專利名稱：利用縫隙腐蝕成形金屬納米結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米結(jié)構(gòu)成形方法，特別是利用縫隙腐蝕成形金屬納米結(jié)構(gòu)的制 作方法。
背景技術(shù)：
近幾年來(lái)，隨著亞波長(zhǎng)光學(xué)及微納結(jié)構(gòu)制作手段的迅速發(fā)展，對(duì)亞波長(zhǎng)光學(xué)結(jié)構(gòu) 尤其是金屬結(jié)構(gòu)的近場(chǎng)光學(xué)性能有了大量的研究，近場(chǎng)光學(xué)的理論和應(yīng)用研究得了到迅 速發(fā)展。1998年，EW3esen及其合作者發(fā)現(xiàn)通過(guò)亞波長(zhǎng)微納金屬孔列陣的光在某些波 長(zhǎng)處有異常的增強(qiáng)現(xiàn)象，他們的數(shù)值比經(jīng)典的孔徑理論所計(jì)算出的大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。之后， H. J. Lezec等人的研究發(fā)現(xiàn)，在亞波長(zhǎng)光學(xué)結(jié)構(gòu)中，不僅光的透過(guò)率可以得到增強(qiáng)，其透過(guò) 光束的傳輸方向也可以得到有效的控制。此外，與表面等離子體金屬微納結(jié)構(gòu)有關(guān)新現(xiàn)象 還有光與特殊分布的金屬微納結(jié)構(gòu)作用后，出現(xiàn)沿左手規(guī)則傳播的特性，說(shuō)明材料具有負(fù) 折射率；光通過(guò)特定金屬微納孔結(jié)構(gòu)后，光波出射具有極好的方向性等等，這引起了人們對(duì) 亞波長(zhǎng)金屬微結(jié)構(gòu)的興趣，出現(xiàn)了近場(chǎng)光學(xué)、亞波長(zhǎng)光學(xué)、等離子體光學(xué)等，都是研究納米 尺度下光子的各種特性及其與物質(zhì)的相互作用，納米金屬光學(xué)的研究已經(jīng)形成一個(gè)新的領(lǐng) 域?；谖⒓{金屬結(jié)構(gòu)的新型表面等離子體技術(shù)可以被廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、國(guó)家安全等 多個(gè)領(lǐng)域。微納金屬結(jié)構(gòu)的成形是表面等離子體實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)微納金屬結(jié)構(gòu)的成形 對(duì)于表面等離子體實(shí)驗(yàn)研究及應(yīng)用具有重要意義。由于表面等離子體微納金屬結(jié)構(gòu)要求線 寬為亞微米甚至納米級(jí)，因此采用常規(guī)的微光刻技術(shù)已經(jīng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。目前，表面等離子體微 納金屬結(jié)構(gòu)主要通過(guò)電子束、聚焦離子束等直寫設(shè)備進(jìn)行加工，這種加工方法不僅需要昂 貴的加工設(shè)備，而且制作的維納結(jié)構(gòu)面積很難突破200微米；其次，采用自組裝技術(shù)也可以 實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)制作，而且可以把圖形面積做大，單自組裝技術(shù)只能制作點(diǎn)陣列，很難實(shí)現(xiàn)線 陣列、環(huán)陣列以及其他非陣列的微納結(jié)構(gòu)，這給需要大面積、細(xì)線寬、任意結(jié)構(gòu)的表面等離 子體的實(shí)驗(yàn)研究以及初步應(yīng)用帶來(lái)了很大的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可實(shí)現(xiàn)大面積、任意線 條圖形的利用縫隙腐蝕成形金屬納米結(jié)構(gòu)的制作方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案利用縫隙腐蝕成形金屬納米結(jié)構(gòu)的制作方法，步驟如 下(1)根據(jù)需要選擇基片材料，基底材料為玻璃、石英、硅或鍺；(2)在基片材料表面蒸鍍一層金屬膜層，金屬膜層的材料為金、銀、鉻、鋁或銅；金 屬膜的厚度為10nm-200nm ；(3)在所述的金屬膜層表面旋涂一層正型或負(fù)型紫外光刻膠，光刻膠厚度為 20nm-50 μ m,形成樣片；
