專利名稱：一種納米尺度超分辨光學聚焦器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種包含金屬納米圓孔或環(huán)帶聚焦元件，特別涉及一種納米尺度超分辨光學聚焦器件。
背景技術：
近年來，納米技術得到了突飛猛進的發(fā)展，其在光刻等方面的應用也對相應的分辨率提出了新的要求，各種聚焦器件正在逐步朝著小型化和集成化的方向發(fā)展。在一系列的新型聚焦器件中，如超光柵(Hypergratings)是利用菲涅爾波帶片的聚焦效果與多層納米膜的超分辨特性得到很小的焦斑，但是其透過效率很低，焦斑強度很弱，且焦斑聚焦于多層膜內(nèi)部。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是:通過凹槽環(huán)帶間表面等離子體波的耦合，增強納米厚度交替金屬和介質(zhì)多層膜結(jié)構(gòu)的透過效率，通過凹槽的半徑變化及深度調(diào)制，能實現(xiàn)對焦斑強度控制；本發(fā)明的目的是一種納米尺度超分辨光學聚焦器件制作方法。本發(fā)明提供一種納米尺度超分辨光學聚焦器件的制作方法，包括下列步驟:步驟S1:選擇入射光的工作波長，根據(jù)其波長選擇能透光的基底的材料；在表面蒸鍍金屬膜，入射光垂直于金屬膜的上表面入射；取垂直穿過金屬膜的中心的軸為z軸，設Z軸與金屬膜的上表面相交位置為坐標原點，在金屬膜的上表面取過原點的某方向為X軸方向，確定X軸正方向及y軸方向；步驟S2:根據(jù)工作波長λ選擇金屬薄膜與介質(zhì)薄膜的材料，設計菲涅爾各級波帶半徑；步驟S3:選擇凹槽環(huán)帶的位置即內(nèi)環(huán)半徑r，其要使凹槽激發(fā)的表面等離子體波能夠與菲涅爾波帶透過的光耦合；步驟S4:調(diào)制凹槽環(huán)帶的寬度與深度，用以達到不同聚焦強度的焦斑；步驟S5:選擇凹槽環(huán)帶的排列方向，用于對入射光的偏振態(tài)有著不同的響應；步驟S6:根據(jù)上述設計得到的奇數(shù)級或者偶數(shù)級菲涅爾波帶位置及寬度，凹槽位置及寬度，獲得包含奇數(shù)或偶數(shù)級菲涅爾波帶環(huán)形條縫和凹槽的金屬掩膜；步驟S7:在金屬掩膜后表面交替蒸鍍納米厚度的金屬和介質(zhì)多層膜結(jié)構(gòu)以支持超衍射傳輸達到超分辨效果，沉積多層膜的總厚度為設定的超衍射聚焦結(jié)構(gòu)透鏡的焦距；步驟S8:在多層膜結(jié)構(gòu)后蒸鍍一層納米厚度的光刻膠及一層反射金屬層，獲得納米尺度超分辨光學聚焦器件。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比所具有的優(yōu)點是:利用環(huán)帶納米開孔金屬膜產(chǎn)生的倏逝波和納米厚度交替金屬和介質(zhì)多層膜結(jié)構(gòu)的倏逝波傳播能力，實現(xiàn)高分辨力的超衍射極限聚焦，通過凹槽環(huán)帶的耦合作用，增加透射效率，方便用于納米光刻和高容量數(shù)據(jù)存儲裝置的納米尺度超分辨光學聚焦器件。由此本發(fā)明解決了超光柵透過效率很低，焦斑強度很弱的缺陷。本發(fā)明利用傳統(tǒng)菲涅爾波帶片的原理及納米級厚度的金屬-介質(zhì)多層膜的超衍射傳輸特性，設計一種超衍射聚焦元件；在菲涅爾波帶周圍設計一系列凹槽環(huán)帶，調(diào)節(jié)凹槽的寬度、位置及深度，可以對焦斑的強度進行調(diào)制；同時，該金屬膜聚焦元件結(jié)構(gòu)非常簡單，可以很方便的用于光路系統(tǒng)集成，具有廣闊的應用前景。本發(fā)明可以根據(jù)事先設定的透鏡焦距來改變金屬膜上菲涅爾環(huán)帶的位置及大小以實現(xiàn)短焦距或長焦距的超衍射極限聚焦，通過凹槽的寬度、位置及深度來調(diào)制聚焦焦斑的強度，而且可以改變凹槽的排列方向來獲得對不同偏振態(tài)的入射光的響應，同時本發(fā)明所設計的透鏡結(jié)構(gòu)簡單，可以用于納米光刻和數(shù)據(jù)存儲，大量提高電子器件的集成度。


