CN106842823B - 表面等离子体多次干涉曝光的亚波长结构制备方法 - Google Patents

表面等离子体多次干涉曝光的亚波长结构制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了表面等离子体多次干涉曝光的亚波长结构制备方法，该方法用到的光学元器件包括He‑Cd激光器，光电快门，扩束器，1/2波片，分束器，平面反射镜，棱镜，Al膜，光刻样品和光刻样品旋转控制系统。He‑Cd激光器发出的激光束经光电快门，扩束器、1/2波片和分束器后，由平面反射镜反射，经棱镜耦合，以表面等离子体的激发角辐照到Al膜上，激发Al膜和光刻胶界面的两束沿相反方向传播的表面等离子体波，两束表面等离子体波的干涉场曝光光刻胶。通过对光刻样品多次旋转曝光，可刻写制备出二维点阵、六边形、同心等间隔圆环等各种亚波长光学结构。本发明具有制备方法简单、所用光学元器件成本低廉的优势，在亚波长光学结构制造领域具有广泛应用。

Description

表面等离子体多次干涉曝光的亚波长结构制备方法
技术领域
本发明属于表面等离子体干涉刻写亚波长结构技术领域，涉及表面等离子体干涉刻写亚波长结构制备方法，特别涉及表面等离子体多次干涉曝光的亚波长结构制备方法。
背景技术
亚波长光学结构在偏振器件、衍射光栅、生物传感和微纳光学等领域具有重要和广泛应用。目前的表面等离子体亚波长光刻技术主要包括：基于棱镜耦合激发表面等离子体的无掩模干涉光刻；基于特殊金属光栅掩模结构激发表面等离子体的光刻技术。这些光刻技术存在一些不足，主要表现在：
1)基于棱镜耦合激发表面等离子体的无掩模干涉光刻，一般情况下，只能刻写简单的一维亚波长光栅结构。利用多束表面等离子体干涉光刻技术制备复杂的二维周期性结构时，需要制备多面棱镜以激发多束表面等离子体曝光样品，这无疑增加了光路的复杂性。
2)基于特殊金属光栅掩模结构激发表面等离子体的光刻技术，也只能刻写简单的一维亚波长光栅结构。另外，由于要制备金属掩膜层，无疑增加了光刻的成本。
发明内容
本发明的目的是提供表面等离子体多次干涉曝光的亚波长结构制备方法，对上述表面等离子体干涉刻写微纳结构的光刻方法进行技术改进，从而实现多种亚波长结构的刻写制备，同时降低光刻的成本和操作方法的难度。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：表面等离子体多次干涉曝光的亚波长结构制备方法，该方法用到的光学元器件包括He-Cd激光器、光电快门、短焦距透镜、长焦距透镜、1/2波片、分束器、平面反射镜A、平面反射镜B、棱镜、Al膜、光刻胶、玻璃衬底和光刻样品旋转控制系统，其中，
所述的He-Cd激光器为光源，发射波长325nm的垂直方向偏振的激光束，打开光电快门时，激光束通过光电快门后，先后经过短焦距透镜、长焦距透镜组成的扩束器后被扩束，经1/2波片后变成水平方向偏振的TM偏振光，再被分束器分为两束强度相同的相干光，且从两个方向射出，被平面反射镜A、平面反射镜B反射后，由棱镜耦合辐照到Al膜上，当入射角为表面等离子体的激发角θsp时，将激发Al膜和光刻胶界面的表面等离子体波，表面等离子体波的干涉场曝光光刻胶，通过控制光刻样品旋转控制系统实现对光刻样品不同方式的旋转，进而对光刻胶进行不同方式的曝光，曝光后，通过显影、定影后续工艺处理，即可得到相应的亚波长结构。
其中，所述的He-Cd激光器可以产生325nm的垂直方向偏振的激光束，作为激发表面等离子体的激发光源。
其中，对激光束的扩束由两个焦距不同的短焦距透镜、长焦距透镜的组合来实现，以使He-Cd激光器发出的激光束在通过它们后被扩束，实现大面积刻写。
其中，所述的1/2波片用于改变激光的偏振方向，将从He-Cd激光器发射的垂直方向偏振的激光改变为水平方向偏振的TM偏振光。
