CN106292200B - 全息制作表面拉曼增强基底的方法与光刻系统 - Google Patents

全息制作表面拉曼增强基底的方法与光刻系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种制作表面拉曼增强基底的方法与光刻系统,利用两束相干光产生干涉,在光刻胶表面记录相干光的干涉条纹,通过控制两束光的角度,精密控制光栅的周期;再通过实时显影在光刻胶表面形成浮雕型的光栅;最后在光栅表面用镀膜设备镀一层表面增强拉曼散射金属活性层。解决了用简单的方法与设备来得到大面积周期性表面拉曼增强基底的技术难题。

Description

全息制作表面拉曼增强基底的方法与光刻系统
技术领域
本发明涉及光学加工领域,特别是涉及光谱学元件的制备方法及制作该光谱元件的装置。
背景技术
拉曼光谱是物质分子的“指纹”光谱,可以用来有效反映待测分子的结构特征信息的分析技术,但研究发现,经过散射后观察所得到的信号强度非常的弱,检测信号常常被淹没在噪声中,这一缺点曾经一度的限制了其在实际的检测分析方面的应用。Fleischmann等人于1974年对光滑银电极表面进行粗糙化处理后,首次获得吸附在银电极表面上单分子层吡啶分子的高质量的拉曼光谱。随后Van Duyne及其合作者通过系统的实验和计算发现吸附在粗糙银表面上的每个吡啶分子的拉曼散射信号与溶液相中的吡啶的拉曼散射信号相比,增强约6个数量级,指出这是一种与粗糙表面相关的表面增强效应,被称为表面增强拉曼光谱效应。
利用表面增强拉曼散射技术检测之时,基于基底金属表面的粗糙化的结构特征,其分子信号的增强效果非常明显,而且它在检测过程中所具有的对待测的物质的非破坏性及高效的优良性能,使得表面增强拉曼散射效应在发现以来得以应用于众多的科学领域。众所周知,增强基底的制备是获得较好拉曼光谱信号的关键;纳米线、纳米颗粒、树枝晶、纳米薄膜、纳米阵列、核.壳结构等都可以作为拉曼光谱增强基底。在近几年的研究发展中,拉曼增强基底的制备一直以来备受研究者的重视,高效稳定的拉曼增强基底对于分子检测的过程起着至关重要的作用;它往往需要具有一定规律有序的粗糙性结构才更能有利于测试过程中分子信号的增强。
制作表面拉曼增强基底最常用的方法是分子自组装法,氧化铝模板(AAO)制备法,贵金属溶胶制备法,电子束曝光制备法等。分子自组装法,较难制作出大面积的周期性排布的表面拉曼增强基底。氧化铝模板制备法制作表面拉曼增强基底工艺复杂,较难控制。贵金属溶胶制备法制作出的表面拉曼增强基底的增强活性与周期性差。电子束曝光制备法的设备成本高,制作时间较长,无法完成大面积的周期性微结构的基底。因此很有必要寻求一种新方法来制作大面积的周期性微结构的表面拉曼增强基底,来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于通过简单的方法与设备来得到大面积周期性的表面拉曼增强基底。根据本发明的目的提出了一种全息制作表面拉曼增强基底的方法,具体的制作步骤如下:
1)在洁净的光栅基片上旋涂光刻胶薄膜;
2)对光刻胶薄膜烘烤,坚膜;
3)在所述的光刻胶薄膜的正交方向上以二次曝光的方式全息干涉光刻;具体步骤为在光刻胶薄膜上完成第一次曝光后,将光栅基片旋转90°,进行第二次曝光,通过两次正交曝光的方式在光刻胶薄膜上记录二维全息干涉条纹;
4)对已曝光好的光栅进行实时显影,制作表面浮雕光刻胶光栅;
5)在光刻胶光栅表面用镀膜设备镀一层表面增强拉曼散射金属活性层。所述的表面增强拉曼散射金属活性层由金、银、铜、铁、钴、镍至少一种组成。理论上其他已知的非金属或者化合物能够起到拉曼散射活性增强作用的材料都可以使用。
上述技术方案中,步骤1)中,涂布的光刻胶薄膜,旋涂厚度180nm~220nm;步骤5)在光刻胶光栅上用镀膜设备镀一层厚度为180nm~220nm的表面增强拉曼散射金属活性层。
步骤2)光刻胶坚膜过程:在室温下将涂好光刻胶薄膜的光栅基片放入洁净烘箱中,平稳地加热至90℃左右,在此温度下停留1小时,最后将烘箱自然缓慢降至室温后取出已烘烤的光栅基片,干燥备用。
