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一种超衍射纳米光学探针

阅读：909发布：2020-05-13

专利汇可以提供一种超衍射纳米光学探针专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明是一种超衍射纳米光学探针，在锥形介质芯的外表面镀一层金属外包层，并在锥形针尖的表面沉积多层膜，该多层膜由交替排列的介质膜和金属膜层组成，当光垂直入射到介质膜的表面时，在金属膜与介质膜的界面激发表面等离极化激元，表面等离子体激元沿界面传播到锥形针尖时起到局域增强的效果，并进一步通过锥形针尖表面多层膜的的光学各向异性，对局域增强的光斑进行修饰，压缩和透射增强。依据相同的原理，本发明还包含一种表面沉积该多层膜材料的蝴蝶结结构的设计，其特征在于在其下表面沉积上述多层膜材料。本发明中还可以通过调整多层膜中金属介质的厚度比来改变透射的光强，并且结构较简单，可以很方便的应用到光刻中，提高光刻分辨力。，下面是一种超衍射纳米光学探针专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种超衍射纳米光学探针，其特征在于：所述光学探针包括锥形介质芯、金属外包层、介质膜和金属膜层，所述锥形介质芯顶部为平台状的锥形针尖；在锥形介质芯的外表面镀一层金属外包层，并在锥形针尖的表面沉积成多层膜，该多层膜由交替排列的介质膜和金属膜层组成，当光垂直入射到介质膜的表面时，在金属膜层与介质膜的界面激发表面等离极化激元，表面等离子体激元沿界面传播到锥形针尖时，对光斑起到局域增强，并进一步通过锥形针尖的表面沉积多层膜的光学各向异性，对局域增强的光斑进行修饰、压缩，同时对光斑起到透射增强的作用；将超衍射纳米光学探针接近旋涂光刻胶记录介质的样品表面，从而实现光刻的目的。
2.如权利要求1所述的超衍射纳米光学探针，其特征在于，所述多层膜是蝴蝶结结构，在所述蝴蝶结结构下表面沉积交替排列的介质膜和金属膜层结构。
3.如权利要求1所述的超衍射纳米光学探针，其特征在于，所述的锥形介质芯是硅、或者是硅的氧化物。
4.如权利要求1所述的超衍射纳米光学探针，其特征在于，所述金属膜层是能够激发表面等离子体的金、银、铜或铝中的一种；介质膜的介电常数ε2与金属膜层的介电常数ε1满足关系：ε2＞-Re[ε1]，Re表示计算实部，介质膜是SiC材料或Si3N4材料。
5.如权利要求1所述的超衍射纳米光学探针，其特征在于，所述的锥形介质芯的直径的范围为30nm-100nm。
6.如权利要求1所述的超衍射纳米光学探针，其特征在于，所述样品自上而下由记录层、金属反射层和基底组成。
7.如权利要求6所述的超衍射纳米光学探针，其特征在于，所述的金属反射层的介电常数ε3与记录层的介电常数ε4满足匹配关系：ε4＝-Re[ε3]，Re表示计算实部。
8.如权利要求6所述的超衍射纳米光学探针，其特征在于，所述的金属反射层的厚度大于该金属反射层的材料在入射光波长下的趋肤深度。
9.如权利要求1所述的超衍射纳米光学探针，其特征在于，所述的多层膜的总厚度h1和锥形介质芯直径d满足关系：其中：Re表示计算实部，εx＝
(ε1+ηε2)/(1+η)，εz＝(1+η)/(1/ε1+η/ε2)；ε1和ε2分别为金属膜层和介质膜的介电常数；η为单层介质膜与单层金属膜的厚度比，εx和εz分别为多层膜材料横向和纵向等效介电常数。

