制得到纳米级扇贝形貌的侧壁，并经过绝缘化后在衬底上形成绝缘介质纳米柱示意图。5为绝缘介质纳米柱。
图5是本发明在形成的图形化纳米级结构上沉积金属形成“阵列化的金属纳米结构-介质纳米柱-金属薄膜”的示意图；其中，6为金属材料(如金、银、铝等)。
图6为实施图1-图5步骤所制备的基于表面等离子体耦合共振效应的全息成像膜的全息成像图像重建过程示意图。
图面说明
1、电子束抗蚀剂 2、掩模层 3、衬底
4、绝缘介质纳米柱 5、沉积的金属材料
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进行详细的描述。
本发明利用传统微电子工艺的体硅深反应离子刻蚀过程中，刻蚀钝化交替过程中横向钻蚀的纳米级扇贝侧壁形貌，刻蚀速率大于钝化周期，控制参数得到纳米级介质纳米柱，金属沉积最终形成“阵列化金属纳米结构-介质纳米柱-金属薄膜”双层超材料反射阵列。
实施例一：
(1)热氧化钝化层：在硅(Si)衬底1的表面利用热氧化生长厚SiO2作为钝化层。
(2)光刻图形化：以AR-N7520.18负性光刻胶为例，在5000转每秒的转速下旋涂厚度为100nm的，在85℃烘箱中前烘5分钟，采用NanoBeam电子束刻蚀系统以80kV加速电压对光刻胶曝光，在四甲基氢氧化铵(TMAH)显影液中显影1分钟之后用去离子水冲洗，获得图像化的纳米结构阵列；
(3)绝缘介质纳米柱形成：以氧化硅为掩模，用反应离子刻蚀机对硅衬底进行刻蚀，刻蚀机功率400W，SF6和C4F8流速分别为40和90sccm/min，刻蚀时间50秒，用SF6作为刻蚀气体，C4F6作为聚合物产生气体，刻蚀与聚合物产生交替进行，刻蚀速率对于钝化时间横向钻蚀使得侧壁产生扇贝形貌形成高度为百纳米级的纳米柱，热氧化后形成绝缘介质纳米柱子；
(4)耦合结构的金属化：对纳米柱支撑的阵列化纳米结构衬底沉积30nm金属获得纳米结构-金属薄膜耦合结构，该结构作为反射阵列应用于全息成像膜。其形貌特征由图1给出。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。
本发明的纳米光学结构加工工艺是基于现有微电子制造技术，简单方便，可有足够的控制精度并能加工得到亚波长纳米结构，使结构在可见光范围具有非线性光学效应，有望在显示成像应用领域发挥重要应用价值。
Claims (4)
1.一种基于表面等离子体耦合结构的全息成像膜，其特征在于，包括：基于上层图形化金属纳米结构、中间介质层以及下层金属薄膜的表面等离子体耦合多层结构，并且上层图形化金属纳米结构以及中间介质层的尺寸大小、周期均在400-800nm尺寸，可实现在可见光波长下的暗场共振模式及多重谐波共振模式，获得高反射率的多共振光谱，该成像膜在不同光强度及角度下产生不同色彩因此作为全息成像反射膜可代替传统感光胶膜，实现彩色全息成像。
2.根据权利要求1所述的成像膜，其特征在于：所述的“表面等离子体耦合多层结构”功能结构为上层亚波长金属纳米结构阵列-纳米金属涂层绝缘纳米柱-下层金属薄膜耦合结构。
3.根据权利要求1所述的成像膜，其特征在于：所述耦合结构特点是：亚波长特征尺寸、周期性，该结构具有纳米级光场能量限定，具有表面等离子体共振耦合效应，能够高效激发非线性光学效应实现高局域场增强及远场传播，从而具有高反射率，宽色域变化的特性。
4.根据权利要求1所述的成像膜，其特征在于：该结构能够激发局域表面等离子体共振，结构形状的设计为非对称的结构最终使得的耦合结构对不同入射光的相位光强敏感，从而记录各个方向的光强和相位信息，并向空间反射重构真是三维图像，实现全真的彩色三维全息成像。
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