CN107015301A - 温控双v形结构精密连续调节金属纳米光栅周期的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种温控双V形结构精密连续调节金属纳米光栅周期的装置及方法。本发明是利用温控的方法和微纳加工工艺实现的。可运用于光栅光学、微纳光学领域。利用微纳加工技术制作金属纳米光栅和双V形对称结构，利用双V形对称结构的温控作用实现对纳米光栅周期的精密调控。由于双V形对称结构在外加电压作用下产生焦耳热，温度升高会使得V形结构拉伸，可以在纳米级别的精度连续上改变光栅周期。扩展了温控V形对称结构的应用范围，为光栅光学和微纳光学的发展提供了有价值的参考。

Description

温控双V形结构精密连续调节金属纳米光栅周期的装置
技术领域
本发明属于一种构筑双V形对称结构并连续调节位于其上的纳米光栅周期的装置和方法，具体涉及微纳光学、光栅光学等领域。
背景技术
微纳光学的迅速发展和光栅光学的深入研究为微型化光栅的研究与应用打下了坚实的基础。光栅是一个具有等宽等间距的平行狭缝的常用光学器件，一般常用的光栅是大量的平行刻痕，刻痕不透光，相邻两刻痕间透光，这种利用透射光衍射的光栅为透射光栅，利用两刻痕间的反射光衍射的光栅，如在镀有金属层的表面上刻出许多平行刻痕，两刻痕间的光滑金属面可以反射光，这种光栅称为反射光栅。随着光栅应用范围的增加，研究者对光栅精度要求越来越高，微纳光学的发展促成了纳米光栅的产生，制作纳米光栅的方法有很多。本发明中，使用了电子束曝光技术制作金属纳米光栅。目前，在光栅光学领域，传统的光栅在制作出来以后无法再改变其周期，而很多研究中需要使用周期可变的光栅来进行精密连续的研究过程，鉴于此，本发明中利用双V形对称结构通过温控原理能够精确地连续调节金属纳米光栅周期，实现连续改变光栅周期的实时研究。
为解决精密连续调节金属光栅周期用以实时研究的问题，本发明提出了温控的双V形对称结构精密连续调节金属纳米光栅周期的装置和调节方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过温控作用的结构可以精密连续调节金属纳米光栅周期的装置。利用微纳加工工艺产生双V形对称结构，并通过结构产生的温度精密调节控制位于结构中间的金属纳米光栅的周期。
本发明采用的技术方案是：
一种温控双V形结构精密连续调节金属纳米光栅周期的装置，其特征在于，包括双V形结构装置、金属纳米光栅结构、绝缘衬底上的硅(SOI)、金属沉积层(金)。
所述双V形结构装置具有优良的稳定性和可控性，外加电压的大小和时间的不同可以控制其产生的焦耳热量，从而提升不同的温度，进而不同程度地改变金属纳米光栅周期的大小，装置的平面可拉伸位移为一百多纳米，能够在纳米量级精确调控金属光栅周期，且由于装置的平面特性，可以在使用光栅的同时精密调节光栅周期。
所述纳米光栅结构是利用微纳加工工艺在双V形对称结构的中间部分加工成的。
所述金属沉积层(金)附着在绝缘衬底上的硅(SOI)表面，用于刻蚀纳米光栅以及对其施加电压。
本发明所述测量芯片的制备方法，包括如下步骤：
(1)利用电子束蒸镀工艺在绝缘衬底上的硅(SOI)表面蒸镀600nm厚的金属层(金)。
(2)利用紫外光刻的方法将绝缘衬底上的硅和金属沉积层(金)制作成悬臂长约400um的双V形对称结构。
(3)利用聚焦离子束(FIB)技术在双V形对称结构的中间部分加工周期均为500nm，线宽为250nm的光栅方向分别平行和垂直于双V结构中间长条部分的反射式和透射式金属光栅。
(4)利用湿法刻蚀的方法将结构下方的硅和二氧化硅完全腐蚀掉，使整个金属双V形对称结构完全悬空。(对透射式金属光栅还需要利用FIB技术将基底刻出一个方形洞口，反射式金属光栅则不需要)。
本发明所述芯片的测试方案，包括如下步骤：
在双V形对称结构悬臂引出的电极上施加0.005t(V/s)的电压10S，此时金属双V结构由于电流产生的焦耳热使得温度上升从而产生热膨胀，中间的纳米光栅部分受到两端V形臂的拉伸力使得平行于V形结构中间长条结构的光栅周期减小，垂直于V形结构中间长条结构的光栅周期增大，从而实现连续调节光栅周期。
本发明优点和有益效果：
(1)本发明是利用微纳加工工艺制作的金属纳米光栅，制作的光栅本身精度较高。
(2)本发明的温控装置可拉伸位移量达一百多纳米，能够在纳米量级精确调控光栅周期，调节范围可控。
(3)本发明可以依据反射式和透射式金属光栅的不同需要对双V形结构装置做不同处理。
(4)本发明能够连续调节光栅周期，满足实时连续改变周期并用于研究的需求。
附图说明
为了使本发明的目的和技术方案更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：
图1为利用电子束蒸镀工艺在绝缘衬底上的硅(SOI)表面蒸镀约600nm厚的金属层(金)示意图；
图2为在图1的基础上利用紫外光刻的方法制作悬臂长约400um的双V形对称结构；
图3为在图2的基础上利用聚焦离子束(FIB)技术在双V形对称结构的中间部分加工周期均为500nm，线宽为250nm的光栅方向分别平行(a)和垂直(b)于双V结构中间长条部分的反射式金属光栅；
图4为在图2的基础上利用聚焦离子束(FIB)技术在双V形对称结构的中间部分加工周期均为500nm，线宽为250nm的光栅方向分别平行(a)和垂直(b)于双V结构中间长条部分的透射式金属光栅；
图5为对反射式金属光栅来说，在图3的基础上利用湿法刻蚀的方法将结构下方的硅和二氧化硅完全腐蚀掉，使整个金属双V形对称结构完全悬空；
图6为对透射式金属光栅来说，在图4的基础上利用湿法刻蚀的方法将结构下方的硅和二氧化硅完全腐蚀掉，使整个金属双V形对称结构完全悬空，并用FIB技术将剩余基底部分刻出一个通透的方形洞口；
图7为温控作用下反射式光栅经调节后连续缩小和扩大光栅周期的示意图；
图8为温控作用下透射式光栅经调节后连续缩小和扩大光栅周期的示意图；
附图标记：1、绝缘衬底上的硅(SOI) 2、金属层(金) 3、刻蚀掉表面二氧化硅和部分硅形成的凹槽 4、通透的方形洞口 5、平行于中间结构的反射式金属光栅 6、垂直于中间结构的反射式金属光栅 7、平行于中间结构的透射式金属光栅 8、垂直于中间结构的反射式金属光栅 9、周期减小的平行反射式金属光栅 10、周期增大的垂直反射式金属光栅 11、周期减小的平行透射式金属光栅 12、周期增大的垂直透射式金属光栅
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作详细说明。
在绝缘衬底上的硅(SOI)(0.2mm×12mm×44mm)表面利用电子束蒸镀工艺蒸镀一层厚度约600nm的金属层(金)(图1)，用以制作光栅以及施加电压实施温控作用。利用紫外光刻的方法将绝缘衬底上的硅(SOI)和金属沉积层(金)制作成双V形对称结构(图2)，且将两端四个臂尾固定。利用聚焦离子束(FIB)技术在双V形结构的中间部分加工周期均为500nm，线宽为250nm的光栅方向分别平行(所有图中(a))和垂直(所有图中(b))于双V结构中间长条部分的反射式(图3)和透射式(图4)金属光栅。利用湿法刻蚀的方法将结构下方的硅和二氧化硅完全腐蚀掉，使整个金属双V形对称结构完全悬空(图5)，并利用FIB技术在剩余基底底部刻出一个方形洞口用于透射式金属光栅的实时使用(图6)。在金属双V形对称结构的悬臂引出的电极上施加0.005t(V/s)的电压10s，通过金属表面的电流会产生焦耳热使温度升高从而产生膨胀，由于端点固定，热膨胀使得两个尖端有平行于结构平面向外的位移，由此产生的位移和拉伸力使得中间结构被拉伸，而位于其上的平行光栅周期经拉伸后可以连续减小(图7(a)、图8(a))，垂直光栅周期经拉伸后可以连续增大(图7(b)、图8(b))，也就实现了对金属纳米光栅周期的连续精确调节。
本发明相关的说明：
本发明中公开的任一加工过程和使用材料等，除特殊叙述外，可以被其他等效或者类似的加工手段和材料所替换，除特殊说明，加工工具和使用材料只是具有等效或者类似功能工具材料的一个例子。

