方法制作阵列特征尺寸的Nanopatterns超越衍射极限

文摘

一个方便的光刻技术提出了本文,可以用于生产subdiffraction-limit nanopatterns数组在大面积(约几平方厘米)。数组的聚苯乙烯微球表面(PS)安排一层银色的厚度约为几十纳米。正常照明光的波长365 nm垂直于衬底,PS可以生成一个数组的光学模式与高强度与银的接触点。通过设计银板,携带亚波长光学信息的隐失波模式大大增强,而传播组件是克制。在另一边的光刻胶银,光强是重新分配和subdiffraction-limit模式后得到接触和发展。仿真的时域有限差分(FDTD)和实验进行了验证技术。结果表明,通过使用PS直径为600纳米,nanopatterns维度的不到80海里。

1。介绍

nanopatterns数组可用于广泛的应用,如化学传感器(1),光学过滤器(2- - - - - -4),光子晶体(5)、数字光学系统(6,7),并显示(8]。传统的光刻(9)不能用于制造nanopatterns数组,因为衍射极限。全息光刻技术(10],电子束光刻[11写作()和激光模式12目前用于制造它们。尽管可以产生高质量的模式与技巧,他们需要昂贵的设备,通常需要多步处理。在2002年,怀特赛兹教授提出了光刻技术的集团的简单,重复的微型图象在大面积可以生产13]。然而,这项技术只能用于制造模式尺寸大于100纳米。2005年,张翔(音译)的团队提出了一个方法生产subdiffraction-limited与银超透镜光学成像(14]。然而,需要通过聚焦离子束光刻或电子束光刻技术制造的面具在这个方法中。

获得nanopatterns对于潜在的应用程序,我们将演示一个方便的过程产生subdiffraction-limit nanopatterns数组在大面积。数组的PS表面放置一层银和介质和金属的接触点。当照明光,PS可以生成一个数组的光学模式在这些接触点强度高。隐失波携带的亚波长信息光学模式时可以增强传播通过银层形成强度分布在光刻胶银的另一边。与此同时,传播组件是克制。因此,subdiffraction-limit nanopatterns可以获得在光刻胶的发展。在这个技术,nanopattern面具由电子束光刻技术可以省略。PS和银层的接触点可以被认为是面具,在PS直径约为几百纳米,可以很容易地生产。Nanopatterns维度低于80海里可以通过这种技术,照明波长的五分之一。

2。原理和仿真

这种技术的示意图如图1(一)图1(b)显示了PDMS膜中PS的位置,在PS PDMS因为无法完全包裹的毛细管效应。图1(c)表明,PS六角形阵列排列。

我们开始通过一个面具由PS嵌入在PDMS膜。然后,面具是放在一个银层的表面,在光刻胶(PR)层放置在另一边。这里,PS收敛入射光的有限区域,在光学模式生成强度相对较高的表面的银。在纳米尺度上接触点的PS和银层,一些光在光学模式可以被耦合到衰减波与波矢,在那里(是真空的波矢量)。这里,隐失波和传播组件是包含在光学模式,衰减波携带的亚波长信息。当金属介电常数的实部等于相邻的绝缘介质,大部分的隐失波携带亚波长信息可以通过极其放大在银层。与此同时,传播组件是受制于银板的反射和吸收。因此,在银色的光致抗蚀剂在另一边,光强是重新分配和subdiffraction-limit模式后得到接触和发展。

来验证这种方法的可行性,进行了仿真与FDTD方法获得光刻胶的强度分布。PS的介电系数、公关和银2.5281 (13),(15),而(15),分别。结果如图所示2。照明光的波长为365 nm,和PS的直径是600海里。

左边的部分数据2(一)和2(c)的模拟方案,没有一层银表面的光刻胶,分别优化银板和光刻胶的厚度是30 nm和100海里。正确的零件在这两个数字是强度分布在40纳米光刻胶表面。数据2(b)和2(d)的归一化强度分布光刻胶表面的数据显示2(一)和2(c),我们可以看到完整的半最大值宽度(应用)57和247 nm。在这里,我们考虑暴露的应用作为光刻胶的大小,可以溶解在开发过程中。在上面的两种情况,模式的尺寸在光刻胶得到57和247 nm,分别。

从上面的模拟,我们可以知道,用银板的接触过程,获得模式非常的维数降低。原因是银的放大能力的隐失波和克制的传播组件。

3所示。实验和结果

彻底清洁Si衬底,浸泡在一个3:1 (v: v)的混合物年代(98%)和 (30%)在80年的温度约一小时^°c,它是由浸渍在亲水处理1:1 (v: v)的混合物 (30%)和N哦(20%)一个小时。然后,单层的PS(美国加利福尼亚州杜克科学公司)与直径600纳米spin-coated衬底硅的表面上。值得提到PS排列成六边形,可以看到在图3。

基质是放置在一个塑料培养皿。10:1 (v: v)的混合物PDMS-Sylgard硅酮弹性体184年和184年Sylgard固化剂(美国密歇根州道康宁公司Midland)倒入培养皿中。在室温下的PDMS治愈在实验室环境30 - 60分钟。这个治疗是紧随其后的是额外的治疗在65^°C大约1小时或直到聚合物刚性。冷却到室温后,PDMS仔细去皮菜和衬底。的PDMS膜嵌入PS。

硅为衬底材料、光致抗蚀剂AZ3100接触材料。抵抗是spin-coated到衬底4000 rad / s的旋转速度。涂层工艺参数的时间、前烘温度、预烘干时间,和抵制厚度30秒,100^°C, 5分钟,分别和100海里。一层银最佳厚度30 nm当时沉积表面的光刻胶。PDMS膜放在银的表面与PS联系银。然后,上述结构暴露的PS的照明光源的中心波长365纳米。曝光时间为7秒。

曝光后,PDMS膜嵌入PS从银的表面剥落。基质是浸泡在接下来的的解决方案(30%)擦拭层的银。发展中大约20秒钟后,nanopatterns维度约75海里在光刻胶得到如图4(a),这是一个小比57纳米我们理论价值的部分原理和模拟。PS的原因可能是感染不与银紧密联系,小姐控制在开发过程中。

也进行了控制实验。没有银层表面的光刻胶。曝光时间的最优工艺参数和开发时间是1秒,5秒,分别。获得的光刻胶如图中的模式4(b),我们可以看到,孔的尺寸大约是260海里。

从上面的结果,我们可以知道模式的维度与银层在曝光过程比这小得多的银层。银可以证明的效果。

4所示。结论

本文展示了一种技术,可以用来制造nanopatterns。该技术不需要面具由昂贵的光学设备的使用。它提供了一个方便的方法制作subdiffraction-limit nanopatterns。通过合理选择PS的大小,PS的排列数组,光刻胶的种类,不同种类的nanopatterns可以获得。纳米结构所产生的这种技术可以用于制造光学元素。我们实验室的研究小组对该技术进行深入的研究。Nanopatterns数组在制造与其他时间和安排。

确认

863项目支持的工作是中国(2007 aa03z332)和中国自然科学基金(60678035和60678035)。作者要感谢Shaoyun阴先生和Qiling邓女士为他们对工作的贡献。李和l .史有相同的贡献的工作。

引用

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