[發(fā)明專利]一種制備表面等離子體激元納米光子器件的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410221679.7
• 申請日: 2014-05-23
• 公開（公告）號: CN103955023A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫海濤;劉琦;呂杭炳;龍世兵;劉明
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院微電子研究所
• 主分類號: G02B6/13
• 分類號: G02B6/13
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 任巖

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及納米光子器件及納米加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種制備表面等離子體激元納米光子器件的方法。

背景技術(shù)

隨著微納加工工藝的不斷發(fā)展，器件尺寸大幅度縮小，受到衍射效應(yīng)的影響，傳統(tǒng)的光斑大小或者光束的直徑一般只能限制在波長量級的尺度范圍內(nèi)。微納加工技術(shù)和集成光學(xué)的進(jìn)步已經(jīng)使得光學(xué)器件的不斷小型化，進(jìn)而接近光的衍射極限。如何獲得突破衍射極限的各種高效光電子器件是實現(xiàn)納米全光集成的基礎(chǔ)，也是目前微納光學(xué)領(lǐng)域的重要研究熱點內(nèi)容。當(dāng)光波(電磁波)入射到金屬與介質(zhì)分界面時，金屬表面的自由電子發(fā)生集體振蕩，電磁波與金屬表面自由電子耦合而形成的一種沿著金屬表面?zhèn)鞑サ慕鼒鲭姶挪ǎ绻娮拥恼袷庮l率與入射光波的頻率一致就會產(chǎn)生共振，在共振狀態(tài)下電磁場的能量被有效地轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘俦砻孀杂呻娮拥募w振動能，這時就形成的一種特殊的電磁模式，電磁場被局限在金屬表面很小的范圍內(nèi)并發(fā)生增強，這種現(xiàn)象就被稱為表面等離激元現(xiàn)象。

隨著表面等離激元理論研究的深入以及各種結(jié)構(gòu)的器件的成功制作，其在光學(xué)各領(lǐng)域應(yīng)用具有巨大的潛力，尤其在解決了一些以往光學(xué)長期不能解決的問題，其中包括金屬亞波長結(jié)構(gòu)的增透效應(yīng)在超分辨率納米光刻、高密度數(shù)據(jù)存儲、近場光學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

在現(xiàn)代信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，對于器件微型化和高度集成化的要求越來越高，怎樣在納米尺寸的層面上實現(xiàn)信息傳輸處理成為科學(xué)研究的一個重要課題。表面等離激元能夠突破衍射極限，并具有很強的局域場增強特點，可以實現(xiàn)納米尺度的光信息傳輸與處理。

另外表面等離激元的獨特特性，使得它在高靈敏生物檢測、傳感和新型光源等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。利用鏈條狀排列的金屬納米顆粒可以有效傳輸這種表面等離子體激元素，從而實現(xiàn)光波導(dǎo)。借助于微納加工工藝技術(shù)，可以將這種金屬納米顆粒的鏈條直徑限制在納米量級，因此可以實現(xiàn)納米尺寸的光波導(dǎo)器件。

目前來說，金屬納米顆粒的制備主要有直接蒸發(fā)法、金屬薄膜快速退火法以及化學(xué)反應(yīng)方法等。蒸發(fā)法一般采用電子束蒸發(fā)設(shè)備，將金屬的塊體材料高溫蒸發(fā)至襯底材料上。通常需要在蒸發(fā)金屬之前通過光刻形成納米顆粒圖形，但是目前的光刻技術(shù)在10納米以下就顯得比較困難，并且此種方法流程復(fù)雜且成本較高。在蒸發(fā)速率較低或者時間較短的情況下，也可以直接在沉底材料上形成金屬納米顆粒，不過這種方法形成的金屬納米顆粒大小相差較大并且不容易控制。

另外，通過在襯底材料上生長一層金屬薄膜，借助快速熱退火的辦法可以獲得金屬納米顆粒，這種辦法隨機性較大，同樣比較難控制。利用化學(xué)溶液反應(yīng)的方法獲取金屬納米顆粒其工藝流程就更復(fù)雜且襯底材料易受化學(xué)試劑影響。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問題

有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種制備表面等離子體激元納米光子器件的方法，以解決目前納米光子器件尺寸大、制備復(fù)雜成本高的問題。

(二)技術(shù)方案

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種制備表面等離子體激元納米光子器件的方法，該方法包括：

步驟1：預(yù)備硅襯底，在硅襯底表面形成氧化硅；

步驟2：在表面形成有氧化硅的硅襯底上生長下電極金屬；

步驟3：在下電極金屬上旋涂一層光刻膠，熱板烘烤，并采用掩膜對光刻膠進(jìn)行曝光，然后顯影，在光刻膠層形成通孔陣列，在通孔中露出光刻膠層下的下電極金屬；

步驟4：在通孔中沉積氧化物層；

步驟5：在通孔中的氧化物層上蒸發(fā)上電極金屬；

步驟6：剝離光刻膠及光刻膠上的氧化物層和上電極金屬，露出下電極金屬，得到表面具有凸起陣列的器件，該凸起陣列中的每一個凸起均由氧化物層和上電極金屬構(gòu)成，且上電極金屬形成于氧化物層之上；

步驟7：在凸起的上電極金屬上加正電壓，將下電極金屬接地，在電場激勵下使得在凸起的氧化物層內(nèi)部形成金屬納米顆粒的鏈條，得到表面等離子體激元納米光子器件。

上述方案中，步驟1中所述硅襯底表面形成的氧化硅作為襯底介質(zhì)層，是通過將硅襯底置于氧氣氣氛中高溫?zé)嵫趸诠枰r底表面形成。

上述方案中，步驟1中所述硅襯底在表面形成氧化硅之前，進(jìn)一步對硅襯底進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗過程，該標(biāo)準(zhǔn)清洗過程具體為：將硅襯底在硫酸(H₂SO₄)和雙氧水(H₂O₂)的溶液中(體積比為7∶3)煮30分鐘，溫度為400攝氏度，去除有機物和金屬雜質(zhì)，然后放入氫氟酸(HF)和去離子水(DIW)中漂洗，最后用去離子水(DIW)沖洗。