圖1a和圖1b是本發(fā)明實施例所設計的超聚焦元件上表面的俯視圖；圖2是本發(fā)明實施例所設計的超聚焦元件的中心剖面圖；圖3是本發(fā)明實施例所設計的超聚焦元件的凹槽寬度對焦斑強度的調(diào)制圖；圖4是本發(fā)明實施例所設計的超聚焦元件的凹槽深度對焦斑強度的調(diào)制圖；圖5是本發(fā)明實施例所設計的超聚焦元件的凹槽位置對焦斑強度的調(diào)制圖；圖中:1為凹槽環(huán)帶，2為金屬膜，3為菲涅爾一級波帶圓孔，4為介質(zhì)薄膜，5為光刻膠，6、7為金屬薄膜，8為基底。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細說明，但本發(fā)明的保護范圍并不僅限于下面實施例，應包括權利要求書中的全部內(nèi)容。圖2示出制成納米尺度超分辨光學聚焦器件，圖2中I為凹槽環(huán)帶，2為金屬膜，3為菲涅爾一級波帶圓孔，4為介質(zhì)薄膜，5為光刻膠，6、7為金屬薄膜，8為基底。金屬膜2、介質(zhì)薄膜4、光刻膠5、金屬薄膜6、7、基底8均為上下緊密排布。本發(fā)明實施納米尺度超分辨光學聚焦器件的制作方法，包括下列步驟:步驟S1:選擇入射光的工作波長λ，根據(jù)其波長選擇能透光的基底8的材料；在表面蒸鍍厚度為d的金屬膜2，入射光垂直于金屬膜2的上表面入射；取垂直穿過金屬膜2的中心的軸為z軸，設z軸與金屬膜2的上表面相交位置為坐標原點，在金屬膜的上表面取過原點的某方向為X軸方向，確定X軸正方向及Y軸方向；步驟S2:根據(jù)工作波長λ選擇金屬薄膜6、7與介質(zhì)薄膜4的材料，設計菲涅爾各級波帶半徑；步驟S3:選擇凹槽環(huán)帶的位置即內(nèi)環(huán)半徑r，其要使凹槽激發(fā)的表面等離子體波能夠與菲涅爾波帶透過的光耦合；步驟S4:調(diào)制凹槽環(huán)帶的寬度w與深度h，用以達到不同聚焦強度的焦斑；步驟S5:選擇凹槽環(huán)帶的排列方向，用于對入射光的偏振態(tài)有著不同的響應；步驟S6:根據(jù)上述設計得到的奇數(shù)級或者偶數(shù)級菲涅爾波帶位置及寬度，凹槽位置及寬度，利用現(xiàn)有加工技術進行制作，獲得包含奇數(shù)或偶數(shù)級菲涅爾波帶環(huán)形條縫和凹槽的金屬掩膜；
步驟S7:在金屬掩膜后表面交替蒸鍍納米厚度的金屬和介質(zhì)多層膜結(jié)構(gòu)以支持超衍射傳輸達到超分辨效果，沉積多層膜的總厚度為設定的超衍射聚焦結(jié)構(gòu)透鏡的焦距f ;步驟S8:在多層膜結(jié)構(gòu)后蒸鍍一層納米厚度的光刻膠5及一層反射金屬層，獲得納米尺度超分辨光學聚焦器件。步驟SI中的基底8的材料為能透光的石英或二氧化硅。步驟SI中所述工作波長的偏振模式由金屬掩膜上凹槽的排列方式所決定，凹槽的排列方式為單向排列，則為垂直于排列方向的線偏振光，凹槽的排列方式為環(huán)形排列，則為圓偏振光。步驟SI中的金屬膜2的厚度d為五十納米到一百多納米，金屬膜2是能夠激發(fā)表面等離子體的金屬金、銀、銅、鉻等材料中的一種。步驟S2中的金屬薄膜6、7是銀、銅和金材料中的一種，介質(zhì)薄膜4是三氧化二鋁、二氧化硅或碳化硅材料中的一種。