CN108873133A - 一种一维双层金属光栅及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于高折射率传感器上的基于干涉曝光技术和电子束蒸发技术的低成本可大面积量产制备的一维双层金属光栅结构及其制造方法。该双层金属光栅由上层金属、光刻胶支柱、下层金属、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和石英衬底组成。其制备方法首先是在石英片涂覆上PMMA粘附层和光刻胶层，然后利用双光束曝光和显影得到周期性的光栅结构，再垂直沉积金属即可。通过调整入射光角度、上层金属以及光栅周期的大小、和上层金属的高度，本发明的双层金属光栅结构的品质因素(FOM)可达到38,可以广泛应用到实际的生化传感中。本发明制备技术简单，成本低廉，适用于大批量生产。

Description

一种一维双层金属光栅及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种光栅,特别是涉及一种一维双层金属光栅，主要应用于一种基于局域表面等离子体谐振的折射率传感器，特别涉及生物检测器件领域折射率传感器。

背景技术

近年来，随着纳米结构制备技术的飞速发展，基于周期性金属微纳结构的表面等离子体谐振(SPR)的应用得到了广泛关注，实时快速、无标记检测、小型化、自动化、高灵敏和廉价成为下一代折射率传感器的必然趋势。SPR能够把光局域在金属微纳结构表面的亚波长范围内，使得金属表面的场得到极大的增强，金属微纳结构表面的局域场增强效应被证明可以在纳米尺度下极大地增强光与物质的相互作用，这个重要效应已经被广泛应用于折射率传感、表面增强拉曼散射、表面增强荧光、增强光学非线性效应以及增强光催化等领域。

基于SPR的折射率传感器是近年研究的热点，目前商用的表面等离子体探测器主要是基于传播表面等离子体谐振(PSPR)的，这是因为其具有一个高的灵敏度和品质因子。但是PSPR传感器需要复杂的光耦合(波矢匹配)和光探测设备以及精确的温度控制，其设备复杂，成本高，便携性差。此外通过监控反射光的方式不利于多重检测，无法达到快速检测的要求。另一方面，PSPR的电磁场特征衰减长度大约为入射光波长的一半(几百纳米)，这限制了其在实际的生物传感中的应用。

品质因数(Figure of merit，FOM)是一个被广泛接受的表征折射率传感器性能的参数。它定义为折射率传感器的灵敏度与谐振峰(谷)半高宽之比，其中灵敏度定义为每变化一个单位折射率光谱的谐振峰(或谷)移动的波长。一个性能优良的折射率传感器需要很高的灵敏度和很窄的线宽。

基于局域表面等离子体谐振(LSPR)的折射率传感器则可以克服上述问题，LSPR传感器一般是基于金属纳米颗粒或其阵列，但是由于金属单颗粒的辐射损耗大，基于金属纳米颗粒度的LSPR的品质因子相比PSPR小1到2个数量级，这就限制其在折射率传感器上的实际应用。

随着日益增长的实时检测和个人疾病诊断的需要，下一代折射率传感器必然向小型化、高灵敏、廉价、快速检测和多重检测发展。这就要求折射率传感器应兼具有PSPR和LSPR的优点。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明目的为提供一种在于提供一种一维双层金属光栅及其制造方法，旨在解决现有技术中PSPR的电磁场特征衰减长度大和LSPR金属单颗粒辐射损耗大以至于限制了折射率传感器在生物检测器件领域应有的技术问题。

本发明的另一目的是提供一种实时快速、无标记检测、小型化、自动化、高灵敏和廉价的一维双层金属光栅。

为了达到上述目的，本发明一方面提供了一种一维双层金属光栅，其自上而下包括上层金属、支柱、下层金属、PMMA层和石英衬底，PMMA作为粘附层涂覆在石英衬底上，多个支柱粘附在PMMA上形成凸棱，所述多个凸棱相互平行且间隔设置，相邻两个凸棱之间形成一凹槽，下层金属镀于凹槽下平面，上层金属镀于凸棱上平面。

作为一种改进的技术方案，所述上层金属、下层金属是厚度为50-200nm的金，上层金属的宽度为150-300nm。

作为一种改进的技术方案，所述支柱为光刻胶支柱。

作为一种改进的技术方案，所述光刻胶支柱为光分解型正性光刻胶，其厚度为300-600nm。

作为一种改进的技术方案，所述PMMA的厚度为50-200nm。

为一种改进的技术方案，所述光栅周期为300-600nm。

另一方面，本发明提供了一种高折射率传感器，其包括一维双层金属光栅。

本发明同时还提供了一种一维双层金属光栅的制备方法，其包括以下步骤：

将石英片放在在强酸中浸泡；然后用去离子水冲洗，再分别用去离子水和无水乙醇超声清洗；用氮气枪吹干石英片；接着用等离子体清洗机对石英片进行清洗和表面改性，使石英片的表面具有亲水性；