步骤3)采用两束相干光对光刻胶进行正交光刻,单光束强度为60lux~80lux,第一次曝光时间约为30s~40s,第二次曝光时间约为15s~20s;步骤4)对光刻胶进行实时显影,显影时间约为30s~40s,得到表面浮雕型的光刻胶光栅。
基于上述的表面拉曼增强基底的制作方法,本发明还提供一种全息制作表面拉曼增强基底的光刻系统。
一种全息制作表面拉曼增强基底的光刻系统,包括激光器、光线传播方向上依次设置的用于调整激光器发出光偏振态的四分之一波片、格兰偏振棱镜、光线经过格兰偏振棱镜后透射光路上设置的反射镜、用于将TM偏振光换成TE偏振光的半波片、光线经过格兰偏振棱镜后反射光路上设置的反射镜、设置于透射光路与反射光路相干处的涂有光刻胶薄膜的光栅基片;其中光线经过格兰偏振棱镜后的透射光为TM偏振光、光线经过格兰偏振棱镜后的反射光为TE偏振光。
上述技术方案中,为了得到更清晰的干涉条纹,旋转四分之一波片,使得两束光的光强一致,反射光和透射光关于光栅基片的中心线对称分布。
上述技术方案中,如果需要获得不同周期的光栅只需要在透射光路与反射光路的两块反射镜上设置用于控制光线入射角的同步反向旋转电机,实现一块反射镜旋转角度另一块反射镜同步反方向旋转相同的角度,根据公式λ=2dSinθ,其中λ是激光波长,d是光栅周期,θ是两束相干光的夹角的一半,控制两块反射镜同步反向旋转,精密控制两束相干光的夹角,从而精密控制光栅的周期。
上述技术方案中,为了便于在光刻胶薄膜的正交方向上以二次曝光的方式全息干涉光刻,还设置有用于装夹光栅基片的旋转曝光支架,其可旋转角度大于等于90度;第一次曝光结束后,控制旋转曝光支架旋转90°,进行第二次曝光,在光刻胶上记录二维全息干涉条纹。
上述技术方案中,采用记录激光波长为413.1nm,通过调整激光器的输入电流,控制单束光强为60~80lux。第一次曝光时间为30s~40s;第二次曝光时间为15s~20s。
由于上述技术方案运用,本发明与现有技术相比具有下列优点:
1.制作工艺简单,易于批量化生产。
2.容易精确控制拉曼增强基底的周期性结构;只需要通过控制同步反向运动电机就可以改变光栅的周期性结构。
制作具有一定规律有序排列的粗糙性结构是制作拉曼增强基底的关键步骤,本发明的技术方案利用了光线干涉条纹周期性分布并且条纹形状的可控特征,在光刻胶薄膜上,采用正交全息干涉光刻方案制作表面拉曼增强基底,在光刻胶薄膜上记录正交的干涉条纹,通过实时显影,形成表面浮雕型的光刻胶光栅,最后在光刻胶光栅上用镀膜设备镀表面增强拉曼散射金属活性层,得到二维金属活性层拉曼增强基底;通过控制两束相干光的夹角就可以精密控制光栅的周期,进而方便的获得不同周期结构的拉曼增强基底。成功解决了用简单的方法与设备来得到大面积周期性的表面拉曼增强基底的技术难题。
附图说明
图1全息制作表面拉曼增强基底的工艺流程;
图2全息制作表面拉曼增强基底的光刻系统;
图3显影光学系统示意图;
其中,1为四分之一波片;2为格兰偏振棱镜;3为反射镜;4为半波片;5为光栅基片;6为反射镜;7为同步反向旋转电机;8为同步反向旋转电机;9为旋转曝光支架;10为半导体激光器;11为显影槽;12为透镜;13为光电探测器。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明或现有的装置,下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
实施例一:一种全息制作表面拉曼增强的方法,如图1所示,包括以下几个制作步骤:
1)旋涂光刻胶薄膜:用无尘布和有机溶剂清洁光栅基片,启动涂布机自带抽真空设备在涂布开始前抽真空,控制涂布机的旋转速度,光刻胶薄膜的涂布厚度180nm;
2)烘烤坚膜:在室温下将涂好光刻胶薄膜的光栅基片放入洁净烘箱中,迅速平稳地加热至90℃左右,在此温度下停留1小时,最后将烘箱自然缓慢降至室温后取出已烘烤的光栅基片,干燥备用;
