CN114114830A - 基于金属纳米柱结构的高分辨率显示器制作方法 - Google Patents

基于金属纳米柱结构的高分辨率显示器制作方法 Download PDF

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赵悦
倪波
刘慧研
张思嘉
常建华
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Abstract

本发明公开了基于金属纳米柱结构的高分辨率显示器制作方法，所述方法包括步骤：在平整光滑的玻璃表面旋涂光刻胶，采用电子束曝光法制作周期有序的圆环结构；对圆环结构进行反应离子刻蚀，得到环形腔结构,并在环形腔结构内加入NOA之后揭下，得到周期圆柱；在周期圆柱上涂压印胶，待纳米压印胶固化后撕下得到压印胶上的周期环形腔结构；对周期环形腔结构进行加热，加热后会改变环形腔结构上边缘的弧度以及圆柱的弧度，通过加热不同的时间使边缘产生不同的形变，再在周期环形腔结构镀铝膜；激发周期环形腔结构表面等离激元，从而在不同程度形变处显示出不同颜色。本发明基于金属环形腔结构的高分辨率显示器提高了像素分辨率，解决了颜色染料的污染问题，染色像素的大小问题。

Description

基于金属纳米柱结构的高分辨率显示器制作方法
技术领域
本发明涉及一种基于金属纳米柱结构的高分辨率显示器制作方法，属于光学显示器技术领域。
背景技术
自然界中的昆虫和蝴蝶等就是主要通过薄片或多层结构的干涉、光栅衍射、光子晶体、光的散射等效应产生颜色，这种产生颜色的方法催生了结构色显示器领域。但结构色要进一步发展，面临的一个重要挑战是光衍射极限的限制。微纳金属结构制备技术的发展为突破衍射极限实现高分辨率提供了一个新的途径。金属微纳结构与光相互作用可产生表面等离激元共振（SPRs），SPRs可操纵光的偏振性、相位和强度，而且其次级衍射局域效应可以突破衍射限制，这使得金属微纳结构结构具备产生超高分辨颜色的能力。
传统的结构色显示器有几方面的限制：只能实现静态的结构色、缺乏大面积制备纳米结构的工艺、只能实现单一像素且颜色范围窄、分辨率低等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于金属纳米柱结构的高分辨率显示器制作方法，以解决现有技术缺陷。
基于金属纳米柱结构的高分辨率显示器制作方法，所述方法包括步骤：
在平整光滑的玻璃表面旋涂光刻胶，采用电子束曝光法制作周期有序的圆环结构；
对圆环结构进行反应离子刻蚀，得到环形腔结构,并在环形腔结构内加入NOA之后揭下，得到周期圆柱；
在周期圆柱上涂纳米压印胶，待纳米压印胶固化后撕下得到压印胶上的周期环形腔结构；
对周期环形腔结构进行加热，再在周期环形腔结构镀铝膜；
激发周期环形腔结构表面等离激元，显示出不同颜色。
进一步地，对周期环形腔结构进行加热的方法包括：在周期环形腔结构边缘使用二氧化碳激光器加热。
进一步地，周期环形腔结构镀铝膜的方法包括：使用磁控溅射法在加热后的压印胶表面镀一层铝膜。
进一步地，所述光刻胶为PMMA-A4正性光刻胶。
进一步地，对圆环结构表面的光刻胶使用RIE刻蚀，选取CHF3作为刻蚀气体。
进一步地，除去玻璃表面光刻胶的方法包括：采用臭氧去离子水除去玻璃表面光刻胶。
进一步地，在去除光刻胶时，使用的是臭氧溶于去离子水而获得的臭氧去离子水，雾化后喷淋于玻璃表面。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：体现了金属微纳结构显示器色彩鲜明、对比度高、不受外界环境变化的优势，基于金属环形腔结构的高分辨率显示器提高了像素分辨率，解决了颜色染料的污染问题，染色像素的大小问题，以及在高温或者在紫外线照射下的不耐用问题，超材料结构色都能完美的解决，近年来无论是在表面等离激元超高像素成像，表面等离激元液晶显示，表面等离激元发光还是在结构色信息编码方面都有很重要的应用。