步驟S3中的凹槽環(huán)帶的內(nèi)半徑與菲涅爾各級環(huán)帶的半徑有關，要使得凹槽激發(fā)的表面等離子體波能夠與菲涅爾環(huán)帶條縫透射的光耦合，通過調(diào)制凹槽環(huán)帶的內(nèi)半徑即與菲涅爾環(huán)帶條縫間的位置，用于得到不同強度的聚焦焦斑。步驟S4中的凹槽環(huán)帶的寬度為幾十納米到幾百納米。步驟S4中的凹槽環(huán)帶的深度最大不超過金屬掩膜的厚度。步驟S5中凹槽環(huán)帶的排列方式為單向排列，單向排列是橫向排布或縱向排布，所述橫向排布是用于對磁場橫向偏振光入射的聚焦有增強效果，縱向排布是用于對磁場縱向偏振光入射的聚焦有增強效果。本發(fā)明實施例的具體步驟如下:(I)選取工作波長λ為365nm，偏振模式為圓偏振光模式，確定所設計的超分辨聚焦器件焦距為76nm ；(2)選擇二氧化硅作為基底8的材料，在其表面蒸鍍50nm厚的金屬鉻；(3)讓入射光垂直于金屬膜2上表面入射；取垂直穿過金屬膜2的表面的軸為在z軸，假設z軸與金屬膜2的上表面相交位置為坐標原點，在金屬膜2的上表面上取過原點的某一方向為X軸方向，確定X軸正方向，根據(jù)右手法則確定Y軸方向。(5)選擇金屬銀與碳化硅介質(zhì)作為薄膜材料；設計菲涅爾一級波帶的內(nèi)半徑分別為A = O,菲涅爾一級波帶外半徑為r。= 50nm ；(6)選擇凹槽環(huán)帶的內(nèi)環(huán)半徑r = IOOnm,凹槽環(huán)帶的內(nèi)環(huán)深度h = 25nm，調(diào)制凹槽環(huán)帶的寬度；(7)根據(jù)上述設計所得的菲涅爾一級波帶位置及寬度，凹槽位置及寬度，利用現(xiàn)有加工技術進行制作，獲得包含菲涅爾一級波帶圓孔3和凹槽環(huán)帶I的金屬鉻掩膜如圖1a和圖1b所示，在菲涅爾一級波帶圓孔3兩邊分別有一定寬度的凹槽分布，呈橫向分布(圖1a)或縱向分布(圖1b);(8)在金屬鉻掩膜后表面交替蒸鍍納米厚度的金屬銀和碳化硅介質(zhì)薄膜的多層結(jié)構(gòu)。沉積多層膜共8層，總厚度為設定的超衍射聚焦結(jié)構(gòu)透鏡的焦距80nm，然后蒸鍍25nm厚的光刻膠及30nm厚的反射銀層，制成納米尺度超分辨光學聚焦器件如圖2所示。
(9)調(diào)制凹槽環(huán)帶的寬度w為25nm 200nm,焦斑強度的調(diào)制圖如圖3所示；w =50nm時焦斑強度最大,其滿足ksp(w+h+r) = π，式中
權利要求
1.一種納米尺度超分辨光學聚焦器件的制作方法，其特征在于包括下列步驟: 步驟S1:選擇入射光的工作波長λ，根據(jù)其波長選擇能透光的基底的材料；在表面蒸鍍金屬膜，入射光垂直于金屬膜的上表面入射；取垂直穿過金屬膜的中心的軸為Z軸，設Z軸與金屬膜的上表面相交位置為坐標原點，在金屬膜的上表面取過原點的某方向為X軸方向，確定X軸正方向及y軸方向； 步驟S2:根據(jù)工作波長λ選擇金屬薄膜與介質(zhì)薄膜的材料，設計菲涅爾各級波帶半徑； 步驟S3:選擇凹槽環(huán)帶的位置即內(nèi)環(huán)半徑，其要使凹槽激發(fā)的表面等離子體波能夠與菲涅爾波帶透過的光耦合； 步驟S4:調(diào)制凹槽環(huán)帶的寬度與深度，用以達到不同聚焦強度的焦斑； 步驟S5:選擇凹槽環(huán)帶的排列方向，用于對入射光的偏振態(tài)有著不同的響應； 步驟S6:根據(jù)上述設計得到的奇數(shù)級或者偶數(shù)級菲涅爾波帶位置及寬度，凹槽位置及寬度，獲得包含奇數(shù)或偶數(shù)級菲涅爾波帶環(huán)形條縫和凹槽的金屬掩膜； 步驟S7:在金屬掩膜后表面交替蒸鍍納米厚度的金屬和介質(zhì)多層膜結(jié)構(gòu)以支持超衍射傳輸達到超分辨效果，沉積多層膜的總厚度為設定的超衍射聚焦結(jié)構(gòu)透鏡的焦距； 步驟S8:在多層膜結(jié)構(gòu)后蒸鍍一層納米厚度的光刻膠及一層反射金屬層，獲得納米尺度超分辨光學聚焦器件。