Claims (5)

1.一种温控双V形结构精密连续调节金属纳米光栅周期的装置，其特征在于，包括双V形结构装置、金属纳米光栅结构、绝缘衬底上的硅(SOI)、金属沉积层(金)。
2.根据权利要求1所述的温控双V形结构精密连续调节金属纳米光栅周期的装置，其特征在于，所述双V形结构装置具有优良的稳定性和可控性，不同的外加电压和时间可以控制其产生的焦耳热量，从而提升不同的温度，进而不同程度地改变金属纳米光栅周期的大小，装置的平面可拉伸位移为一百多纳米，能够在纳米量级精确调控金属光栅周期，且由于装置的平面特性，可以在使用光栅的同时精密调节光栅周期。
3.根据权利要求1所述的温控双V形结构精密连续调节金属纳米光栅周期的装置，其特征在于，所述纳米光栅结构是利用微纳加工工艺在双V形对称结构的中间部分加工成的。
4.根据权利要求1所述的温控双V形结构精密调节金属纳米光栅周期的装置，其特征在于，金属沉积层(金)附着在绝缘衬底上的硅(SOI)表面，用于刻蚀金属纳米光栅以及对其施加电压。
5.一种温控双V形结构精密连续调节金属纳米光栅周期的装置以及调节方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：
利用电子束蒸镀工艺在绝缘衬底上的硅(SOI)表面蒸镀约600nm厚(具体厚度可根据入射光波长范围进行设计)的金属层(金)，利用紫外光刻的方法将绝缘衬底上的硅和金属沉积层(金)制作成悬臂长约400um的双V形对称结构，利用聚焦离子束(FIB)技术在双V形结构的中间部分加工周期均为500nm，线宽为250nm的光栅方向分别平行和垂直于双V结构中间长条部分的反射式和透射式金属光栅。利用湿法刻蚀的方法将结构下方的硅和二氧化硅完全腐蚀掉，使整个金属双V形对称结构完全悬空，并利用FIB技术在剩余基底底部刻蚀出一个方形洞口用于透射式金属光栅的实时使用。在双V形对称结构悬臂引出的电极上施加0.005t(V/s)(具体电压可根据需要设置不同规律的电压)的电压10S，此时金属双V形结构由于电流产生的焦耳热使得温度上升从而产生热膨胀，中间的纳米光栅部分受到两端V形臂的拉伸力使得平行于V形结构中间长条结构的光栅周期减小，垂直于V形结构中间长条结构的光栅周期增大，从而改变了原本光栅周期。
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