(4)根據(jù)所需要的金屬納米線條分布情況選擇光刻掩模，光刻掩模為二元掩模，或 灰度掩模。并用紫外曝光機(jī)對(duì)光刻膠樣品進(jìn)行曝光；曝光時(shí)間為3s-3600s ；(5)將曝光后的樣片放入顯影液內(nèi)顯影，使光刻膠圖形化，同時(shí)在顯影液的浸泡 下，使光刻膠結(jié)構(gòu)邊緣與金屬膜之間形成縫隙；縫隙長(zhǎng)度和形狀與光刻膠結(jié)構(gòu)的邊緣完全 相同，寬度為10-200nm，深度與金屬膜的厚度相同，為10-200nm ；(6)將圖形化的光刻膠結(jié)構(gòu)放入烘箱烘焙，烘焙溫度為60°C -120°c，使所述的縫 隙固定；(7)將上述樣片放入金屬腐蝕液里腐蝕，腐蝕液的原料和配比根據(jù)具體金屬材料 來(lái)選擇，腐蝕時(shí)間為2s-15s，即可在光刻膠與金屬膜的縫隙處產(chǎn)生縫隙腐蝕，當(dāng)縫隙內(nèi)外金 屬無(wú)連接時(shí)，將樣片從腐蝕液內(nèi)取出并用去離子水沖洗干凈；(8)洗去樣片上的光刻膠結(jié)構(gòu)，即在金屬上得到與縫隙邊緣一致的20-80nm的金 屬納米結(jié)構(gòu)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)表面等離子體納米光學(xué)結(jié)構(gòu)由于具有納米級(jí)的線寬，因此通常采用電子束以 及聚焦離子束進(jìn)行制作。電子束、聚焦離子束設(shè)備昂貴，且制作的微圖形面積通常小于200 微米，這給表面等離子體研究與應(yīng)用帶來(lái)了極大困難。而本發(fā)明方法采用一次性縫隙腐蝕 實(shí)現(xiàn)整個(gè)樣片上大面積內(nèi)的納米結(jié)構(gòu)加工，因此不需要昂貴的電子束以及聚焦離子束直寫 設(shè)備即可制作出納米級(jí)的線條結(jié)構(gòu)，納米結(jié)構(gòu)的面積可以達(dá)到幾百毫米。(2)自組裝技術(shù)是另外一種可制作納米結(jié)構(gòu)的方法，由于該方法主要采用直徑百 納米級(jí)微球進(jìn)行組合得到納米級(jí)結(jié)構(gòu)，因此主要用于制作納米級(jí)的點(diǎn)陣，對(duì)于其它如直線 形、環(huán)形以及任意曲線分布的結(jié)構(gòu)則無(wú)能為力。同時(shí)自組裝技術(shù)主要用于制作規(guī)則的陣列 點(diǎn)陣圖形，對(duì)于非規(guī)則陣列以及非陣列圖形(即使是點(diǎn)圖形)則很難實(shí)現(xiàn)。本方法成形的 納米結(jié)構(gòu)圖形可以是環(huán)形、直線形以及任意曲線，圖形可以是陣列排布、也可以是不規(guī)則排 布。(3)近場(chǎng)光刻技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種納米結(jié)構(gòu)制備方法，這種方法和電子 束光刻一樣，只能在光刻膠上成形納米結(jié)構(gòu)，要想得到表面等離子體金屬納米結(jié)構(gòu)，則需要 對(duì)納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行金屬化，金屬化過(guò)程往往給納米結(jié)構(gòu)陣列帶來(lái)二次誤差。而縫隙腐蝕制備 金屬納米結(jié)構(gòu)的方法可以直接在金屬上成形納米結(jié)構(gòu)，無(wú)需二次轉(zhuǎn)化。(4)整個(gè)納米結(jié)構(gòu)成形過(guò)程不需要昂貴的精密儀器，操作簡(jiǎn)單，在普通實(shí)驗(yàn)室即可 實(shí)現(xiàn)，是一種低成本，便于推廣的制備技術(shù)。