CN110568527A - 一种共振型soi超表面及其在纳米印刷术中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种共振型SOI超表面及其在纳米印刷术中的应用。SOI超表面由多个单元结构周期性阵列于一平面形成，该单元结构共三层结构：纳米砖阵列(晶体硅材料)、中间介质层(熔融石英材料)以及硅衬底(晶体硅材料)。纳米印刷术以SOI超表面为基础，实现高分辨率、灰度信息无损的纳米印刷功能，不仅所设计的超表面体积小、结构紧凑，并且与半导体工艺完全兼容，可广泛应用于高密度光信息存储、高端产品防伪等领域。

Description

一种共振型SOI超表面及其在纳米印刷术中的应用

技术领域

本发明涉及微纳光学和偏振光学领域，具体是指一种共振型SOI超表面及其在纳米印刷术中的应用。

背景技术

目前，超表面由于其简单的结构及对光波的精确调控而广受关注。基于超表面的各种光学器件相继被研发，例如透镜、全息片、光栅等。然而，大规模化制造加工是超表面面临的最大问题，因此，需要发展新的超表面的设计方法以兼容目前光学器件的加工工艺，并适应目前光学系统日益微型化、集成化的新趋势。

本发明提出一种基于共振型SOI超表面的纳米印刷术，不仅实现了具有高分辨率、连续灰度信息的灰度图像存储及再现，更设计了一种可与半导体工艺相兼容的超表面设计方法，可极大简化加工工艺，实现大规模的制造及应用。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明通过结构设计提供一种加工简易的共振型SOI超表面并实现高分辨率的纳米印刷。

本发明提供技术方案如下：

一种基于共振型SOI超表面，其特征在于：

由多个单元结构周期性排列于一平面上构成；

所述单元结构包括三层结构，由下至上依次为基底、介质层和顶层；

其中，

基底为具有正方形顶面的方块；

介质层为具有正方形顶面的方块；

顶层为纳米砖；

基底和介质层的顶面边长相同；

所述超表面对光的调制为沿纳米砖长轴偏振的光在纳米砖中发生共振，光直接反射；沿短轴偏振的光在介质层中发生多光束干涉，能量被硅衬底吸收，以达到偏振分离的作用。

具体的，所述基底和顶层为晶体硅材料；介质层为熔融石英。

具体的，所述基底厚度约0.5mm；顶层硅材料厚度H和介质层厚度d由SOI材料型号决定。

具体的，所述纳米砖为长方体结构或椭圆形，其参数长/长轴L、宽/短轴W、高H均为亚波长尺寸；所述单元结构的周期C为介质层顶面的边长。

具体的，通过电磁仿真法优化纳米砖的几何结构参数L、W和C调控分别沿纳米砖长短轴方向偏振的线偏光的电磁响应，以使得优化后的纳米砖在工作波长下，沿SOI纳米砖长轴偏振的反射率达到最高且沿SOI纳米砖短轴偏振的反射率被抑制到最低。该电磁响应最终表现如下：

(1)沿纳米砖长轴偏振的线偏光正入射到纳米砖上时，纳米砖中发生局域磁场增强，直接全部反射；

(2)沿纳米砖短轴偏振的线偏光正入射到纳米砖上时，不发生电磁场增强现象，直接透过纳米砖，在中间介质层内发生多光束干涉现象，使得大部分光在来回反/透射过程中被硅材料(基底)吸收，反射率被抑制。

具体的，所述周期为纳米砖阵列中横向和纵向上相邻电介质纳米砖的中心轴的距离。

具体的，以介质层顶面两边为x轴和y轴，顶点为原点建立xoy坐标系，纳米砖长轴与x轴的夹角为纳米砖旋向角α，α范围为0～90°，其长轴方向的反射率按照马吕斯定律变化。通过旋向角α的改变对光的反射率进行精确且连续的调控，调控原理可表示为：

R＝R_x,0·cos²α (1)

公式(1)表明，当SOI纳米砖旋向角α变化时，沿x轴方向偏振的线偏光(简称x轴线偏光)入射，其反射率将会被调制，若设α为0时反射光的反射率为R_x,0，则α变化时x轴线偏光的反射率被调制为R_x,0的cos²α倍。由公式(1)可看出，SOI纳米砖对于x轴线偏光的反射率的调制作用是精确、连续的。