附图说明
图1(a)(b)是在图10结构上磁控溅射一层铝的示意图；
图2是本发明在光滑平整的硅片表面涂覆光刻胶示意图；
图3是对图2进行电子束曝光的示意图；
图4是以图3中得到的圆环结构为掩膜，进行CHF3反应离子刻蚀硅片后的示意图；
图5是把图4结构上光刻胶去除后的示意图；
图6是在图5涂覆NOA胶后的示意图；
图7是将图6的NOA胶撕下后示意图；
图8是在图7结构上旋涂纳米压印胶的示意图；
图9是将图8的压印胶撕下后的示意图；
图10(a)(b)(c)分别是对图9使用AFM探针局部加热不同时间的示意图；
图11是本发明制作流程图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1-图10所示，公开了基于金属纳米柱结构的高分辨率显示器制作方法，其截面示意图如图1(a)(b)所示。该显示器的结构主要包括金属铝和周期有序的环形腔结构。
具体制作方法包括步骤：
在平整光滑的玻璃表面旋涂一层PMMA正性光刻胶，然后进行电子束曝光得到周期有序的圆环结构，而后使用RIE刻蚀法通入
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE001
气体对硅片上形成的周期孔洞结构进行刻蚀，刻蚀未被光刻胶覆盖的硅片表面，在玻璃表面得到周期有序的环形腔结构，随后使用臭氧去离子水除去玻璃表面光刻胶，然后在玻璃表面滴NOA胶，待NOA胶紫外固化后与玻璃表面分离，得到NOA胶平面上的圆柱微纳结构，之后在NOA胶上旋涂一层纳米压印胶，待纳米压印胶固化后撕下得到压印胶上的环形腔结构；
最后在不同区域环形腔边缘使用二氧化碳激光器加热不同时间后，使用磁控溅射法在热固胶表面镀一层铝膜，得到铝环形腔结构，进而得到不同的结构色高分辨率显示器；需要注意的是，在去除光刻胶时，使用的是臭氧溶于去离子水而获得的臭氧去离子水，雾化后喷淋于硅片表面。
加热的具体方法包括：使用二氧化碳激光器对纳米柱进行加热，改变金属铝的厚度，使微纳结构发生改变。
本发明的金属环形腔结构的制备流程图如图1-10所示；
a) 取1.5×1.5得小片硅，分别经过乙醇、丙酮、去离子水15分钟超声清洗，之后由
Figure RE-722836DEST_PATH_IMAGE002
清洗机处理10分钟。
b) 对硅片前烘，采用热板180摄氏度，90s，前烘后对硅片旋涂一层光刻胶，厚度为200nm，如图2所示；
c) 使用电子束曝光系统束流为100uA，加压电压为50kV；
d) 显影采用MIBK:IPA=1：3，90s；定影采用IPA,30s。待纳米孔图案形成后，如图3所示；将臭氧溶于去离子水形成臭氧去离子水，雾化后喷淋于硅片表面，在硅片表面的到周期纳米孔洞阵列。如图5所示；
e) 以步骤d) 得到的纳米孔阵列为掩膜，用射频功率300W、CHF3通量40sccm、气压5Pa、刻蚀时间40s的反应离子刻蚀机刻蚀未被覆盖的硅片表面，刻蚀深度约为300nm，如图4所示；
f) 对步骤e) 得到的结构，将臭氧溶于去离子水形成臭氧去离子水，雾化后喷淋于硅片表面，在硅片表面的到周期纳米孔洞阵列。如图5所示；
g) 对步骤f) 的结构涂覆一层NOA胶，进行紫外固化，如图6所示；
h) 对步骤g) 上的NOA胶蘸取少许工业酒精转移NOA胶上的纳米柱结构，如图7所示；
i) 对步骤h) 得到的结构上旋涂一层纳米压印胶，如图8所示；
