基于非对称金属包覆介质波导的多层亚波长结构刻写装置的制作方法

本实用新型属于导模干涉刻写制备微纳结构技术领域，特别涉及基于非对称金属包覆介质波导的多层亚波长结构刻写装置。

背景技术：

微纳结构在物理，材料，医学等领域都具有重要应用。目前制备微纳结构的光刻技术主要包括聚焦离子束光刻、电子束曝光光刻、X射线光刻，极紫外光刻，表面等离子体干涉光刻技术等等。

但这些光刻技术都存在一定的不足，主要包括：

1、成本高，X射线光刻，极紫外光刻这两种光刻仅所需光源本身的成本就很高昂。电子束曝光光刻设备价格高昂且维护费用高。

2、操作复杂，对操作环境要求非常苛刻。聚焦离子束光刻，电子束曝光光刻都是需要真空环境下操作。表面等离子体干涉光刻在实验上只能使用薄光刻胶，而在实验上旋涂薄光刻胶是比较困难的。

3、刻写制备的产品多为单层结构，很难实现多层亚波长结构的制备。如，表面等离子体干涉光刻技术，一般只能刻写单层的亚波长光栅结构。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供基于非对称金属包覆介质波导的多层亚波长结构刻写装置，以克服上述光刻技术中的不足，实现多层亚波长结构的刻写，同时降低光刻的成本和操作难度。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：基于非对称金属包覆介质波导的多层亚波长结构刻写装置，包括He-Cd激光器、光电快门、短焦距透镜、长焦距透镜、半波片、分束器、平面反射镜A、平面反射镜B、棱镜、折射率匹配油、衬底、Al膜和正性光刻胶；

所述He-Cd激光器为光源；

所述光电快门用于控制是否曝光以及曝光时间；

所述短焦距透镜与长焦距透镜组成扩束器；

所述折射率匹配油将棱镜与衬底粘结；

所述非对称金属包覆介质波导由Al膜、正性光刻胶和空气组成；

所述Al膜通过电子束蒸镀到衬底上，所述正性光刻胶通过匀胶法旋涂到Al膜上；

激光从所述He-Cd激光器射出后，经过光电快门，之后经过扩束器被扩束，被扩束的光经过可以改变激光偏振方向的半波片后得到激发高阶导模所需的TM或TE偏振光，再经过分束器被分为两束相同强度的相干光，并沿不同方向出射，最后通过平面反射镜A、平面反射镜B反射在棱镜上，并通过棱镜耦合后，以激发高阶导模的激发角辐照非对称金属包覆介质波导，从而激发两束方向相反的高阶导模，高阶导模的干涉场曝光正性光刻胶，经显影、定影后续工艺处理后，即可得到相应的多层亚波长结构。

进一步而言，所述的He-Cd激光器作为激发高阶导模的激发光源，其发射的激光束波长为325nm。

进一步而言，扩束器由两个焦距不同的短焦距透镜、长焦距透镜组成，以使He-Cd激光器发出的激光束被扩束，进而高阶导模干涉场曝光正性光刻胶时可以增大曝光面积，实现大面积刻写。

进一步而言，半波片用来调节激光束的偏振，当使用TE导模干涉刻写多层亚波长结构时，调节半波片，使入射激光束成为TE偏振光；当使用TM导模干涉刻写多层亚波长结构时，调节半波片，使入射激光束成为TM偏振光。

