CN1775658A

CN1775658A - 表面等离子体微纳结构成形方法

Info

Publication number: CN1775658A
Application number: CN 200510130611
Authority: CN
Inventors: 董小春; 杜春雷; 罗先刚; 李淑红; 邓启凌
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2005-12-15
Filing date: 2005-12-15
Publication date: 2006-05-24

Abstract

表面等离子体微纳结构成形方法：(1)根据需要选择腐蚀材料作为基底；(2)在基底材料表面蒸镀一层金属掩蔽膜层；(3)在金属膜层材料表面涂光刻胶，并根据目标结构中的线条分布情况，采用光刻工艺使光刻胶和金属膜层图形化；(4)将带有图形化的金属膜层以及光刻胶层的基底放置在相应的腐蚀液中进行腐蚀；(5)腐蚀过程中，金属膜层下面的基底材料被侧向腐蚀掉，被金属掩盖的基底材料变细，当基底材料与掩蔽层金属无连接时，停止腐蚀，并去掉表面的金属层和光刻胶层，即可获得几十纳米甚至几纳米的线条宽度；(6)以带有纳米级线条的基底为模板进行复制，即可得到纳米级的线条分布。本发明可实现大面积、任意线条图形、细线宽的微纳结构。

Description

表面等离子体微纳结构成形方法

技术领域

本发明涉及一种微纳结构成形方法，特别是表面等离子体微纳结构成形方法。

背景技术

近年来，随着微纳加工技术和纳米材料的迅速发展，微纳金属结构的电磁学性质正受到越来越多的关注。光与表面微纳金属结构的相互作用产生了一系列新的奇异物理现象，例如，1998年法国科学家Ebbesen及其合作者发现通过亚波长金属孔列阵的光的异常增强现象Extraordinary OpticalTransmission；随后H.J.Lezec等人的研究进一步表明：当光透过亚波长金属纳米孔时，其透过率不仅可以得到增强，而且光束的衍射角度非常小，传输方向不遵循通常电介质结构中的衍射规律。此外，与表面等离子体金属微纳结构有关新现象还有：光与特殊分布的金属微结构作用后，出现沿左手规则传播的特性，说明材料具有负折射率；光通过特定金属纳米孔结构后，光波出射具有极好的方向性等。微纳金属结构表面等离子体波的研究已经形成一个新的领域，基于微纳金属结构的新型表面等离子体技术可以被广泛应用于军事、医疗、国家安全等多个领域。

微纳金属结构的成形是表面等离子体实验研究与应用的基础，对实现微纳金属结构的成形对于表面等离子体实验研究及应用具有重要意义。由于表面等离子体微纳金属结构要求线宽为亚微米甚至纳米级，因此采用常规的微光刻技术已经无法实现。目前，表面等离子体微纳金属结构主要采用电子束、离子束等直写设备进行加工，但这种加工方法不仅需要昂贵的加工设备，而且制作的微纳结构面积很难突破200微米，其次采用自组装技术也可以制作纳米级的结构，而且结构面积也可以做大，但自组装技术只能制作点阵列，很难用于制作线阵列、环阵列以及其它非阵列的微纳结构，这给需要大面积、细线宽、任意结构的表面等离子体的实验研究以及初步应用带来了很大的问题。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种可实现大面积、任意线条图形结构、细线宽的表面等离子体微纳金属结构成形方法。

本发明的技术解决方案：表面等离子体微纳结构成形方法，其特点在于由以下步骤完成：

(1)首先根据需要选择腐蚀材料作为基底；

(2)在所述的基底材料表面蒸镀一层金属膜层；

(3)在所述的金属膜层材料表面涂光刻胶，并根据目标结构中的线条分布情况，采用光刻工艺使光刻胶和金属膜层图形化；

(4)将带有图形化的金属膜层以及光刻胶层的基底放置在相应的湿法腐蚀液中进行腐蚀；

(5)腐蚀过程中，金属膜层下面的基底材料不断被侧向腐蚀掉，被金属掩盖的基底材料不断变细，当基底材料与掩蔽层金属无连接时，停止腐蚀，并去掉表面的金属层和光刻胶层，即可获得2～20纳米的线条宽度；

(6)以上述带有纳米级线条宽度的基底为模板进行模压复制，即可得到纳米级的线条分布。

在所述的步骤(6)中，当复制板表面需镀有金属膜层时，先通过腐蚀步骤(5)中所得到纳米线条宽度后再进行复制，可得到纳米级的金属线条分布。

所述的基底材料为玻璃、或石英、或硅、或锗。

所述的金属为铬或银。

所述步骤(4)中的腐蚀为湿法腐蚀，或干法腐蚀。

所述步骤(6)的复制可以采用模压复制，或采用经过处理的只有尖端透光的母板进行光刻复制。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)可实现大面积、小线宽的微纳结构成形，为表面等离子体研究与应用奠定基础。