j) 把步骤i) 得到的结构，固化后撕下纳米压印胶，如图9所示；
K)对步骤j)得到的结构，采用二氧化碳激光器对纳米柱局部加热不同时间，分别如图10(a)(b)(c)所示；
l)在步骤k)得到的结构采用磁控溅射法镀一层厚度约为100nm的铝，如图1所示。
在本实施例中，采用电子束曝光法制备圆环阵列作为刻蚀掩膜，所用光刻胶为PMMA-A4正性光刻胶，厚度为200nm，圆孔直径为100nm，间距约为50nm。
本实施例中在刻蚀后的周期纳米孔洞阵列涂覆NOA胶，待NOA胶固化后撕下得到纳米空心柱结构。
进一步的，在NOA胶上纳米空心柱结构旋涂一层纳米压印胶，待压印胶固化后撕下得到环形腔结构。
传统的光学显示器存在着传输信号易受干扰、从不同的角度观看会产生失真等问题，与其相比，体现了金属微纳结构显示器色彩鲜明、对比度高、不受外界环境变化的优势，基于金属环形腔结构的高分辨率显示器提高了像素分辨率，解决了颜色染料的污染问题，染色像素的大小问题，以及在高温或者在紫外线照射下的不耐用问题，超材料结构色都能完美的解决，近年来无论是在表面等离激元超高像素成像，表面等离激元液晶显示，表面等离激元发光还是在结构色信息编码方面都有很重要的应用。
主要工作原理：本发明依据光会激发金属微纳结构产生表面等离激元结构色，改变金属纳米柱结构形状和周期排列，可以调控其激发等离激元的共振频率实现不同的颜色。通过加热时间的控制，改变纳米柱的弧度以及上边缘的弧度从而产生形变，镀金属后会根据形变的不同，产生不同的颜色，控制反射光谱的dip出现在不同的波长处，实现对不同波长段光的吸收，反射的波段可以显示出不同的颜色，从光学显微镜中可以观察到不同的结构色，进而实现高分辨率显示器。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.基于金属纳米柱结构的高分辨率显示器制作方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
在平整光滑的玻璃表面旋涂光刻胶，采用电子束曝光法制作周期有序的圆环结构；
对圆环结构进行反应离子刻蚀，得到环形腔结构,并在环形腔结构内加入NOA之后揭下，得到周期圆柱；
在周期圆柱上涂纳米压印胶，待纳米压印胶固化后撕下得到压印胶上的周期环形腔结构；
对周期环形腔结构进行加热，再在周期环形腔结构镀铝膜；
激发周期环形腔结构表面等离激元，显示出不同颜色。
2.根据权利要求1所述的基于金属纳米柱结构的高分辨率显示器制作方法，其特征在于，对周期环形腔结构进行加热的方法包括：在周期环形腔结构边缘使用二氧化碳激光器加热。
3.根据权利要求1所述的基于金属纳米柱结构的高分辨率显示器制作方法，其特征在于，周期环形腔结构镀铝膜的方法包括：使用磁控溅射法在加热后的压印胶表面镀一层铝膜。
4.根据权利要求1所述的基于金属纳米柱结构的高分辨率显示器制作方法，其特征在于，所述光刻胶为PMMA-A4正性光刻胶。
5.根据权利要求1所述的基于金属纳米柱结构的高分辨率显示器制作方法，其特征在于，对圆环结构表面的光刻胶使用RIE刻蚀，选取
Figure RE-381843DEST_PATH_IMAGE001
作为刻蚀气体。
6.根据权利要求1所述的基于金属纳米柱结构的高分辨率显示器制作方法，其特征在于，除去玻璃表面光刻胶的方法包括：
采用臭氧去离子水除去玻璃表面光刻胶。
7.根据权利要求6所述的基于金属纳米柱结构的高分辨率显示器制作方法，其特征在于，在去除光刻胶时，使用的是臭氧溶于去离子水而获得的臭氧去离子水，雾化后喷淋于玻璃表面。
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