进一步而言，非对称金属包覆介质波导由Al膜、正性光刻胶和空气三层结构组成；Al膜通过电子束蒸镀在衬底上，正性光刻胶通过匀胶法旋涂在Al膜上。

进一步而言，通过选择非对称金属包覆介质波导中的不同高阶导模，可以实现各种多层亚波长结构的刻写制备。

进一步而言，制备多层亚波长结构所需的高阶导模，可以通过正性光刻胶的厚度、激光的偏振进行有效选择。

进一步而言，刻写多层亚波长结构的光刻胶为正性光刻胶。

本实用新型技术方案的原理为：

由He-Cd激光器发出的325nm波长的激光，通过控制曝光时间的光电快门，经扩束器进行扩束后，通过半波片改变激光的偏振方向，得到所需的TM或TE偏振光，再由分束器分成两束强度相等的相干光，分别通过平面反射镜A、平面反射镜B反射后，经棱镜耦合并以相同的高阶导模的激发角辐照非对称金属包覆介质波导。激发的两束沿相反方向传播的高阶导模相互干涉，产生多层亚波长周期的干涉光场，进而曝光正性光刻胶，经后续显影、定影等工艺处理，便可制备出多层亚波长结构。

本实用新型基于非对称金属包覆介质波导的多层亚波长结构刻写装置，具有如下优点：

1、成本低，该装置基于非对称金属包覆介质波导激发高阶导模干涉曝光刻写制备多层亚波长结构，是一种无掩模的光刻技术，且使用的光学元件少、成本低，故可总体降低光刻的成本。

2、操作简单，由于使用的光学元件少，且光路简单，可以实现操作简单的光刻技术。

3、产出高，由于光路简单，易操作，无需真空条件，故可以提高产出率。

4、制备产品多样，通过使用厚度不同的正性光刻胶和选取不同的导模可以刻写制备出多种层数和多种周期的亚波长结构。

5、大面积，由于使用了扩束器对激光束扩束，所以制备的多层亚波长结构是大面积的。

附图说明

图1是本实用新型基于非对称金属包覆介质波导的多层亚波长结构刻写装置示意图；

图2是非对称金属包覆介质波导示意图；

图3是利用TE₄导模刻写的多层亚波长结构的平行于激光入射面的截面示意图；

图4是利用TM₄导模刻写的多层亚波长结构的平行于激光入射面的截面示意图；

图5是利用TE₅导模刻写的多层亚波长结构的平行于激光入射面的截面示意图；

图1中：1、He-Cd激光器，2、光电快门，3、短焦距透镜，4、长焦距透镜，5、半波片，6、分束器，7、平面反射镜A，8、平面反射镜B，9、棱镜，10、折射率匹配油，11、衬底，12、Al膜，13、正性光刻胶。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细描叙，附图中相同的标号始终表示相同的部件。

如图1所示，本实用新型是基于非对称金属包覆介质波导的多层亚波长结构刻写装置示意图，包括He-Cd激光器1、光电快门2、短焦距透镜3、长焦距透镜4、半波片5、分束器6、平面反射镜A7、平面反射镜B8、棱镜9、折射率匹配油10、衬底11、Al膜12和正性光刻胶13，其中：

He-Cd激光器1作为激发高阶导模的激发光源，发射325nm波长的激光。

光电快门2用来控制是否曝光及曝光时间。

短焦距透镜3、长焦距透镜4组成扩束器，对He-Cd激光器1发射的激光束进行扩束，以增大曝光面积，实现大面积刻写。

半波片5用来改变从扩束器射出的激光偏振方向，得到激发高阶导模所需的TE或TM偏振光。

分束器6将从半波片5出射的TE或TM偏振光分为两束强度相等的相干光。

平面反射镜A 7、平面反射镜B 8，把通过分束器射出的两束TE或TM偏振光反射到棱镜上。可以通过改变两平面反射镜的位置来改变两束偏振光入射到棱镜时的角度。

棱镜9用来耦合激发非对称金属包覆介质波导中的高阶导模。

折射率匹配油10用于粘结棱镜和衬底。

衬底11是与棱镜相同材料的玻璃片。

Al膜12、正性光刻胶13、空气组成非对称金属包覆介质波导，Al膜12通过电子束蒸镀到衬底11上，正性光刻胶13通过匀胶法旋涂在Al膜12上。高阶导模的干涉场曝光正性光刻胶13后，经后续显影、定影等工艺处理，最终制备出多层亚波长结构。