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1在選擇的基底上蒸鍍金屬膜之后示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例1在金屬膜表面旋涂光刻膠之后的樣片示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例1對(duì)樣片上的光刻膠進(jìn)行光刻的示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例1將樣片進(jìn)行顯影和烘焙后的光刻膠結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是進(jìn)行縫隙腐蝕的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是去掉光刻膠結(jié)構(gòu)后所得到的金屬納米結(jié)構(gòu)示意圖；上述各圖中，1為玻璃基底，2為50nm的鉻膜層，3為Ium的AZ1500正型紫外光刻膠，4為掩模上的鉻層擋光區(qū)域，5為掩模上的透光區(qū)域，6為腐蝕產(chǎn)物。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1目標(biāo)結(jié)構(gòu)制作圖形區(qū)面積2cmX2cm，周期2um，圖形深度為50nm，特征尺寸50nm 的鉻線條結(jié)構(gòu)，其制作過(guò)程如下(1)首先確定基底材料。因?yàn)椴Ａr(jià)格便宜且容易獲得，所以基底材料選用玻璃， 如圖1所示的玻璃基底1。(2)確定金屬膜。最終結(jié)構(gòu)的材質(zhì)為鉻，結(jié)構(gòu)深度為50nm，因此用真空蒸鍍的方法 在玻璃基底表面沉積一層50nm的鉻膜層，如圖1所示的50nm的鉻2。(3)在50nm的鉻膜層2上表面用4000轉(zhuǎn)/分鐘旋轉(zhuǎn)涂覆Ium的AZ1500正型紫外 光刻膠3，如圖2所示。(4)將鉻掩模覆蓋在光刻膠上表面，用紫外光刻機(jī)對(duì)其曝光，經(jīng)過(guò)曝光時(shí)間為 60s，形成掩模的擋光區(qū)域4和掩模的透光區(qū)域5，如圖3中所示。(5)將曝光后的樣片放入AZ1500的顯影液里顯影45s，使去除光刻的區(qū)域露出鉻 金屬膜，并用120度的烘箱溫度進(jìn)行烘干，光刻膠結(jié)構(gòu)的邊緣與金屬膜產(chǎn)生30nm的縫隙。(6)將硝酸鈰銨，高氯酸和去離子水以50g 13ml 200ml的比例混合，配置鉻腐 蝕液。(7)將步驟含光刻膠結(jié)構(gòu)的樣片放入鉻的腐蝕液內(nèi)，腐蝕10秒鐘，將樣片從腐蝕 液中取出，并沖洗干凈。(8)將從腐蝕液內(nèi)取出的樣片用丙酮或酒精將鉻上表面的光刻膠結(jié)構(gòu)去除，就得 到與光刻膠結(jié)構(gòu)邊緣形狀一致的鉻金屬線條，線條深度50nm，寬度為50nm。實(shí)施例2目標(biāo)結(jié)構(gòu)制作圖形區(qū)面積lcmxlcm，周期lum，圖形深度為20nm，特征尺寸40nm 的鉻線條結(jié)構(gòu)，其制作過(guò)程如下(1)首先確定硅作為基底材料。并確定銀膜作為金屬膜。結(jié)構(gòu)深度為20nm。并在 20nm的鉻膜層上表面用4000轉(zhuǎn)/分鐘旋轉(zhuǎn)涂覆Ium的AZ1500負(fù)型紫外光刻膠。(2)將掩模覆蓋在光刻膠上表面，用紫外光刻機(jī)對(duì)其曝光，經(jīng)過(guò)曝光時(shí)間為40s， 形成掩模的擋光區(qū)域和掩模的透光區(qū)域。(3)將曝光后的樣片放入與抗蝕劑相匹配的顯影液里顯影50s，使去除光刻的區(qū) 域露出鉻金屬膜，并用120度的烘箱溫度進(jìn)行烘干，光刻膠結(jié)構(gòu)的邊緣與金屬膜產(chǎn)生40nm 的縫隙。(4)將含光刻膠結(jié)構(gòu)的樣片放入銀的腐蝕液內(nèi)，腐蝕5秒鐘，將樣片從腐蝕液中取 出，并沖洗干凈。(5)將從腐蝕液內(nèi)取出的樣片用丙酮或酒精將鉻上表面的光刻膠結(jié)構(gòu)去除，就得 到與光刻膠結(jié)構(gòu)邊緣形狀一致的鉻金屬線條，線條深度20nm，寬度為40nm。
權(quán)利要求