2.根據(jù)權利要求1所 述納米尺度超分辨光學聚焦器件的制作方法，其特征在于:步驟SI中的基底材料為能透光的石英或二氧化硅。
3.根據(jù)權利要求1所述納米尺度超分辨光學聚焦器件的制作方法，其特征在于:步驟Si中所述工作波長的偏振模式由金屬掩膜上凹槽的排列方式所決定，凹槽的排列方式為單向排列，貝1J為垂直于排列方向的線偏振光，凹槽的排列方式為環(huán)形排列，貝1J為圓偏振光。
4.根據(jù)權利要求1所述納米尺度超分辨光學聚焦器件的制作方法，其特征在于:步驟SI中的金屬膜的厚度為五十納米到一百多納米，金屬膜是能夠激發(fā)表面等離子體的金屬金、銀、銅、鉻等材料中的一種。
5.根據(jù)權利要求1所述納米尺度超分辨光學聚焦器件的制作方法，其特征在于:步驟S2中的金屬薄膜是銀、銅和金材料中的一種，介質(zhì)薄膜是三氧化二鋁、二氧化硅或碳化硅材料中的一種。
6.根據(jù)權利要求1所述納米尺度超分辨光學聚焦器件的制作方法，其特征在于:步驟S3中的凹槽環(huán)帶的內(nèi)半徑與菲涅爾各級環(huán)帶的半徑有關，要使得凹槽激發(fā)的表面等離子體波能夠與菲涅爾環(huán)帶條縫透射的光耦合，通過調(diào)制凹槽環(huán)帶的內(nèi)半徑即與菲涅爾環(huán)帶條縫間的位置，用于得到不同強度的聚焦焦斑。
7.根據(jù)權利要求1所述納米尺度超分辨光學聚焦器件，其特征在于:步驟S4中的凹槽環(huán)帶的寬度為幾十納米到幾百納米。
8.根據(jù)權利要求1所述納米尺度超分辨光學聚焦器件的制作方法，其特征在于:步驟S4中的凹槽環(huán)帶的深度最大不超過金屬掩膜的厚度。
9.根據(jù)權利要求1所述納米尺度超分辨光學聚焦器件的制作方法，其特征在于:步驟S5中凹槽環(huán)帶的排列方式為單向排列，單向排列是在橫向排布或縱向排布，所述橫向排布是用于對磁場橫向偏振光入射的聚焦有增強效果，縱向排布是用于對磁場縱向偏振光入射的聚焦有增 強效果。
全文摘要
一種納米尺度超分辨光學聚焦器件的制作方法，包括S1選擇入射光的工作波長選擇能透光的基底；在表面蒸鍍厚度為的金屬膜，入射光垂直于金屬膜的上表面入射；S2根據(jù)工作波長選擇金屬薄膜與介質(zhì)薄膜的材料，設計菲涅爾各級波帶半徑；S3選擇凹槽環(huán)帶的位置即內(nèi)環(huán)半徑；步驟S4根據(jù)焦斑強度需要調(diào)制凹槽環(huán)帶的寬度與深度；S5根據(jù)入射光偏振態(tài)選擇凹槽環(huán)帶的排列方向；S6用加工技術獲得菲涅爾波帶環(huán)形條縫和凹槽的金屬掩膜；S7在金屬掩膜后表面交替蒸鍍納米厚度的金屬和介質(zhì)多層膜結(jié)構(gòu)，沉積多層膜的總厚度為透鏡的焦距；S8在多層膜結(jié)構(gòu)后蒸鍍一層納米厚度的光刻膠及一層反射金屬層，獲得納米尺度超分辨光學聚焦器件。
文檔編號G02B5/18GK103076646SQ20131003534
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月30日 優(yōu)先權日2013年1月30日
發(fā)明者羅先剛, 趙澤宇, 王長濤, 陶興, 王彥欽, 高平, 胡承剛, 黃成 , 楊歡, 姚納 申請人:中國科學院光電技術研究所