3)光刻胶薄膜的正交方向上以二次曝光的方式全息干涉光刻;如图2所示,激光器产生的激光经过四分之一波片1可以调节激光的偏振态,经过格兰偏振棱镜2分成两束偏振光,透射光为TM偏振光,反射光为TE偏振光,透射光经过半波片4转换成TE偏振光,产生两束相干光。反射光和透射光关于光栅基片5的中心线对称分布。通过旋转四分之一波片,使得两束光的光强一致,产生对比度最好的干涉条纹。反射镜3与反射镜4分别设置于同步反向旋转电机8与同步反向旋转电机7上,不同周期的光栅只需要控制两个反射镜同步反向旋转。根据公式λ=2dSinθ,其中λ是激光波长,d是光栅周期,θ是两束相干光的夹角的一半。控制两块反射镜同步反向旋转,精密控制两束相干光的夹角,从而精密控制光栅的周期。第一次曝光结束后,控制旋转曝光支架9旋转90°,进行第二次曝光,在光刻胶上记录二维全息干涉条纹。本发明中采用记录激光波长为413.1nm,通过调整激光器的输入电流,控制单束光强为60lux。第一次曝光时间控制在30s;第二次曝光时间控制在15s。
4)显影装置:如图3所示,将曝光好光栅基片的固定在显影架上,将光栅基片浸入充满显影液的显影槽11中,调整半导体激光器10及透镜12的位置,接收到光栅的-1级衍射光,实时监控衍射光的强度,控制显影时间在30s,由光电探测器13接收衍射光,当衍射光的强度下降至最大值的70%,停止显影,用去离子水冲洗光刻胶光栅;
5)用镀膜设备镀表面增强拉曼散射金属活性层:在光刻胶光栅上面蒸镀一层180nm~220nm厚的金膜。
实施例二:一种全息制作表面拉曼增强的方法,如图1所示,包括以下几个制作步骤:
1)旋涂光刻胶薄膜:用无尘布和有机溶剂清洁光栅基片,启动涂布机自带抽真空设备在涂布开始前抽真空,控制涂布机的旋转速度,光刻胶薄膜的涂布厚度220nm;
2)烘烤坚膜:在室温下将涂好光刻胶薄膜的光栅基片放入洁净烘箱中,迅速平稳地加热至90℃左右,在此温度下停留1小时,最后将烘箱自然缓慢降至室温后取出已烘烤的光栅基片,干燥备用;
3)光刻胶薄膜的正交方向上以二次曝光的方式全息干涉光刻;如图2所示,激光器产生的激光经过四分之一波片1可以调节激光的偏振态,经过格兰偏振棱镜2分成两束偏振光,透射光为TM偏振光,反射光为TE偏振光,透射光经过半波片4转换成TE偏振光,产生两束相干光。反射光和透射光关于光栅基片5的中心线对称分布。通过旋转四分之一波片,使得两束光的光强一致,产生对比度最好的干涉条纹。反射镜3与反射镜4分别设置于同步反向旋转电机8与同步反向旋转电机7上,不同周期的光栅只需要控制两个反射镜同步反向旋转。根据公式λ=2dSinθ,其中λ是激光波长,d是光栅周期,θ是两束相干光的夹角的一半。控制两块反射镜同步反向旋转,精密控制两束相干光的夹角,从而精密控制光栅的周期。第一次曝光结束后,控制旋转曝光支架9旋转90°,进行第二次曝光,在光刻胶上记录二维全息干涉条纹。本发明中采用记录激光波长为413.1nm,通过调整激光器的输入电流,控制单束光强为80lux。第一次曝光时间控制在40s;第二次曝光时间控制在20s。
4)显影装置:如图3所示,将曝光好光栅基片的固定在显影架上,将光栅基片浸入充满显影液的显影槽11中,调整半导体激光器10及透镜12的位置,接收到光栅的-1级衍射光,实时监控衍射光的强度,控制显影时间在40s,由光电探测器13接收衍射光,当衍射光的强度下降至最大值的90%,停止显影,用去离子水冲洗光刻胶光栅;
5)用镀膜设备镀表面增强拉曼散射金属活性层:在光刻胶光栅上面蒸镀一层180nm~220nm厚的银膜。
实施例三:一种全息制作表面拉曼增强基底的光刻系统,包括激光器、激光器产生的激光经过四分之一波片1可以调节激光的偏振态,经过格兰偏振棱镜2分成两束偏振光,透射光为TM偏振光,反射光为TE偏振光,透射光经过半波片4转换成TE偏振光,产生两束相干光。反射光和透射光关于光栅基片5的中心线对称分布。在透射光路与反射光路的两块反射镜上设置用于控制光线入射角的同步反向旋转电机,实现一块反射镜旋转角度另一块反射镜同步反方向旋转相同的角度,根据公式λ=2dSinθ,其中λ是激光波长,d是光栅周期,θ是两束相干光的夹角的一半,控制两块反射镜同步反向旋转,精密控制两束相干光的夹角,从而精密控制光栅的周期;还设置有用于装夹光栅基片的旋转曝光支架,其可旋转角度大于等于90度;第一次曝光结束后,控制旋转曝光支架旋转90°,进行第二次曝光,在光刻胶上记录二维全息干涉条纹。
