本發(fā)明屬于導(dǎo)模干涉刻寫(xiě)制備微納結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及基于非對(duì)稱金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo)的多層亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)刻寫(xiě)裝置。

背景技術(shù)：

微納結(jié)構(gòu)在物理，材料，醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都具有重要應(yīng)用。目前制備微納結(jié)構(gòu)的光刻技術(shù)主要包括聚焦離子束光刻、電子束曝光光刻、X射線光刻，極紫外光刻，表面等離子體干涉光刻技術(shù)等等。

但這些光刻技術(shù)都存在一定的不足，主要包括：

1、成本高，X射線光刻，極紫外光刻這兩種光刻僅所需光源本身的成本就很高昂。電子束曝光光刻設(shè)備價(jià)格高昂且維護(hù)費(fèi)用高。

2、操作復(fù)雜，對(duì)操作環(huán)境要求非常苛刻。聚焦離子束光刻，電子束曝光光刻都是需要真空環(huán)境下操作。表面等離子體干涉光刻在實(shí)驗(yàn)上只能使用薄光刻膠，而在實(shí)驗(yàn)上旋涂薄光刻膠是比較困難的。

3、刻寫(xiě)制備的產(chǎn)品多為單層結(jié)構(gòu)，很難實(shí)現(xiàn)多層亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的制備。如，表面等離子體干涉光刻技術(shù)，一般只能刻寫(xiě)單層的亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供基于非對(duì)稱金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo)的多層亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)刻寫(xiě)裝置，以克服上述光刻技術(shù)中的不足，實(shí)現(xiàn)多層亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的刻寫(xiě)，同時(shí)降低光刻的成本和操作難度。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：基于非對(duì)稱金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo)的多層亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)刻寫(xiě)裝置，包括He-Cd激光器、光電快門、短焦距透鏡、長(zhǎng)焦距透鏡、半波片、分束器、平面反射鏡A、平面反射鏡B、棱鏡、折射率匹配油、襯底、Al膜和正性光刻膠；

所述He-Cd激光器為光源；

所述光電快門用于控制是否曝光以及曝光時(shí)間；

所述短焦距透鏡與長(zhǎng)焦距透鏡組成擴(kuò)束器；

所述折射率匹配油將棱鏡與襯底粘結(jié)；

所述非對(duì)稱金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo)由Al膜、正性光刻膠和空氣組成；

所述Al膜通過(guò)電子束蒸鍍到襯底上，所述正性光刻膠通過(guò)勻膠法旋涂到Al膜上；

激光從所述He-Cd激光器射出后，經(jīng)過(guò)光電快門，之后經(jīng)過(guò)擴(kuò)束器被擴(kuò)束，被擴(kuò)束的光經(jīng)過(guò)可以改變激光偏振方向的半波片后得到激發(fā)高階導(dǎo)模所需的TM或TE偏振光，再經(jīng)過(guò)分束器被分為兩束相同強(qiáng)度的相干光，并沿不同方向出射，最后通過(guò)平面反射鏡A、平面反射鏡B反射在棱鏡上，并通過(guò)棱鏡耦合后，以激發(fā)高階導(dǎo)模的激發(fā)角輻照非對(duì)稱金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo)，從而激發(fā)兩束方向相反的高階導(dǎo)模，高階導(dǎo)模的干涉場(chǎng)曝光正性光刻膠，經(jīng)顯影、定影后續(xù)工藝處理后，即可得到相應(yīng)的多層亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步而言，所述的He-Cd激光器作為激發(fā)高階導(dǎo)模的激發(fā)光源，其發(fā)射的激光束波長(zhǎng)為325nm。

進(jìn)一步而言，擴(kuò)束器由兩個(gè)焦距不同的短焦距透鏡、長(zhǎng)焦距透鏡組成，以使He-Cd激光器發(fā)出的激光束被擴(kuò)束，進(jìn)而高階導(dǎo)模干涉場(chǎng)曝光正性光刻膠時(shí)可以增大曝光面積，實(shí)現(xiàn)大面積刻寫(xiě)。