其中，所述的分束器用于将经从1/2波片的TM激光束分为光强相等的两束激光，射出时沿两个方向分别射向平面反射镜A、平面反射镜B。
其中，棱镜用来耦合激发Al膜和光刻胶界面的表面等离子体。
其中，Al膜通过电子束蒸发蒸镀到棱镜的底面上。
其中，光刻胶旋涂在玻璃衬底上，构成光刻样品。
其中，光刻样品旋转控制系统，可以使光刻样品绕其中心轴旋转某一特定角度，对光刻胶进行N次曝光和N-1次旋转，可制备得到特定结构的亚波长结构。
其中，光刻样品旋转控制系统，可以使光刻样品绕其中心轴连续旋转任意角度，通过光刻样品连续旋转的同时对光刻胶进行连续曝光，可制备得到亚波长的同心等间隔圆环结构。
本发明表面等离子体多次干涉曝光的亚波长结构制备方法具有如下优点：
1)基于表面等离子体多次干涉曝光，通过多次旋转光刻样品曝光或连续旋转光刻样品曝光的方法，可以刻写制备出诸如二维点阵、六边形、同心等间隔圆环等多种亚波长结构。
2)基于表面等离子体多次干涉曝光，通过多次旋转光刻样品曝光或连续旋转光刻样品曝光的方法，可实现大面积刻写制备亚波长结构，且相比于多光束干涉刻写方法，光路简单，易于操作，同时降低了光刻的成本。
附图说明
图1是本发明表面等离子体多次干涉曝光的亚波长结构制备方法示意图。
图2是以光刻样品表面几何中心为坐标原点建立的笛卡尔坐标系的xoz平面上的光路示意图，z轴垂直于光刻样品表面，x轴在水平方向，且在Al膜和光刻胶的分界面上。
图3是在第一次曝光后，旋转光刻样品90°，并再次曝光光刻胶相同时间，可以得到的二维亚波长周期点阵结构的示意图。
图4是每次曝光相同时间后旋转光刻样品60°，总共曝光三次，旋转光刻样品两次，得到的二维亚波长六边形点阵结构示意图。
图5是将光刻样品连续旋转180°并连续曝光的条件下，得到的同心等间隔圆环结构示意图。
图1中：1为He-Cd激光器，2为光电快门，3为短焦距透镜，4为长焦距透镜，5为1/2波片，6为分束器，7为平面反射镜A，8为平面反射镜B，9为棱镜，10为Al膜，11为光刻胶，12为玻璃衬底，13为光刻样品旋转控制系统。
图2中：表示激光束1的波矢，表示激光束2的波矢，θsp表示表面等离子体的激发角。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描叙，附图中相同的标号始终表示相同的部件。
如图1所示，本发明表面等离子体多次干涉曝光的亚波长结构制备方法，该方法用到的光学元器件包括He-Cd激光器1、光电快门2、短焦距透镜3、长焦距透镜4、1/2波片5、分束器6、平面反射镜A 7、平面反射镜B 8、棱镜9、Al膜10、光刻胶11、玻璃衬底12和光刻样品旋转控制系统13，其中：
He-Cd激光器1，发射325nm波长的激光，用做激发表面等离子体的激发光源。
光电快门2用来控制是否曝光光刻胶11，以及曝光光刻胶11的时间，调整光电快门2的开关状态可实现对光刻样品的曝光以及曝光时间的控制。
短焦距透镜3、长焦距透镜4组成扩束器，实现对He-Cd激光器1发射的激光束的扩束，以实现大面积刻写。
1/2波片5用于改变激光的偏振方向，将从He-Cd激光器1发射的垂直方向偏振的激光改变为水平方向偏振的TM偏振光，以激发表面等离子体。
分束器6可以把入射的激光束分为两束强度相等的相干光，沿两个不同方向射出。
平面反射镜A7、平面反射镜B8，把经分束器射出的两束激光束反射到棱镜9上。
棱镜9耦合两束激光，使激光束以表面等离子体的激发角θsp辐照到Al膜10上，从而激发Al膜10和光刻胶11界面上的两束沿相反方向传播的表面等离子体波，两束表面等离子体的干涉场曝光光刻胶11。
光刻样品旋转控制系统13控制光刻样品的旋转，可以使光刻样品旋转某一特定角度或连续旋转任意角度。下面结合具体实施例进行进一步说明：
实施例1