说明书全文

一种超衍射纳米光学探针

技术领域

[0001] 本发明涉及光刻直写技术，特别是一种超衍射纳米光学探针以及一种表面沉积多层膜材料的蝴蝶结结构。

背景技术

[0002] 近年来，纳米光刻技术得到了突飞猛进的发展。等离子直写纳米光刻(plasmonic direct writing nanolithography)技术由于其相对于传统的有掩膜板的光刻而言，具有制作周期短，刻写结构灵活多样的优点；相对价格昂贵的电子束光刻，聚焦离子束光刻而言，又大大降低了成本，使得其应用越来越广，逐渐成为最具潜力的光刻技术。在等离子直写纳米光刻技术中最重要的一种是以近场光学显微镜(SNOM)探针为基础的光刻技术，其中探针是其最主要的部件，决定了光刻质量和分辨率。Betzig等人采用锥形光纤探针的进场光学显微镜在传统的光刻胶上很容易地实现了约为100nm的光刻线(Betzig E，Trautman J K1992 Science257193)，但是这一光刻方法采用的光纤探针容易损坏，并且能量的耦合与透光率很低。上海光机所的洪小刚等人在此基础上作出了一定的改进，他们用探针诱导表面等离子体来增强光的耦合效率虽然也起到了一定的效果(洪小刚&徐文东.探针对表面等离子体共振的影响.光学学报30，3049-3053(2010).)，然而其要达到很高的分辨率，探针针尖必须要做到足够的小，而且其利用光热效应来实现光刻，不能实现多次刻写，因而限制了其应用的范围。以上研究表明，一方面，随着探针尖端孔径的减小，透光率将呈指数衰减；另一方面，对分辨率起决定性作用焦斑大小却又与孔径成正比。该矛盾大大制约了SNOM探针光刻的分辨率。

发明内容

[0003] 针对以上的不足，本发明需要解决的技术问题有：在保证耦合的基础上，对光斑进行修饰和压缩，以此提高光刻分辨率；同时提高光的透过率，提高光刻胶中光强对比度和作用距离。

[0004] 本发明提供一种超衍射纳米光学探针，所述光学探针包括锥形介质芯、金属外包层、介质膜和金属膜层，所述锥形介质芯顶部为平台状的锥形针尖；在锥形介质芯的外表面镀一层金属外包层，并在锥形针尖的表面沉积成多层膜，该多层膜由交替排列的介质膜和金属膜层组成，当光垂直入射到介质膜的表面时，在金属膜层与介质膜的界面激发表面等离子体激元，表面等离子体激元沿界面传播到锥形针尖时，对光斑起到局域增强，并进一步通过锥形针尖的表面沉积多层膜的光学各向异性，对局域增强的光斑进行修饰、压缩，同时对光斑起到透射增强的作用；将超衍射纳米光学探针接近旋涂光刻胶记录介质的样品表面，从而实现光刻的目的。

[0005] 本发明与现有技术相比，具有的优点在于：利用锥形介质芯和表面镀的一层金属薄膜来传播表面等离极化激元；利用锥形针尖实现对局域的增强，并锥形针尖表面多层膜实现对倏逝波的耦合放大传输以及对光斑进行修饰和压缩；利用表面沉积多层膜蝴蝶结结构实现对焦斑的压缩和局域场增强，从而实现超分辨光刻。它首次将多层膜材料应用到直写探针上，设计了一种新的探针，理论上可以通过调整多层膜结构中金属介质膜厚，实现对光斑的压缩增强，达到几十纳米左右的刻蚀线宽；并且材料便宜，结构相对简单，可以很好的应用于高密度存储设备中。附图说明

[0006] 图1为本发明包含的超衍射纳米光学探针剖面图；

[0007] 图2为本发明包含的表面沉积多层膜蝴蝶结结构的俯视图；

[0008] 图3为本发明包含的表面沉积多层膜蝴蝶结结构的剖面图；

[0009] 图4为实施例中记录层表面下10nm的电场分布|E|2。

具体实施方式

[0010] 下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。

[0011] 请参阅图1，为本发明包含的超衍射纳米光学探针的结构剖面图，所述光学探针包括锥形介质芯1、金属外包层2、介质膜3和金属膜层4，所述锥形介质芯1顶部为平台状的锥形针尖；在锥形介质芯1的外表面镀一层金属外包层2，并在锥形针尖的表面沉积成多层膜，该多层膜由交替排列的介质膜3和金属膜层4组成，当光垂直入射到介质膜3的表面时，在金属膜层4与介质膜3的界面激发表面等离子体激元，表面等离子体激元沿界面传播到锥形针尖时，对光斑起到局域增强，并进一步通过锥形针尖的表面沉积多层膜的光学各向异性，对局域增强的光斑进行修饰、压缩，同时对光斑起到透射增强的作用；将超衍射纳米光学探针接近旋涂光刻胶记录介质的样品表面，从而实现光刻的目的。超衍射纳米光学探针与样品表面的间距为h，多层膜的总厚度h1和锥形介质芯直径d满足关系：其中：Re表示计算实部，εx＝(ε1+ηε2)/(1+η)，εz＝(1+η)/
(1/ε1+η/ε2)；ε1和ε2分别为金属膜层4和介质膜3的介电常数；η为单层介质膜3与单层金属膜4的厚度比，εx和εz分别为多层膜材料的横向和纵向等效介电常数。锥形介质芯1置于金属外包层2中，多层膜沉积在金属外包层2的表面。多层膜是由介质膜3和金属膜4交替排列组成的超衍射多层膜；待刻样品自上而下由记录层5，金属反射层6和基底7组成。首先在基底7上沉积金属反射层6，然后在金属反射层6上沉积记录层5。记录层5为感光材料，用于记录光刻图形；金属反射层6可以对纪录层中的倏逝波起到增强作用。当365nm的紫外光被耦合进探针的介质层1中后，在锥形介质芯1与金属外包层2的界面激发表面等离子体波，该表面等离子波向前传播积累，到达探针底部后，被多层膜材料进一步增强，压缩，最终在针尖上形成局域增强的均匀光斑，这是本发明的基本原理。金属反射层6的介电常数ε3与记录层的介电常数ε4满足匹配关系：ε4＝-Re[ε3]，Re表示计算实部。金属反射层6的厚度大于该金属反射层6的材料在入射光波长下的趋肤深度。

