CN109095435A - 一种三维全金属微腔结构表面等离激元阵列加工方法 - Google Patents

一种三维全金属微腔结构表面等离激元阵列加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维全金属微腔结构表面等离激元阵列加工方法。其主要步骤包括：衬底材料准备；在所述衬底上沉积金属铝；接着在铝膜上进行光刻形成图形化衬底；然后在已经图形化的衬底上沉积金属，并利用剥离工艺将光刻图形转化为金属图形；最后以图形化金属为掩模，用铝腐蚀液腐蚀铝膜，通过横向钻蚀形成三维腔体结构。上述步骤中，通过对光刻图形的设计、铝膜的厚度以及铝腐蚀液的腐蚀时间来对三维腔体结构的形状、高度、宽度进行调控。本发明所采用的湿法腐蚀工艺，工艺方法简单、稳定并且对材料的腐蚀选择性好，可实现大面积加工，并且可实现近完美吸收的光学特性，这将在光学器件以及生化传感方面有巨大的应用潜力。

Description

一种三维全金属微腔结构表面等离激元阵列加工方法
技术领域
本发明涉及微米/纳米加工技术以及纳米光子学领域，特别是涉及一种三维全金属微腔结构表面等离激元阵列加工方法。
背景技术
表面等离激元主要是基于金属界面或者亚波长尺寸的金属结构中电磁辐射和传导电子的相互作用过程，这种相互作用将导致亚波长尺寸的光学近场增强和光学非线性效应，从可展现出独特的光学现象。等离子体激元的近场增强和非线性光学性质可以通过金属结构的参数，如形状、排布周期、材料性质等来调控，使其在纳米光学器件、生物光学传感技术等领域有着重要的应用前景。
随着微米、纳米加工技术的不断发展，人们可以利用深紫外光刻、电子束曝光、聚焦离子束刻蚀、纳米压印等技术，制造各种几何形状的金属纳米结构。如制备出的纳米光栅、纳米孔、以及金属-介质层-金属多层结构可以有效的激发表面等离激元并实现对电磁波的频率、极化和相位等参量的调控。其中多样化三维纳米结构能够在多维度实现对电磁波的调控。特别是作为一类特殊的单元结构，三维纳米微腔结构由于其光学腔内电磁谐振耦合效应会激发多级耦合模态，能够将光场能量长时间局域在近场范围内，产生优异的电磁响应。
虽然三维纳米结构展现出诸多优越的性能，但也对目前微纳加工方法提出了巨大挑战，尚缺乏简便、规范、系统、成熟的三维纳米结构加工工艺。目前所用工艺方法通常比较昂贵、成品率低、无法实现大面积加工以及可加工结构种类少等。因此，开发一种灵活的、可控性强、稳定的三维纳米结构加工手段，对于新型三维纳米结构设计、加工以及实现纳米光学的应用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是针对上述应用需求以及现有技术的不足，提出一种三维全金属微腔结构表面等离激元阵列加工方法。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案包括如下步骤：
(1)衬底材料准备；
(2)在(1)所述衬底上沉积金属铝；
(3)在(2)所述沉积层上进行光刻形成图形化衬底，具体而言：先旋涂光刻胶，并通过曝光和显影以制备预定图形；
(4)在(3)所述图形化衬底上沉积金属，并利用剥离工艺将光刻图形转化为金属图形，得到图形化的金属衬底；
(5)以(4)所述的图形化金属为掩模，用铝腐蚀液腐蚀铝膜，通过横向钻蚀形成三维腔体结构。
上述步骤中，步骤(1)所述衬底材料可以是硅片、玻璃片以及沉积有金属薄膜的硅片、玻璃片。
上述步骤中，步骤(2)所述的金属铝沉积方法是磁控溅射镀膜法或者电子束蒸发镀膜法，其厚度可以从10纳米到几百纳米均可。
上述步骤中，步骤(3)所述的光刻方法是电子束曝光或深紫外光刻技术，光刻的图形可以是圆形，方形，十字型等对称结构，或椭圆，三角等非对称结构，其关键尺寸在数十纳米到数百纳米之间。
上述步骤中，步骤(4)所述金属沉积方法是电子束蒸发镀膜法，所述的金属材料可以是不同于铝的其他金属材料，比如金、银、铜等。
上述步骤中，步骤(5)所述的铝腐蚀液是低浓度的四甲基氢氧化铵(Tetramethylammonium Hydroxide，TMAH)溶液(如0.5％)，或者85％磷酸、70％硝酸、醋酸和水按4∶1∶4∶1比例混合。
上述步骤中，通过对光刻图形的设计、铝膜的厚度以及铝腐蚀液的腐蚀时间来对三维腔体结构的形状、高度、宽度进行调控。
本发明所述的一种三维全金属微腔结构的表面等离激元阵列加工方法，是利用湿法腐蚀工艺，以铝膜作为牺牲层，通过腐蚀液对金属铝的各向同性腐蚀，在金属掩模的下方形成三维纳米腔体结构。本方法至少具有以下的技术优势：
(1)采用湿法腐蚀工艺，工艺方法简单、稳定并且对材料的腐蚀选择性好，可实现大面积加工；
(2)通过对光刻图形、铝膜厚度的设计，以及腐蚀时间的控制，可实现多样化三维纳米腔体结构的加工，如圆形，方形，十字型等对称结构和椭圆，三角等非对称结构；
(3)本发明采用的全金属结构设计，利用金属的欧姆损耗来增强光学吸收，再结合光学微腔的电磁能量局限效应，可实现近完美吸收(吸收率接近100％)的光学特性，这将在光学器件以及生化传感方面有巨大的应用潜力。
附图说明
图1是实施例1的一种三维全金属微腔结构的表面等离激元阵列加工制备方法的流程示意图，其中1为铝膜、2为玻璃片、3为金膜、4为光刻胶、D为光刻图案大小、H为纳米腔体高度、L为纳米腔体的横向宽度、P为表面等离激元的阵列周期。
图2是实施例2的一种三维全金属微腔结构的表面等离激元阵列加工制备方法的流程示意图，图中1为铝膜、2为金膜、3为单晶硅片、4为银膜、5为光刻胶。
图3是实施例3中制备的圆形三维全金属微腔结构表面等离激元阵列电子显微镜照片，其中(a)为俯视图，(b)为50度倾斜视图，(c)为剖面图。
图4是实施例3中制备的方形三维全金属微腔结构表面等离激元阵列电子显微镜照片。
图5是实施例3所制备的圆形三维全金属微腔结构表面等离激元阵列反射率光谱图。
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。
以下实施例是为了进一步详细描述本发明，所述实施例仅为示例性的，并不意欲将依据本发明制得的装置限定在本文所述材料、条件或者过程参数。
实施例1：
(1)在衬底玻璃片上磁控溅射100nm厚度铝膜；
(2)在(1)所述铝膜上通过深紫外光刻得到纳米级图形化衬底；
(3)在(2)所述图形化衬底上电子束蒸发镀30nm厚度金膜，并利用剥离工艺将(2)中得到的光刻图形转化为图形化金膜，得到图形化金属衬底；
(4)以(3)所述的图形化金膜为掩模，利用0.5％的TMAH溶液腐蚀铝膜，腐蚀时间为9分钟，从而得到全金属三维纳米光学微腔结构。
实施例2：
(1)在硅片上磁控溅射100nm厚度金膜作为衬底；
(2)在(1)所述金膜衬底上磁控溅射100nm厚度铝膜；
(3)在(2)所述铝膜上通过电子束光刻得到纳米级图形化衬底；
(4)在(3)所述图形化衬底上电子束蒸发镀30nm厚度银膜，并利用剥离工艺将(2)中得到的光刻图形转化为图形化金膜，得到图形化金属衬底；
(5)以(4)所述的图形化金膜为掩模，利用85％磷酸、70％硝酸、醋酸和水按4∶1∶4∶1比例混合液腐蚀铝，腐蚀时间为18分钟，从而得到全金属三维纳米光学微腔结构。
实施例3：
(1)在衬底硅片上磁控溅射200nm厚度铝膜；
(2)在(1)所述铝膜上通过电子束光刻得到纳米级图形化衬底；
(3)在(2)所述图形化衬底上电子束蒸发镀30nm厚度金膜，并利用剥离工艺将(2)中得到的光刻图形转化为图形化金膜，得到图形化金属衬底；
(4)以(3)所述的图形化金膜为掩模，利用0.2％的TMAH溶液腐蚀铝膜，腐蚀时间为15分钟，从而得到全金属三维纳米光学微腔结构。
在上述3个实施例中：
1.所述衬底可以是硅片、玻璃片以及镀有金属薄膜的硅片或玻璃片；
2.所述作为牺牲层材料的铝膜厚度可以从10nm到数百纳米范围；
3.所述作为金属掩模的厚度从10nm到100nm之间；
4.所述腐蚀溶液浓度或配比，以及腐蚀时间不限于此。
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。