在石英片上先涂覆上PMMA，然后把样品置于热板上烘干，使溶剂充分挥发，形成PMMA膜，再涂覆光刻胶，然后把样品置于热板上烘干，形成光刻胶层；

用激光器对样品进行曝光，然后对其显影，得到周期性的光栅结构；

利用电子束蒸发来对光栅结构垂直蒸镀一层金膜，得到一维双层金属光栅。

作为一种改进的技术方案，在对样品曝光前先在样品台上贴上黑色胶带，并且在样品的背面涂上丙三醇匹配液，以降低样品衬底的反射。

作为一种改进的技术方案，在对周期性的光栅结构蒸镀金膜前，先在样品上镀镍作为粘附层。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过支柱的高度来抬升上层金属以达到提高折射率传感器灵敏度的目的，同时利用周期性的光栅结构来抑制辐射损耗，实现金属模式之间耦合的多样性。

(2)本发明的一维双层金属光栅结构的FOM可达到38，此品质因素已经足够大。

(3)本发明的一维双层金属光栅结构的耦合模的衰减长度为68nm，这个较小的衰减长度更能满足目前的折射率生物传感的需求。

(4)本发明的一维双层金属光栅制备方法简单、便于集成和大规模生产。

附图说明

图1是一维双层金属光栅结构的示意图；

图2是一维双层金属光栅数值结构示意图；

图3是测量在正入射下不同浓度的溶液中双层金属光栅的反射谱；

图4是洗净的石英衬底；

图5是在石英衬底上涂覆PMMA和光刻胶；

图6是双光束曝光的实验光路图；

图7是经曝光后双层金属光栅结构示意图；

图8为一维双层金属光栅的SEM俯视图；

图9为一维双层金属光栅的SEM截面；

现结合附图与具体实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

本发明公开了一种应用于高折射率传感器上的基于干涉曝光技术和电子束蒸发技术的低成本可大面积量产制备的一维双层金属光栅结构及其制造方法。该双层金属光栅由上层金属、光刻胶支柱、下层金属、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和石英衬底组成。其制备方法首先是在石英片涂覆上PMMA粘附层和光刻胶层，然后利用双光束曝光和显影得到周期性的光栅结构，再垂直沉积金属即可。通过调整入射光角度、上层金属以及光栅周期的大小和上层金属的高度，本发明的双层金属光栅结构的品质因素(FOM)可达到38,可以广泛应用到实际的生化传感器中。本发明制备技术简单，成本低廉，适用于大批量生产。

实施例1

在图1所示的一维双层金属光栅结构的示意图，该金属光栅自上而下分别为：上层金属1、光刻胶支柱2、下层金属，PMMA层3和石英衬底4，PMMA层3作为粘附层涂覆在石英衬底上，多个光刻胶支柱粘附在PMMA上形成凸棱，所述多个凸棱相互平行且间隔设置，相邻两个凸棱之间形成一凹槽，凸棱上平面镀有上层金属，下层金属镀于凹槽下平面，所述上下层金属是用电子束蒸发在光刻胶光栅上垂直蒸镀一层50-200nm厚的金，上层金属的宽度为150nm-300nm，上层金属宽度和光刻胶支柱一样大或者比光刻胶支柱稍大，光栅周期为300-600nm，光刻胶支柱厚度为300nm-600nm，PMMA的厚度为50nm-200nm。

更佳的如图2所示，凸棱的间隔周期为a为600nm，上层金属厚度为t为100nm，宽w为210nm，光刻胶支柱稍小于上层金属宽度，高为465nm。

为了验证双层金属光栅的折射率传感特性，我们把样品(a＝600nm,h＝465nm,w＝210nm，t＝100nm)浸没在不同浓度(即不同的折射率)的丙三醇/去离子水混合溶液中，并在正入射的情况下测量了零级反射谱(如图随着溶液折射率的升高，D1发生相应的红移,如图3所示。

本发明制备技术简单，成本低廉，适用于大批量生产。

本发明还可以采用了以下方法制备一维双层金属光栅，具体过程包括以下步骤：

(1)石英片预处理，如图4。

首先让石英片在强酸(98％的浓硫酸和30％的过氧化氢按3：1的体积混合)中浸泡3个小时，除去石英片上的灰尘和油污；然后用去离子水冲洗三遍，再分别用去离子水和无水乙醇超声清洗各3次；用氮气枪吹干石英片；接着用等离子体清洗机对石英片进行清洗和表面改性，使石英片的表面具有亲水性，等离子体清洗机的电压设为500V，氧气流量为600sccm，清洗时间为5min。

(2)涂覆PMMA和光刻胶，如图5。

在预处理过的石英片上先后涂覆上PMMA和光刻胶。为了使薄膜能获得更好的均匀性，采用分级旋涂的方式，其中一级转速统一设为800rpm,时间为3秒，二级旋涂时间统一为32秒，转速则根据所需膜厚来设置。胶的厚度除了决定于胶的浓度和匀胶机的转数，也受到环境中的温度和湿度的影响，所以涂覆过程应在超净间中进行，室内温度应保持在22℃左右，湿度保持在50％左右。PMMA作为粘附层，在甩完胶后，要把样品置于热板上，在180℃下烘烤2min，使得溶剂充分挥发，形成PMMA膜。由于实验所用光刻胶会受白光影响，因此旋涂光刻胶时需在暗室中操作。甩完光刻胶后把样品置于热板上烘干，热板温度为95℃，烘烤时间为90秒。烘烤温度和时间需严格控制，使溶剂能充分挥发掉，又不会对光刻胶中的光敏剂产生明显的影响。