本发明的另一目的在于提供上述超表面应用于纳米印刷中的方法：基于SOI纳米砖对反射率的精确调控，可依据公式(1)设计印刷图案，将相应信息保存于纳米砖阵列的旋向角排布中，以实现具有任意灰度变化且分辨率极高的灰度图案的纳米印刷。

本发明的有益效果：

(1)本发明将半导体原材料SOI与超表面相结合，设计了一种具有偏振分离功能的超表面结构，极大简化了加工工艺，是将超表面推向大规模制造趋势的一次创新；

(2)本发明可以通过改变纳米砖的方向角，实现精确且连续的反射率调制；

(3)本发明将SOI超表面与纳米印刷相结合，可实现具有无损信息传输优势的高分辨率纳米印刷；

(4)本发明与现有的半导体制造工艺完美兼容，可直接应用于硅芯片加密、高密度信息存储、高端产品防伪等诸多应用领域。

附图说明

图1是实施例中SOI纳米砖单元的三维立体结构示意图；

图2是实施例中针对610nm波长设计的SOI纳米砖旋向角α为0时，x轴线偏光、y轴线偏光正入射情况下在可见光范围内的反射率谱；

图3是x轴线偏光正入射，实施例中针对610nm设计的SOI纳米砖在不同旋向角α情况下的归一化光强分布；

图4是本发明实施例中基于共振型SOI超表面的纳米印刷过程的模拟示意图。

图中：1-基底；2-介质层；3-纳米砖；L为纳米砖长轴尺寸；W为纳米砖短轴尺寸；H为纳米砖高度；C为纳米砖周期尺寸大小；α为纳米砖方向角；d为介质层厚度。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步说明，本发明的内容完全不限于此。

实施例

图1示出了本实施例制备的共振型SOI超表面的单元结构，该单元结构包括三层结构，由下至上依次为基底、介质层和顶层；

基底为具有正方形顶面的方块，由晶体硅材料制成；

介质层为具有正方形顶面的方块，由熔融石英制成；

顶层为长方体纳米砖，其长L、宽W和高H均为亚波长尺寸；

基底和介质层的顶面边长相同；

所述单元结构的周期C为介质层顶面的边长。

多个单元结构周期性排列于一平面上形成超表面，周期为介质层顶面的边长C。

所述纳米砖可采用本领域常规的光刻工艺制作，下面将提供一种具体制备工艺，包括以下步骤：

(1)SOI材料表面涂镀光刻胶；

(2)采用电子束直写或光刻机曝光光刻胶；

(3)依次经显影、刻蚀，即在介电层上获得晶体硅构成的纳米砖阵列。

利用上述超表面实现纳米印刷的具体实施过程如下：

本实施例中，选取610nm为响应波长，沿x轴偏振的正入射线偏光为激励光源。

第一步，采用电磁仿真软件建模仿真，针对610nm波长进行优化，以沿长轴偏振线偏光全部反射且沿短轴偏振线偏光反射率最低为优化对象，优化设计SOI纳米砖结构的几何参数。工作波长为610nm，选择SOI材料的顶层硅高度为220nm(由于硅纳米砖的高度一般在半个波长左右，因此根据SOI的不同型号对应尺寸参数进行选取顶层硅的高度)，中间介质层对应为2000nm(根据顶层硅高度的选取确定SOI材料型号后，中间介质层的厚度亦被固定)。优化后的SOI纳米砖单元的几何结构参数为：L＝180nm、W＝60nm、C＝300nm。对其结构进行反射率的仿真计算(本实施例工作在可见光波段，晶体硅在可见光波段具有损耗，因此SOI纳米砖只工作在反射模式)，波段范围为540nm～740nm，仿真结果如图2所示，R_l、R_s分别为沿纳米砖长轴、短轴方向偏振的线偏光(简称长轴线偏光、短轴线偏光)入射时的反射率。从图2可以看出，该结构在610nm处实现了长轴线偏光与短轴线偏光的偏振分离(反射光)，长轴线偏光反射率达到86％且短轴线偏光反射率抑制至9％。虽然短轴线偏光由于中间介质层的影响在整个波段范围内的反射率有明显的震荡起伏，但长轴线偏光不仅具有较高反射率并且带宽也较大(半高宽100nm左右)，因此该结构可看做一个宽带起偏器。此处只考虑纳米印刷功能，故不考虑起偏器的消光比系数较低这一问题。