進(jìn)一步而言，半波片用來(lái)調(diào)節(jié)激光束的偏振，當(dāng)使用TE導(dǎo)模干涉刻寫(xiě)多層亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)，調(diào)節(jié)半波片，使入射激光束成為TE偏振光；當(dāng)使用TM導(dǎo)模干涉刻寫(xiě)多層亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)，調(diào)節(jié)半波片，使入射激光束成為TM偏振光。

進(jìn)一步而言，非對(duì)稱金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo)由Al膜、正性光刻膠和空氣三層結(jié)構(gòu)組成；Al膜通過(guò)電子束蒸鍍?cè)谝r底上，正性光刻膠通過(guò)勻膠法旋涂在Al膜上。

進(jìn)一步而言，通過(guò)選擇非對(duì)稱金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo)中的不同高階導(dǎo)模，可以實(shí)現(xiàn)各種多層亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的刻寫(xiě)制備。

進(jìn)一步而言，制備多層亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)所需的高階導(dǎo)模，可以通過(guò)正性光刻膠的厚度、激光的偏振進(jìn)行有效選擇。

進(jìn)一步而言，刻寫(xiě)多層亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的光刻膠為正性光刻膠。

本發(fā)明技術(shù)方案的原理為：

由He-Cd激光器發(fā)出的325nm波長(zhǎng)的激光，通過(guò)控制曝光時(shí)間的光電快門，經(jīng)擴(kuò)束器進(jìn)行擴(kuò)束后，通過(guò)半波片改變激光的偏振方向，得到所需的TM或TE偏振光，再由分束器分成兩束強(qiáng)度相等的相干光，分別通過(guò)平面反射鏡A、平面反射鏡B反射后，經(jīng)棱鏡耦合并以相同的高階導(dǎo)模的激發(fā)角輻照非對(duì)稱金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo)。激發(fā)的兩束沿相反方向傳播的高階導(dǎo)模相互干涉，產(chǎn)生多層亞波長(zhǎng)周期的干涉光場(chǎng)，進(jìn)而曝光正性光刻膠，經(jīng)后續(xù)顯影、定影等工藝處理，便可制備出多層亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明基于非對(duì)稱金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo)的多層亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)刻寫(xiě)裝置，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、成本低，該裝置基于非對(duì)稱金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo)激發(fā)高階導(dǎo)模干涉曝光刻寫(xiě)制備多層亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，是一種無(wú)掩模的光刻技術(shù)，且使用的光學(xué)元件少、成本低，故可總體降低光刻的成本。

2、操作簡(jiǎn)單，由于使用的光學(xué)元件少，且光路簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)操作簡(jiǎn)單的光刻技術(shù)。

3、產(chǎn)出高，由于光路簡(jiǎn)單，易操作，無(wú)需真空條件，故可以提高產(chǎn)出率。

4、制備產(chǎn)品多樣，通過(guò)使用厚度不同的正性光刻膠和選取不同的導(dǎo)模可以刻寫(xiě)制備出多種層數(shù)和多種周期的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。

5、大面積，由于使用了擴(kuò)束器對(duì)激光束擴(kuò)束，所以制備的多層亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)是大面積的。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明基于非對(duì)稱金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo)的多層亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)刻寫(xiě)裝置示意圖；

圖2是非對(duì)稱金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo)示意圖；

圖3是利用TE₄導(dǎo)?？虒?xiě)的多層亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的平行于激光入射面的截面示意圖；

圖4是利用TM₄導(dǎo)?？虒?xiě)的多層亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的平行于激光入射面的截面示意圖；

圖5是利用TE₅導(dǎo)?？虒?xiě)的多層亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的平行于激光入射面的截面示意圖；