实验中的具体参数:PMMA厚度为50nm，二级转数为4000rpm，光刻胶的厚度为465nm，转数为2000rpm。

(3)曝光和显影

曝光和显影均在暗室中进行。制备一维双层光栅的曝光光路如图6所示，包括：和样品5、激光器6、快门7、扩束镜8、1/2波片9、分光棱镜10、第一反射镜11和第二反射镜12，实验中我们所用的激光器为美国Melles Griot公司的二极管泵浦的固态蓝光激光器，其波长为457.9nm。从激光出来的光先经过一级扩束(×2)，再通过分束镜，激光被分成光强相等、偏振方向相同的两束光。这两束光再分别通过反射镜和二级扩束(×5)交汇在样品的表面，形成明暗相间条纹的光强分布。

为了消除曝光时垂直于样品表面的驻波效应，我们在样品台上贴上黑色胶带，并且在样品的背面涂上丙三醇匹配液，以降低样品衬底的反射，最大限度地抑制驻波效应。曝光的时间由快门控制，通过控制曝光剂量，我们可以制备出不同占空比的样品。曝完光之后，我们将样品背面的丙三醇匹配液擦拭干净，并将之浸没在稀释的显影液(AR 300-26和去离子水的体积配比为1:3)中进行显影。显影的时间也会对最终图案的占空比、垂直度、平整度等指标造成影响。通常，为了制备出合适占空比、高垂直度并且表面平滑的图案，我们需要非常严格地控制环境干扰因素(例如光学平台振动、空气扰动、实验室和光学元件的洁净度等等)，并摸索出合适的曝光时间和显影时间。显影完成之后，将样品在去离子水中清洗三遍，用滤纸吸掉样品边缘残留的水。最后，将样品倾斜摆放，待其自然晾干，曝光后的样品如图7。

值得一提的是，因为激光束是高斯光束，光斑中心的光强比边缘的要强很多，因此在一次曝光中会造成样品中心的曝光剂量大于边缘的情况。这种情况下，样品中心区域结构的占空比要比边缘的小。实验中，我们的扩束倍数和激光强度可以确保曝光中心6mm直径的圆内的曝光结构的几何参数是基本一样的。

(4)金属沉积，如图1。

我们利用电子束蒸发来对光刻胶光栅垂直蒸镀一层100nm厚的金。在镀金之前，先镀5nm的镍作为粘附层。金和镍的蒸镀速率分别是和图8为一维双层金属光栅的SEM俯视图。图9为一维双层金属光栅的SEM截面图。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变动。

Claims (10)

1.一种一维双层金属光栅，其特征在于：自上而下包括上层金属、支柱、下层金属、PMMA层和石英衬底，PMMA作为粘附层涂覆在石英衬底上，多个支柱粘附在PMMA上形成凸棱，所述多个凸棱相互平行且间隔设置，相邻两个凸棱之间形成一个凹槽，下层金属位于凹槽下平面，上层金属位于凸棱上平面。

2.根据权利要求1所述的一维双层金属光栅，其特征在于：所述上层金属、下层金属是厚度为50-200nm的金属，上层金属的宽度为150-300nm。

3.根据权利要求1所述的一维双层金属光栅，其特征在于：所述支柱为光刻胶支柱。

4.根据权利要求3所述的一维双层金属光栅，其特征在于：所述光刻胶支柱为光分解型正性光刻胶，其厚度为300-600nm。

5.根据权利要求1所述的一维双层金属光栅，其特征在于：所述PMMA的厚度为50-200nm。

6.根据权利要求1所述的一维双层金属光栅，其特征在于：所述光栅周期为300-600nm。

7.一种高折射率传感器，其特征在于：包含权利要求1-6任意一项所述的一维双层金属光栅。

8.权利要求1-6任意所述的一项一维双层金属光栅的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将石英片放在在强酸中浸泡，然后用去离子水冲洗，再分别用去离子水和无水乙醇超声清洗，用氮气枪吹干石英片，接着用等离子体清洗机对石英片进行清洗和表面改性，使石英片的表面具有亲水性；

步骤2，在石英片上先涂覆上PMMA，然后把样品置于热板上烘干，使溶剂充分挥发，形成PMMA膜，再涂覆光刻胶，然后把样品置于热板上烘干，形成光刻胶层；

步骤3，用激光器对样品进行曝光，然后对其显影，得到周期性的光栅结构；

步骤4，利用电子束蒸发来对光栅结构垂直蒸镀一层金膜，得到一维双层金属光栅。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：对样品曝光前先在样品台上贴上黑色胶带，并且在样品的背面涂上丙三醇匹配液，以降低样品衬底的反射。

10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：对周期性的光栅结构蒸镀金膜前，先在样品上镀镍作为粘附层。