1.利用縫隙腐蝕成形金屬納米結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于步驟如下(1)根據(jù)需要選擇基片材料；(2)在基片材料表面蒸鍍一層金屬膜層；(3)在所述的金屬膜層表面旋涂一層光刻膠，形成樣片；(4)根據(jù)所需要的金屬納米線條分布情況選擇光刻掩模，并用紫外曝光機(jī)對(duì)光刻膠樣 品進(jìn)行曝光；(5)將曝光后的樣片放入顯影液內(nèi)顯影，使光刻膠圖形化，同時(shí)在顯影液的浸泡下，使 光刻膠結(jié)構(gòu)邊緣與金屬膜之間形成縫隙；(6)將圖形化的光刻膠結(jié)構(gòu)放入高溫烘箱進(jìn)行烘焙，使所述的縫隙固定；(7)將上述樣片放入金屬腐蝕液里腐蝕，即可在光刻膠與金屬膜的縫隙處產(chǎn)生縫隙腐 蝕，當(dāng)縫隙內(nèi)外金屬無(wú)連接時(shí)，將樣片從腐蝕液內(nèi)取出并用去離子水沖洗干凈；(8)洗去樣片上的光刻膠結(jié)構(gòu)，即在金屬上得到與縫隙邊緣一致的20-80nm的金屬納 米結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用縫隙腐蝕成形金屬納米結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于 所述步驟(1)中，基底材料為玻璃、石英、硅或鍺。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用縫隙腐蝕成形金屬納米結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于 所述步驟O)中，金屬膜層的材料為金、銀、鉻、鋁或銅，金屬膜的厚度為10nm-200nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用縫隙腐蝕成形金屬納米結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于 所述步驟(3)中，旋涂的光刻膠為正型光刻膠或負(fù)型光刻膠。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用縫隙腐蝕成形金屬納米結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于 所述步驟(4)中，光刻掩模為二元掩?；蚧叶妊谀！?br> 6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用縫隙腐蝕成形金屬納米結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于 所述步驟(5)中會(huì)自然形成寬度為IOnm-IOOOnm的縫隙。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用縫隙腐蝕成形金屬納米結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于 所述步驟(6)中，高溫烘箱中的烘焙溫度為60°C -120°C。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用縫隙腐蝕成形金屬納米結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于 所述步驟(3)中光刻膠的厚度為20ηπι-50μπι。
全文摘要
利用縫隙腐蝕成形金屬納米結(jié)構(gòu)的制作方法，步驟為選擇基片材料；在基片材料表面蒸鍍一層金屬膜層；金屬膜層表面旋涂一層光刻膠；選擇光刻掩模，并對(duì)樣品進(jìn)行曝光；將樣片放入顯影液內(nèi)顯影，使光刻膠圖形化，同時(shí)在顯影液的浸泡下，使光刻膠結(jié)構(gòu)邊緣與金屬膜之間形成縫隙；將圖形化的光刻膠結(jié)構(gòu)放入高溫烘箱進(jìn)行烘焙；將上述樣片放入金屬腐蝕液里腐蝕，即可在光刻膠與金屬膜的縫隙處產(chǎn)生縫隙腐蝕，當(dāng)縫隙內(nèi)外金屬無(wú)連接時(shí)，將樣片從腐蝕液內(nèi)取出并用去離子水沖洗干凈；洗去樣片上的光刻膠結(jié)構(gòu)，在金屬上得到與縫隙邊緣一致的20-80nm的金屬納米結(jié)構(gòu)。本發(fā)明具有可實(shí)現(xiàn)大面積、任意線條圖形的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B82Y40/00GK102134055SQ201110036479
公開(kāi)日2011年7月27日 申請(qǐng)日期2011年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月12日
發(fā)明者史立芳, 杜春雷, 董小春, 鄧啟凌 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所