圖1中：1、He-Cd激光器，2、光電快門，3、短焦距透鏡，4、長(zhǎng)焦距透鏡，5、半波片，6、分束器，7、平面反射鏡A，8、平面反射鏡B，9、棱鏡，10、折射率匹配油，11、襯底，12、Al膜，13、正性光刻膠。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描敘，附圖中相同的標(biāo)號(hào)始終表示相同的部件。

如圖1所示，本發(fā)明是基于非對(duì)稱金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo)的多層亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)刻寫(xiě)裝置示意圖，包括He-Cd激光器1、光電快門2、短焦距透鏡3、長(zhǎng)焦距透鏡4、半波片5、分束器6、平面反射鏡A7、平面反射鏡B8、棱鏡9、折射率匹配油10、襯底11、Al膜12和正性光刻膠13，其中：

He-Cd激光器1作為激發(fā)高階導(dǎo)模的激發(fā)光源，發(fā)射325nm波長(zhǎng)的激光。

光電快門2用來(lái)控制是否曝光及曝光時(shí)間。

短焦距透鏡3、長(zhǎng)焦距透鏡4組成擴(kuò)束器，對(duì)He-Cd激光器1發(fā)射的激光束進(jìn)行擴(kuò)束，以增大曝光面積，實(shí)現(xiàn)大面積刻寫(xiě)。

半波片5用來(lái)改變從擴(kuò)束器射出的激光偏振方向，得到激發(fā)高階導(dǎo)模所需的TE或TM偏振光。

分束器6將從半波片5出射的TE或TM偏振光分為兩束強(qiáng)度相等的相干光。

平面反射鏡A 7、平面反射鏡B 8，把通過(guò)分束器射出的兩束TE或TM偏振光反射到棱鏡上?？梢酝ㄟ^(guò)改變兩平面反射鏡的位置來(lái)改變兩束偏振光入射到棱鏡時(shí)的角度。

棱鏡9用來(lái)耦合激發(fā)非對(duì)稱金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo)中的高階導(dǎo)模。

折射率匹配油10用于粘結(jié)棱鏡和襯底。

襯底11是與棱鏡相同材料的玻璃片。

Al膜12、正性光刻膠13、空氣組成非對(duì)稱金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo)，Al膜12通過(guò)電子束蒸鍍到襯底11上，正性光刻膠13通過(guò)勻膠法旋涂在Al膜12上。高階導(dǎo)模的干涉場(chǎng)曝光正性光刻膠13后，經(jīng)后續(xù)顯影、定影等工藝處理，最終制備出多層亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。

下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明：

實(shí)施例1：

參照?qǐng)D1所示的基于非對(duì)稱金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo)的多層亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)刻寫(xiě)裝置，He-Cd激光器1發(fā)射波長(zhǎng)為325nm的激光束，激光束通過(guò)光電快門2后，經(jīng)短焦距透鏡3、長(zhǎng)焦距透鏡4組成的擴(kuò)束器后被擴(kuò)束成大面積光束，通過(guò)改變激光偏振方向的半波片5，得到激發(fā)高階導(dǎo)模TE₄的TE偏振光，再被分束器6分為兩束強(qiáng)度相同的相干光，兩束光從兩個(gè)方向射出，最后被平面反射鏡A7、平面反射鏡B8反射后，通過(guò)棱鏡耦合，以激發(fā)TE₄導(dǎo)模的入射角(38°)輻照到由Al膜12、正性光刻膠13和空氣組成的非對(duì)稱金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo)上。TE₄導(dǎo)模的干涉場(chǎng)曝光正性光刻膠13，正性光刻膠13厚度為600nm，曝光后經(jīng)顯影、定影等后續(xù)工藝，即可得到多層亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，其層數(shù)為5，其周期為156nm。如圖3所示。