Claims (8)

1.一种三维全金属微腔结构表面等离激元阵列加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)衬底材料准备；
(2)在(1)所述衬底上沉积金属铝；
(3)在(2)所述沉积层上进行光刻形成图形化衬底，具体而言：先旋涂光刻胶，并通过曝光和显影以制备预定图形；
(4)在(3)所述图形化衬底上沉积金属，并利用剥离工艺将光刻图形转化为金属图形，得到图形化的金属衬底；
(5)以(4)所述的图形化金属为掩模，用铝腐蚀液腐蚀铝膜，通过横向钻蚀形成三维腔体结构。
2.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述衬底材料可以是硅片、玻璃片以及沉积有金属薄膜的硅片、玻璃片。
3.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述的金属铝沉积方法是磁控溅射镀膜法或者电子束蒸发镀膜法，其厚度可以从10纳米到几百纳米均可。
4.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述的光刻方法是电子束曝光或深紫外光刻技术，光刻的图形可以是圆形，方形，十字型等对称结构，或椭圆，三角等非对称结构，其关键尺寸在数十纳米到数百纳米之间。
5.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，步骤(4)所述金属沉积方法是电子束蒸发镀膜法，所述的金属材料可以是不同于铝的其他金属材料，比如金、银、铜等。
6.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述的铝腐蚀液是低浓度的四甲基氢氧化铵溶液，其浓度范围从0.1％-5％，或者85％磷酸、70％硝酸、醋酸和水按4∶1∶4∶1比例混合。
7.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述三维腔体的形状、高度、宽度可以通过对光刻图形的设计、铝膜的厚度以及铝腐蚀液的腐蚀时间来控制。
8.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述三维腔体的为全金属结构，其金属的欧姆损耗可以增强光学吸收，并结合光学微腔的电磁能量局限效应，可实现近完美吸收(吸收率接近100％)的光学特性。
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