参照图1所示的表面等离子体多次干涉曝光的亚波长结构制备方法示意图，He-Cd激光器1发射波长325nm的垂直方向偏振的激光束，打开光电快门2，激光束通过光电快门2后，先后经过短焦距透镜3、长焦距透镜4后被扩束，经1/2波片5后变成水平方向偏振的TM偏振光，再被分束器6分为两束强度相同的相干光并从两个方向射出，被平面反射镜A7、平面反射镜B8反射后，由棱镜9耦合辐照到Al膜10上，棱镜9的折射率为1.8，Al膜10的厚度为20nm，光刻胶11的折射率为1.53，当入射角为表面等离子体的激发角θsp(67.25°)时，将激发Al膜10和光刻胶11界面的表面等离子体波，表面等离子体波的干涉场曝光光刻胶11，曝光一定时间T后，关闭光电快门2；通过光刻样品旋转控制系统13使光刻样品旋转90°，之后再打开光电快门2，再次曝光光刻胶11相同时间T；经后续显影、定影工艺处理，即可得到二维亚波长周期性点阵结构，周期是97.87nm。如图3所示。
实施例2
参照图1所示的表面等离子体多次干涉曝光的亚波长结构制备方法示意图，旋转光刻样品两次，曝光光刻胶11三次；每次曝光相同时间T后关闭光电快门2，并通过光刻样品旋转控制系统13使光刻样品每次旋转60°，其它步骤参照实施例1，可以得到二维亚波长六边形点阵结构。如图4所示。
实施例3
参照图1所示的表面等离子体多次干涉曝光的亚波长结构制备方法示意图，保持He-Cd激光器1和光电快门2为开启状态，通过光刻样品旋转控制系统13使光刻样品以一定角速度ω0匀速旋转，旋转过180°后关闭光电快门2，停止曝光，其他步骤参照实施例1，可以得到同心等间隔圆环结构，圆环间隔为97.87nm，为亚波长尺寸。如图5所示。
下面用表面等离子体干涉原理结合坐标变换矩阵来说明本发明表面等离子体多次干涉曝光的亚波长结构制备方法的原理：
图2是以光刻样品表面几何中心为坐标原点建立的笛卡尔坐标系的xoz平面上的光路示意图，两束相干光经过平面反射镜A 7、平面反射镜B 8反射后，由棱镜9耦合辐照到Al膜10上；当入射角为表面等离子体的激发角θsp(67.25°)时，激发Al膜10和光刻胶11界面的表面等离子体波，表面等离子体波的干涉场曝光光刻胶。
在Al膜10和光刻胶11界面传播的表面等离子体波的色散关系可以表达为：
其中ksp是表面等离子体波的波矢，k0表示325nm波长的激光在真空中的波矢，ε1是Al膜10的介电常数，ε2是光刻胶11的介电常数，两束相干光经过平面反射镜A7、平面反射镜B8反射后，由棱镜9耦合辐照到Al膜10上，激发表面等离子体波的共振角θsp满足以下表达式：
ε0为棱镜9的介电常数，当入射角为θsp时，激发Al膜10和光刻胶11界面的表面等离子体波，表面等离子体波的干涉场曝光光刻胶11，光刻胶11中干涉条纹的磁场强度分布为：
其中H0为入射激发光的磁场强度，表示最大场增强，kx是x轴方向的波矢，κz＝ikz，kz是光刻胶中平行于z轴方向的波矢。
表面等离子体波干涉的场分布的周期Δx为：
λ0表示入射激发光325nm光的波长。
基于上述表面等离子体波在光刻胶11中的干涉场强分布公式(3)，在光刻样品多次旋转曝光的条件下，运用坐标变换矩阵：
可以得到光刻样品旋转过一定角度αn后曝光光刻胶11时的干涉条纹的磁场强度分布。In代表第n次曝光的磁场强度分布，αn是光刻样品旋转控制系统13使光刻样品旋转的角度，即每次曝光时，光刻样品相对最初位置的角度。基于上述公式，可得每次曝光后的干涉条纹的磁场强度分布为：
因此，对光刻样品进行N-1次旋转和N次曝光后，总的干涉条纹的磁场强度分布：
在对光刻样品连续旋转曝光的条件下，可设光刻样品旋转的角速度为ω0，则有α＝ω0t，所以结合(6)式，某一时刻t的光强分布可以写为：
对光刻样品旋转曝光一段时间T后，光刻胶11上总的干涉条纹的磁场强度分布可写为：
本发明表面等离子体多次干涉曝光的亚波长结构制备方法，基于表面等离子体干涉，通过多次旋转光刻样品曝光或连续旋转光刻样品曝光，能够实现多种周期性亚波长结构的刻写。