表面等离子体微纳结构由于具有亚微米甚至纳米级的线宽，因此通常采用电子束以及聚焦离子束进行制作。电子束、聚焦离子束设备昂贵，且制作的微图形面积通常小于200微米，这给表面等离子体研究与应用带来了极大困难。而本专利方法采用湿法腐蚀或干法刻蚀实现微纳结构加工，因此不需要昂贵的电子束以及聚焦离子束直写设备即可制作出亚微米甚至纳米级的线条结构，微纳结构的面积可以达到100毫米×100毫米。

(2)可实现自组装技术无法实现的微纳米线条图形以及各种不规则排布图形。

自组装技术是另外一种可制作亚微米甚至纳米结构的方法，由于该方法主要采用直径百纳米级微球进行组合得到微纳结构，因此主要用于制作纳米级的点阵，对于其它如直线形、环形以及任意曲线分布的结构则无能为力。同时自组装技术主要用于制作规则的阵列点阵图形，对于非规则阵列以及非阵列图形(即使是点图形)则很难实现。本发明成形的微纳结构图形可以是环形、直线形以及任意曲线，图形可以是阵列排布、也可以是不规则排布，微纳结构可以是金属结构，也可以非金属结构。

(3)本方法与精密移动装置结合，可代替‘自组装技术’用于制作用于生物、医学探测的高密度点阵。传统的高密度亚微米点阵列结构主要采用“自组装技术”实现。因此，点阵列的排布方式、单元图形形状、单元图形大小及单元图形间距等受到自组装微球的严重限制。采用本发明可以制作出任意的单元图形。阵列图形的排布可以是“四边形排布”，也可以是“六边形排布”以及其它任意排布形式；单元图形大小以及间距不再受到自组装纳米微球的限制。采用湿法腐蚀或干法刻蚀制作的模板与精密移动装置结合可以实现高密度的点阵的制作。

(4)本发明除了具有制作高自由度微结构图形的能力之外，将制作的微纳结构模板与复制工艺或光刻工艺结合，可极大降低微结构的制作成本。

由于本发明具有以上优点，所以可用于成形各种功能的表面等离子体微纳金属结构，为表面等离子体实验研究与应用提供了途径。

附图说明

图1为本发明实施例1中要制作的环形表面等离子体微纳金属结构俯视图，最大圆环口径2000微米，最小线宽10纳米；

图2为本发明实施例1中要制作的环形表面等离子体微纳金属结构剖面图，最小线宽10纳米；

图3为本发明实施例1中蒸镀有100纳米铬层的K9玻璃基底示意图；图中3为K9玻璃，4为金属银材料。

图4为本发明实施例1中经过曝光、显影后，以及去铬液腐蚀后得到图形化的光刻胶线条结构和金属铬线条结构示意图；

图5为本发明实施例1中带有光刻胶线条以及金属铬线条的K9玻璃基底在湿法腐蚀过程中的某个状态示意图；

图6为本发明实施例1中K9玻璃基底与金属铬层不再连接，此时停止湿法腐蚀后得到的K9玻璃材质的微纳结构示意图；

图7为本发明实施例1中采用湿法制作的K9玻璃模板进行复制过程示意图；

图8为本发明实施例1中采用K9玻璃湿法腐蚀模板进行模压复制后得到的带有微纳环形线条的结构示意图。图中1为石英，2为PMMA材料；

图9为本发明实施例2要制作的直线形表面等离子体微纳金属结构俯视图，最小线宽10纳米；

图10为本发明实施例1中要制作的直线形表面等离子体微纳金属结构剖面图，其中最小线宽10纳米；

图11为本发明实施例1中停止湿法腐蚀后得到的K9玻璃材质的微纳结构示意图；

图12为本发明实施例1中在微结构表面涂布阻光材料金属铬后的微结构，微结构仅在尖端透光示意图；

图13为本发明实施例1中采用涂布有阻光材料的微纳结构作为掩模版进行曝光；

图14为本发明实施例1中经过曝光显影并采用去铬液去除暴露的金属铬后得到的纳米级金属狭缝结构。

上述各图中1为石英，2为PMMA材料，3为k9玻璃，4为金属银材料，5为光刻胶，6为有机塑料，7为金属铬。

具体实施方式

实施例1，制作的口径＝2000μm，线条宽度h＝10nm的表面等离子体环形金属结构，其制作过程如下：

(1)首先确定制作的目标结构如图1和图2所示。图1为环形微纳目标结构俯视图，图2为目标结构线条2过中心剖面图。图中1为石英，2为PMMA材料。

(2)选择K9玻璃作为模板基底材料，这主要是由于K9玻璃的腐蚀速率较快，且材料价格低廉，在K9玻璃基底材料1表面蒸镀一层100nm掩膜层，即金属银Ag，剖面如图3所示；图中3为K9玻璃，4为金属银材料。