改变纳米砖的旋向角，即可对入射到SOI纳米砖的线偏振光的反射率进行调制，从而实现光强的连续、精确调制。x轴线偏光(反射)的光强调制作用如图3所示。电磁仿真软件中，模拟x轴线偏光垂直入射时，纳米砖旋向角变化的情况下反射光的归一化光强结果为图3中的仿真结果。受到中间介质层及硅衬底带来的多光束干涉作用，y轴线偏光的反射率不得不被考虑，因此公式(1)可被优化为

R_x,α＝R_x,0·cos²α+R_y,0·sin²α (2)

当α变化时，x轴线偏光的反射光由R_x,0和R_y,0两项共同作用，R_y,0为α＝0时y轴线偏光入射对应反射光的反射率。根据公式(2)可计算得出x轴线偏光反射光的归一化光强理论值，如图3中理论计算结果所示。图3表明，x轴线偏光的反射光光强可通过公式(2)进行理论计算，只需改变纳米砖的旋向角，即可实现精确、连续的光强调制。

第二步，经过第一步，即可确定单个SOI纳米砖单元的结构，基于马吕斯定律，可将用于纳米印刷且只具有灰度信息的图案转换成纳米砖的旋向角排布矩阵。

第三步，将纳米砖单元按照旋向角排布矩阵进行紧密排列，可获得SOI纳米砖阵列。

第四步，根据第三步确定的SOI纳米砖阵列结构，采用光刻工艺制备SOI纳米砖阵列，将图案信息转移到SOI超表面上。

第五步，使用起偏器和滤波片，使中心波长为610nm的x轴线偏光正入射到SOI超表面上，即可在其表面观察到具有高分辨率、丰富灰度信息的图案，其成像模拟过程如图4所示，其中，给出了图案部分元素的反射光的振幅分布。

本发明基于共振型SOI超表面的纳米印刷术，以SOI材料为基础，设计共振型SOI超表面对光强进行精确、连续的操控，实现高分辨率的纳米印刷功能，不仅所设计的超表面体积小、结构紧凑，并且与半导体工艺完全兼容，可广泛应用于高密度光信息存储、高端产品防伪等领域。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种共振型SOI超表面，其特征在于：

由多个单元结构周期性阵列于一平面上构成；

所述单元结构包括三层结构，由下至上依次为基底、介质层和顶层；

其中，

基底为具有正方形顶面的方块；

介质层为具有正方形顶面的方块；

顶层为纳米砖；

基底和介质层的顶面边长相同；

所述超表面对光的调制为沿纳米砖长轴偏振的光在纳米砖中发生共振，光直接反射；沿短轴偏振的光在介质层中发生多光束干涉，能量被硅衬底吸收，以达到偏振分离的作用。

2.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于：所述基底和顶层为晶体硅材料；介质层为熔融石英。

3.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于：所述基底厚度约0.5mm；纳米砖高度H和介质层厚度d由SOI材料型号决定。

4.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于：所述纳米砖为长方体结构或椭圆形，其参数长/长轴L、宽/短轴W、高H均为亚波长尺寸；所述单元结构的周期C为介质层顶面的边长。

5.根据权利要求4所述的超表面，其特征在于：通过电磁仿真法优化纳米砖的几何结构参数L、W和C，调控分别沿纳米砖长短轴方向偏振的线偏光的电磁响应。

6.根据权利要求5所述的超表面，其特征在于，所述电磁响应最终表现如下：

(1)沿纳米砖长轴偏振的线偏光正入射到纳米砖上时，在纳米砖中发生局域磁场增强，直接全部反射；

(2)沿纳米砖短轴偏振的线偏光正入射到纳米砖上时，不发生电磁场增强现象，直接透过纳米砖，在介质层中发生多光束效应，能量被硅衬底吸收，反射率被抑制。

7.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于：所述周期为纳米砖阵列中横向和纵向上相邻电介质纳米砖的中心轴的距离。

8.根据权利要求1所述的超表面，其特征在于：以介质层顶面两边为x轴和y轴，顶点为原点建立xoy坐标系，纳米砖长轴与x轴的夹角为纳米砖旋向角α，α范围为0～90°。

9.根据权利要求8所述的超表面，其特征在于：通过旋向角α的改变对光的反射率进行精确且连续的调控。

10.权利要求1-9所述的超表面应用于纳米印刷的方法，其特征在于：基于SOI纳米砖对反射率的精确调控，依据马吕斯定律设计印刷图案，将图案相应的强度信息保存于纳米砖阵列的旋向角排布中，以实现具有任意灰度变化且分辨率极高的灰度图案的纳米印刷。