相比于同时激发多束表面等离子体干涉的光刻方法，本方法光路结构简单，操作方便，一定程度上降低了光刻成本。且同时激发多束表面等离子体干涉的光刻方法，无法实现亚波长的同心等间隔圆环结构的制备。因此本发明在亚波长光学结构的制备领域具有广泛的应用前景。

Claims (4)

1.表面等离子体多次干涉曝光的亚波长结构制备方法，该方法用到的光学元器件包括He-Cd激光器(1)、光电快门(2)、短焦距透镜(3)、长焦距透镜(4)、1/2波片(5)、分束器(6)、平面反射镜A(7)、平面反射镜B(8)、棱镜(9)、Al膜(10)、光刻胶(11)、玻璃衬底(12)和光刻样品旋转控制系统(13)，其特征在于，光刻胶(11)旋涂在玻璃衬底(12)上，构成光刻样品，通过光刻样品旋转控制系统(13)实现对光刻样品不同方式的旋转，通过表面等离子体波多次干涉曝光光刻胶，实现二维亚波长结构的刻写制备；表面等离子体波的干涉场辐照光刻胶(11)时，光刻胶(11)中干涉条纹的磁场强度分布为：
其中，H0为入射激发光的磁场强度，为最大场增强，kx是x轴方向的波矢，κz＝ikz，kz是光刻胶中平行于z轴方向的波矢，运用坐标变换矩阵：
描述对光刻样品实施的多次旋转旋转曝光，在光刻样品多次旋转曝光的条件下，可以得到光刻样品旋转过一定角度αn后曝光光刻胶(11)时的干涉条纹的磁场强度分布，In代表第n次曝光的磁场强度分布，αn是光刻样品旋转控制系统(13)使光刻样品旋转的角度，即每次曝光时，光刻样品相对最初位置的角度；基于该方法，可得每次曝光后的干涉条纹的磁场强度分布为：
对光刻样品进行N-1次旋转和N次曝光后，总的干涉条纹的磁场强度分布：
在对光刻样品连续旋转曝光的条件下，光刻样品旋转的角速度为ω0，α＝ω0t，某一时刻t的光强分布可以写为：
对光刻样品旋转曝光一段时间T后，光刻胶(11)上总的干涉条纹的磁场强度分布可写为：
实现亚波长结构制备的方法为，打开光电快门(2)，He-Cd激光器(1)发射的垂直方向偏振的325nm激光束通过光电快门(2)后，先后经过短焦距透镜(3)、长焦距透镜(4)组成的扩束器被扩束后，经1/2波片(5)变成水平方向偏振的TM偏振光，再被分束器(6)分为两束强度相同的相干光，且从两个方向射出，被平面反射镜A(7)、平面反射镜B(8)反射后，由棱镜(9)耦合并以表面等离子体的激发角θsp辐照到Al膜(10)上，激发Al膜(10)和光刻胶(11)界面的表面等离子体波，表面等离子体波的干涉场曝光光刻胶(11)，通过控制光刻样品旋转控制系统(13)实现对光刻样品不同方式的旋转，以对光刻胶(11)进行不同方式的曝光，曝光后，通过显影、定影后续工艺处理，即可得到相应的二维亚波长结构。
2.根据权利要求1所述的表面等离子体多次干涉曝光的亚波长结构制备方法，其特征在于，光刻胶(11)旋涂在玻璃衬底(12)上，构成光刻样品；通过光刻样品旋转控制系统(13)，对光刻样品实施不同的旋转曝光方式；曝光方式包括：使光刻样品绕其中心轴旋转某一特定角度，对光刻胶(11)进行N-1次旋转和N次曝光；使光刻样品绕其中心轴连续旋转任意角度，光刻样品连续旋转的同时对光刻胶(11)进行连续曝光。
3.根据权利要求1所述的表面等离子体多次干涉曝光的亚波长结构制备方法，实现二维亚波长周期性点阵结构的方法为，对光刻样品进行1次90°旋转和2次曝光；实现二维亚波长六边形点阵结构的方法为，对光刻样品进行2次60°旋转和3次曝光。
4.根据权利要求1所述的表面等离子体多次干涉曝光的亚波长结构制备方法，实现同心等间隔圆环结构的方法为对光刻样品连续旋转和连续曝光，即保持He-Cd激光器(1)和光电快门(2)为开启状态，通过光刻样品旋转控制系统(13)使光刻样品以一定角速度ω0匀速旋转，旋转过180°后关闭光电快门(2)，停止曝光。
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