(3)在金属膜层材料表面旋涂光刻胶S1830，厚度1微米，并对光刻胶进行曝光，在相应位置得到光刻胶线条，然后，采用稀硝酸去除暴露出的金属银，使光刻胶和金属膜层图形化，剖面如图4；图中3为K9玻璃，4为金属银材料，5为光刻胶材料。

(4)将带有图形化的金属膜层以及光刻胶层的基底放置在HF腐蚀液中进行腐蚀。腐蚀中间状态如图5；图中3为K9玻璃，4为金属银材料，5为光刻胶材料。

(5)腐蚀过程中，金属膜层下面的基底材料不断被侧向腐蚀掉，被金属掩盖的基底材料不断变细。当基底材料与掩蔽层金属无连接时，停止腐蚀。去掉表面的金属层和光刻胶层，即可获得几十纳米甚至几纳米的线条宽度，剖面如图6；图中3为K9玻璃。

(6)以带有纳米级线条的基底为模板进行模压复制，即可得到纳米级的线条分布，模压过程如图7所示，模压结果剖面如图8所示。图中1为石英，2为PMMA材料，3为K9玻璃。

实施例2，制作一个纳米级线宽的光刻胶线条阵列。

(1)同样首先确定目标结构。图9为线条微纳目标结构俯视图，图10为目标结构剖面图。图中6为有机塑料，4为金属银材料。

(2)选择K9玻璃作为模板基底材料，在K9玻璃基底材料表面蒸镀一层100nm掩膜层金属铬Cr。

(3)在金属膜层材料表面旋涂光刻胶S1830，厚度1微米。对光刻胶进行曝光，在相应位置得到光刻胶线条。然后，采用去铬液去除暴露出的金属铬，使光刻胶和金属膜层图形化。

(4)将带有图形化的金属膜层以及光刻胶层的基底放置在HF腐蚀液中进行腐蚀，或者采用干法刻蚀技术进行刻蚀。

(5)湿法腐蚀或干法刻蚀过程中，金属膜层下面的基底材料不断被侧向钻蚀掉，被金属掩盖的基底材料不断变细。当基底材料与膜层金属无连接时，停止腐蚀。去掉表面的金属层和光刻胶层，即可获得小于20nm的线条宽度，剖面如图11所示；图中3为K9玻璃。

(6)将微图形表面大部分区域蒸镀金属反光材料铬，仅使微结构尖端透光。剖面如图12所示；图中3为k9玻璃，7为金属铬。

(7)为了得到金属银线条结构，在基底材料表面镀有金属材料银，并在银层表面涂敷20纳米光刻胶。最后以微结构为模板在抗蚀剂表面进行曝光，曝光过程如图13。图中3为K9玻璃，4为金属银，5为光刻胶，6为有机塑料，7为金属铬。

(8)显影曝光完成后，采用HNO3去除暴露的金属银。最后清洗掉光刻胶，即可得到与微结构尖端尺寸相当金属银线条结构，剖面如图14所示。

Claims

1、表面等离子体微纳结构成形方法，其特征在于由以下步骤完成：

(1)首先根据需要选择腐蚀材料作为基底；

(2)在所述的基底材料表面蒸镀一层金属膜层；

(4)将带有图形化的金属膜层以及光刻胶层的基底放置在相应的腐蚀液中进行腐蚀；

(6)以上述带有纳米级线条宽度的基底为模板进行复制，即可得到纳米级的线条分布。

2、根据权利要求1所述的表面等离子体微纳结构成形方法，其特征在于：在所述的步骤(6)中，当复制板表面需镀有金属膜层时，先通过腐蚀步骤(5)中所得到纳米线条宽度后再进行复制，可得到纳米级的金属线条分布。

3、根据权利要求1或2所述的表面等离子体微纳结构成形方法，其特征在于：所述的基底材料为玻璃、或石英。

4、根据权利要求1或2所述的表面等离子体微纳结构成形方法，其特征在于：所述的金属为铬或银。

5、根据权利要求1或2所述的表面等离子体微纳结构成形方法，其特征在于：所述步骤(4)中的腐蚀为湿法腐蚀或干法腐蚀。

6、根据权利要求1或2所述的表面等离子体微纳结构成形方法，其特征在于：所述步骤(6)的复制可以采用模压复制，或采用经过处理的只有尖端透光的母板进行光刻复制。

7、根据权利要求1或2所述的表面等离子体微纳结构成形方法，其特征在于：金属膜层厚度通常为20～500nm。