[0012] 图2是本发明包含的表面沉积多层膜材料的蝴蝶结结构俯视图，所述多层膜是蝴蝶结结构，在所述蝴蝶结结构下表面沉积交替排列介质膜3和金属膜层4结构。图中包括金属蝴蝶结结构8和梯形介质对9。金属蝴蝶结8中填充梯形介质对9，该两种材料形成的微纳腔体有助于形成高度局域的等离子体光场，x和y分别为蝴蝶结结构俯视图的坐标方向。。

[0013] 图3是本发明包含的表面沉积多层膜材料的蝴蝶结结构剖面图，图中包括交替排列的介质膜10和金属膜11区域。介质膜10的上面接金属膜11，金属膜11的上面再接介质膜10，两者交替排列形成多层膜，其作用是对局域增强的光斑进行修饰、压缩，同时对光斑起到透射增强的作用，L4为蝴蝶结结构的厚度。

[0014] 所述的锥形介质芯1，可以与光纤芯材料相同，一般由硅材料组成，也可用二氧化硅等光波导材料。锥形介质芯1的直径的范围为30nm-100nm。实施例取30nm、50nm、80nm或100nm。

[0015] 所述的金属外包层2由具有光激发特性的Au、Ag、Cu和Al等材料组成：其在激光入射条件下会产生表面等离子波。

[0016] 所述的金属膜层4是能够激发表面等离子体的金、银、铜或铝中的一种；介质膜3的介电常数ε2与金属膜层4的介电常数ε1满足关系：ε2＞-Re[ε1]，Re表示计算实部，介质膜3是SiC材料或Si3N4材料。

[0017] 所述介质膜3和金属膜层4交替排列构成多层膜结构，金属膜层4的材料为在入射光频段实部为负的材料，可以用Ag，其在波长365nm的光波下的Drude色散介电常数为：ε1＝-2.4012+0.2488i，介质膜3取与金属膜层4的介电常数满足关系ε2＞-Re[ε1]，介质膜3可选择为SiC。取η＝1，即金属膜层4和介质膜3等厚，均为5nm。

[0018] 所述的锥形介质芯1的直径d为50nm。

[0019] 所述的记录层5选用厚度为L1＝20nm，介电常数为2.56的光刻胶。

[0020] 所述的金属反射层6所起的作用是，将耦合进光刻胶的倏逝波进行反射放大，从而提高分辨率和对比度，以及作用距离。

[0021] 所述的基底7为厚度为1mm的ZF6、LF5等折射率n＞1.7的高折射率玻璃。

[0022] 所述的蝴蝶结结构金属材料8可用Au、Ag、Cu、Al等。

[0023] 所述的蝴蝶结结构，其介质填充材料9可选硅材料、二氧化硅等光波导材料。

[0024] 所述的蝴蝶结结构下表面沉积的多层膜材料中的金属膜11可用Ag，介质膜10材料可取SiC，其厚度分别为5nm。

[0025] 所述的蝴蝶结结构缝隙的尺寸a和b可取为4～20nm，L2可取为120nm～240nm，L3可取为200nm～420nm。

[0026] 所述的蝴蝶结结构，其入射光偏振方向为y方向。

[0027] 所述的蝴蝶结结构，其厚度L4为50～70nm。

[0028] 图4为所述超衍射纳米光学探针结构记录层表面下10nm的光斑电场|E|2分布，其分辨力达到40nm。

[0029] 以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

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