[发明专利]一种三维全金属微腔结构表面等离激元阵列加工方法

说明书

本发明公开了一种三维全金属微腔结构表面等离激元阵列加工方法。其主要步骤包括：衬底材料准备；在所述衬底上沉积金属铝；接着在铝膜上进行光刻形成图形化衬底；然后在已经图形化的衬底上沉积金属，并利用剥离工艺将光刻图形转化为金属图形；最后以图形化金属为掩模，用铝腐蚀液腐蚀铝膜，通过横向钻蚀形成三维腔体结构。上述步骤中，通过对光刻图形的设计、铝膜的厚度以及铝腐蚀液的腐蚀时间来对三维腔体结构的形状、高度、宽度进行调控。本发明所采用的湿法腐蚀工艺，工艺方法简单、稳定并且对材料的腐蚀选择性好，可实现大面积加工，并且可实现近完美吸收的光学特性，这将在光学器件以及生化传感方面有巨大的应用潜力。

技术领域

本发明涉及微米/纳米加工技术以及纳米光子学领域，特别是涉及一种三维全金属微腔结构表面等离激元阵列加工方法。

背景技术

表面等离激元主要是基于金属界面或者亚波长尺寸的金属结构中电磁辐射和传导电子的相互作用过程，这种相互作用将导致亚波长尺寸的光学近场增强和光学非线性效应，从可展现出独特的光学现象。等离子体激元的近场增强和非线性光学性质可以通过金属结构的参数，如形状、排布周期、材料性质等来调控，使其在纳米光学器件、生物光学传感技术等领域有着重要的应用前景。

随着微米、纳米加工技术的不断发展，人们可以利用深紫外光刻、电子束曝光、聚焦离子束刻蚀、纳米压印等技术，制造各种几何形状的金属纳米结构。如制备出的纳米光栅、纳米孔、以及金属-介质层-金属多层结构可以有效的激发表面等离激元并实现对电磁波的频率、极化和相位等参量的调控。其中多样化三维纳米结构能够在多维度实现对电磁波的调控。特别是作为一类特殊的单元结构，三维纳米微腔结构由于其光学腔内电磁谐振耦合效应会激发多级耦合模态，能够将光场能量长时间局域在近场范围内，产生优异的电磁响应。

虽然三维纳米结构展现出诸多优越的性能，但也对目前微纳加工方法提出了巨大挑战，尚缺乏简便、规范、系统、成熟的三维纳米结构加工工艺。目前所用工艺方法通常比较昂贵、成品率低、无法实现大面积加工以及可加工结构种类少等。因此，开发一种灵活的、可控性强、稳定的三维纳米结构加工手段，对于新型三维纳米结构设计、加工以及实现纳米光学的应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是针对上述应用需求以及现有技术的不足，提出一种三维全金属微腔结构表面等离激元阵列加工方法。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案包括如下步骤：

(1)衬底材料准备；

(2)在(1)所述衬底上沉积金属铝；

(3)在(2)所述沉积层上进行光刻形成图形化衬底，具体而言：先旋涂光刻胶，并通过曝光和显影以制备预定图形；

(4)在(3)所述图形化衬底上沉积金属，并利用剥离工艺将光刻图形转化为金属图形，得到图形化的金属衬底；

(5)以(4)所述的图形化金属为掩模，用铝腐蚀液腐蚀铝膜，通过横向钻蚀形成三维腔体结构。

上述步骤中，步骤(1)所述衬底材料可以是硅片、玻璃片以及沉积有金属薄膜的硅片、玻璃片。

上述步骤中，步骤(2)所述的金属铝沉积方法是磁控溅射镀膜法或者电子束蒸发镀膜法，其厚度可以从10纳米到几百纳米均可。

上述步骤中，步骤(3)所述的光刻方法是电子束曝光或深紫外光刻技术，光刻的图形可以是圆形，方形，十字型等对称结构，或椭圆，三角等非对称结构，其关键尺寸在数十纳米到数百纳米之间。

上述步骤中，步骤(4)所述金属沉积方法是电子束蒸发镀膜法，所述的金属材料可以是不同于铝的其他金属材料，比如金、银、铜等。