上述技术方案中,采用记录激光波长为413.1nm,通过调整激光器的输入电流,控制单束光强为60~80lux。第一次曝光时间为30s~40s;第二次曝光时间为15s~20s。

Claims (7)

1.一种全息制作表面拉曼增强基底的方法,步骤如下:
1)在光栅基片上旋涂光刻胶薄膜;
2)对光刻胶薄膜烘烤,坚膜;
3)在所述的光刻胶薄膜的正交方向上以二次曝光的方式全息干涉光刻;具体步骤为,激光器产生的激光经过四分之一波片(1)后经过格兰偏振棱镜(2)分成两束偏振光,透射光为TM偏振光,反射光为TE偏振光,透射光经过半波片(4)转换成TE偏振光,产生两束相干光,反射光和透射光关于光栅基片(5)的中心线对称分布,通过旋转四分之一波片,使得两束光的光强一致,光线经过格兰偏振棱镜后反射光路和透射光路上的两块反射镜上分别设置用于控制光线入射角的同步反向旋转电机,在光刻胶薄膜上完成第一次曝光后,将光栅基片旋转90°,进行第二次曝光,通过两次正交曝光的方式在光刻胶薄膜上记录二维全息干涉条纹;
4)对已曝光好的光栅进行实时显影,制作表面浮雕光刻胶光栅;将曝光好光栅基片的固定在显影架上,将光栅基片浸入充满显影液的显影槽中,调整半导体激光器及透镜的位置,接收到光栅的-1级衍射光,实时监控衍射光的强度,由光电探测器接收衍射光,当衍射光的强度下降至最大值的70%,停止显影,用去离子水冲洗光刻胶光栅;
5)在光刻胶光栅表面用镀膜设备镀一层表面增强拉曼散射金属活性层。
2.根据权利要求1所述的全息制作表面拉曼增强基底的方法,其特征在于所述步骤1)中,涂布的光刻胶薄膜厚度为180nm~220nm;所述步骤3)中,采用两束TE偏振相干光对光刻胶进行正交光刻,单光束强度为60lux~80lux,第一次曝光时间为30s~40s,第二次曝光时间为15s~20s;所述步骤4)中,对光刻胶进行实时显影时间为30s~40s;所述步骤5)中,在光刻胶光栅上镀的表面增强拉曼散射金属活性层厚度为180nm~220nm。
3.根据权利要求1所述的全息制作表面拉曼增强基底的方法,其特征在于所述步骤2)中,在室温下将涂好光刻胶薄膜的光栅基片放入洁净烘箱中,平稳地加热至90℃,在此温度下停留1小时,最后将烘箱自然缓慢降至室温后取出已烘烤的光栅基片,干燥备用。
4.根据权利要求1至3之一所述的全息制作表面拉曼增强基底的方法,其特征在于所述步骤5)中,所述的表面增强拉曼散射金属活性层由金、银、铜、铁、钴、镍至少一种组成。
5.一种全息制作表面拉曼增强基底的光刻系统,包括激光器、光线传播方向上依次设置的用于调整激光器发出光偏振态的四分之一波片(1)、格兰偏振棱镜(2)、光线经过格兰偏振棱镜后透射光路上设置的反射镜(3)、用于将TM偏振光换成TE偏振光的半波片(4)、光线经过格兰偏振棱镜后反射光路上设置的反射镜(6)、设置于透射光路与反射光路相干处的涂有光刻胶薄膜的光栅基片(5);其中光线经过格兰偏振棱镜后的透射光为TM偏振光、光线经过格兰偏振棱镜后的反射光为TE偏振光;偏振棱镜后反射光和透射光的光强相等且入射到光栅基片上的反射光和透射光关于光栅基片的中心线对称分布;光线经过格兰偏振棱镜后反射光路和透射光路上的两块反射镜上分别设置用于控制光线入射角的同步反向旋转电机。
6.根据权利要求5所述的全息制作表面拉曼增强基底的光刻系统,其特征在于还设置有用于装夹光栅基片的旋转曝光支架(9),可旋转角度大于等于90度。
7.根据权利要求5或6所述的全息制作表面拉曼增强基底的光刻系统,其特征在于,所述激光器输出激光波长为413.1nm,光强为60~80lux。
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