實(shí)施例2：

參照?qǐng)D1所示的基于非對(duì)稱金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo)的多層亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)刻寫(xiě)裝置，調(diào)節(jié)半波片5，得到可以激發(fā)高階導(dǎo)模TM₄的TM偏振光，并調(diào)節(jié)平面反射鏡A7、平面反射鏡B8的位置，使激光束以激發(fā)TM₄導(dǎo)模的入射角(42.5°)輻照到非對(duì)稱金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo)上，TM₄導(dǎo)模的干涉場(chǎng)曝光正性光刻膠13，正性光刻膠13厚度是600nm，其他步驟參照實(shí)施例1，最后可得到多層亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，其層數(shù)為5，周期為141nm，如圖4所示。

實(shí)施例3：

參照?qǐng)D1所示的基于非對(duì)稱金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo)的多層亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)刻寫(xiě)裝置，調(diào)節(jié)半波片5，得到可以激發(fā)高階導(dǎo)模TE₅的TE偏振光，并調(diào)節(jié)平面反射鏡A7、平面反射鏡B8的位置，使激光束以激發(fā)TE₅導(dǎo)模的入射角(37.6°)輻照到非對(duì)稱金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo)上，TE₅導(dǎo)模的干涉場(chǎng)曝光正性光刻膠13，正性光刻膠13厚度為730nm，其他步驟參照實(shí)施例1，最后得到多層亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，其層數(shù)為6，周期為157nm，如圖5所示。

下面結(jié)合平板波導(dǎo)的電磁理論來(lái)說(shuō)明本發(fā)明基于非對(duì)稱金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo)的多層亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)刻寫(xiě)裝置的原理：

圖2是非對(duì)稱金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo)示意圖，非對(duì)稱金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo)由Al膜12，正性光刻膠13，空氣三層結(jié)構(gòu)組成，與棱鏡相同材料的玻璃片作為波導(dǎo)的襯底11。

非對(duì)稱金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo)中存在的導(dǎo)模的模式本征方程為：

κ₂d＝mπ+φ₂₃+φ₂₁ (1)

式中，d是正性光刻膠13的厚度，m是高階導(dǎo)模的模式數(shù)，φ₂₃為正性光刻膠13和空氣界面的全反射相移，φ₂₁為Al膜12和正性光刻膠13界面的全反射相移，對(duì)于TE偏振，φ₂₃為φ₂₁為對(duì)于TM偏振，φ₂₃為φ₂₁為

其中，對(duì)于TE偏振：

對(duì)于TM偏振：

而且有：

式中，β_m是m階導(dǎo)模的傳播常數(shù)，k₀是325nm激發(fā)在真空中的波矢，ε₁是Al膜12的介電常數(shù)，ε₂和ε₃分別是正性光刻膠13和空氣的介電常數(shù)。

當(dāng)兩束TM或TE偏振的激光通過(guò)平面反射鏡A7，平面反射鏡B8反射后，經(jīng)棱鏡9耦合，并以相同的激發(fā)角θ_m輻照非對(duì)稱金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo)，將激發(fā)非對(duì)稱金屬包覆介質(zhì)波導(dǎo)中的m階導(dǎo)模，相應(yīng)的相位匹配條件滿足：

k₀n₀sinθ_m＝β_m (5)

其中n₀為棱鏡9的折射率，θ_m為m階導(dǎo)模的激發(fā)角。

兩束方向相反的高階導(dǎo)模相互干涉，形成多層亞波長(zhǎng)周期的光場(chǎng)分布，從而曝光正性光刻膠13，經(jīng)后續(xù)顯影、定影等工藝處理，便可在Al膜12上得到多層亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。多層亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的層數(shù)為導(dǎo)模的模式數(shù)加1，即：m+1，周期Δx為：

相比于其他光刻技術(shù)，本裝置成本低廉、操作簡(jiǎn)單、產(chǎn)出高，因此在微納光學(xué)制備領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

本發(fā)明未詳細(xì)闡述的部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。