下面结合具体实施例进行进一步说明：

实施例1：

参照图1所示的基于非对称金属包覆介质波导的多层亚波长结构刻写装置，He-Cd激光器1发射波长为325nm的激光束，激光束通过光电快门2后，经短焦距透镜3、长焦距透镜4组成的扩束器后被扩束成大面积光束，通过改变激光偏振方向的半波片5，得到激发高阶导模TE₄的TE偏振光，再被分束器6分为两束强度相同的相干光，两束光从两个方向射出，最后被平面反射镜A7、平面反射镜B8反射后，通过棱镜耦合，以激发TE₄导模的入射角(38°)辐照到由Al膜12、正性光刻胶13和空气组成的非对称金属包覆介质波导上。TE₄导模的干涉场曝光正性光刻胶13，正性光刻胶13厚度为600nm，曝光后经显影、定影等后续工艺，即可得到多层亚波长结构，其层数为5，其周期为156nm。如图3所示。

实施例2：

参照图1所示的基于非对称金属包覆介质波导的多层亚波长结构刻写装置，调节半波片5，得到可以激发高阶导模TM₄的TM偏振光，并调节平面反射镜A7、平面反射镜B8的位置，使激光束以激发TM₄导模的入射角(42.5°)辐照到非对称金属包覆介质波导上，TM₄导模的干涉场曝光正性光刻胶13，正性光刻胶13厚度是600nm，其他步骤参照实施例1，最后可得到多层亚波长结构，其层数为5，周期为141nm，如图4所示。

实施例3：

参照图1所示的基于非对称金属包覆介质波导的多层亚波长结构刻写装置，调节半波片5，得到可以激发高阶导模TE₅的TE偏振光，并调节平面反射镜A7、平面反射镜B8的位置，使激光束以激发TE₅导模的入射角(37.6°)辐照到非对称金属包覆介质波导上，TE₅导模的干涉场曝光正性光刻胶13，正性光刻胶13厚度为730nm，其他步骤参照实施例1，最后得到多层亚波长结构，其层数为6，周期为157nm，如图5所示。

下面结合平板波导的电磁理论来说明本实用新型基于非对称金属包覆介质波导的多层亚波长结构刻写装置的原理：

图2是非对称金属包覆介质波导示意图，非对称金属包覆介质波导由Al膜12，正性光刻胶13，空气三层结构组成，与棱镜相同材料的玻璃片作为波导的衬底11。

非对称金属包覆介质波导中存在的导模的模式本征方程为：

κ₂d＝mπ+φ₂₃+φ₂₁ (1)

式中，d是正性光刻胶13的厚度，m是高阶导模的模式数，φ₂₃为正性光刻胶13和空气界面的全反射相移，φ₂₁为Al膜12和正性光刻胶13界面的全反射相移，对于TE偏振，φ₂₃为φ₂₁为对于TM偏振，φ₂₃为φ₂₁为

其中，对于TE偏振：

对于TM偏振：

而且有：

式中，β_m是m阶导模的传播常数，k₀是325nm激发在真空中的波矢，ε₁是Al膜12的介电常数，ε₂和ε₃分别是正性光刻胶13和空气的介电常数。

当两束TM或TE偏振的激光通过平面反射镜A7，平面反射镜B8反射后，经棱镜9耦合，并以相同的激发角θ_m辐照非对称金属包覆介质波导，将激发非对称金属包覆介质波导中的m阶导模，相应的相位匹配条件满足：

k₀n₀sinθ_m＝β_m (5)

其中n₀为棱镜9的折射率，θ_m为m阶导模的激发角。

两束方向相反的高阶导模相互干涉，形成多层亚波长周期的光场分布，从而曝光正性光刻胶13，经后续显影、定影等工艺处理，便可在Al膜12上得到多层亚波长结构。多层亚波长结构的层数为导模的模式数加1，即：m+1，周期Δx为：

相比于其他光刻技术，本装置成本低廉、操作简单、产出高，因此在微纳光学制备领域具有广泛的应用前景。

本实用新型未详细阐述的部分属于本领域公知技术。