[发明专利]利用缝隙腐蚀成形金属纳米结构的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米结构成形方法，特别是利用缝隙腐蚀成形金属纳米结构的制作方法。

背景技术

近几年来，随着亚波长光学及微纳结构制作手段的迅速发展，对亚波长光学结构尤其是金属结构的近场光学性能有了大量的研究，近场光学的理论和应用研究得了到迅速发展。1998年，Ebbesen及其合作者发现：通过亚波长微纳金属孔列阵的光在某些波长处有异常的增强现象，他们的数值比经典的孔径理论所计算出的大几个数量级。之后，H.J.Lezec等人的研究发现，在亚波长光学结构中，不仅光的透过率可以得到增强，其透过光束的传输方向也可以得到有效的控制。此外，与表面等离子体金属微纳结构有关新现象还有：光与特殊分布的金属微纳结构作用后，出现沿左手规则传播的特性，说明材料具有负折射率；光通过特定金属微纳孔结构后，光波出射具有极好的方向性等等，这引起了人们对亚波长金属微结构的兴趣，出现了近场光学、亚波长光学、等离子体光学等，都是研究纳米尺度下光子的各种特性及其与物质的相互作用，纳米金属光学的研究已经形成一个新的领域。基于微纳金属结构的新型表面等离子体技术可以被广泛应用于军事、医疗、国家安全等多个领域。

微纳金属结构的成形是表面等离子体实验研究的基础，实现微纳金属结构的成形对于表面等离子体实验研究及应用具有重要意义。由于表面等离子体微纳金属结构要求线宽为亚微米甚至纳米级，因此采用常规的微光刻技术已经无法实现。目前，表面等离子体微纳金属结构主要通过电子束、聚焦离子束等直写设备进行加工，这种加工方法不仅需要昂贵的加工设备，而且制作的维纳结构面积很难突破200微米；其次，采用自组装技术也可以实现纳米结构制作，而且可以把图形面积做大，单自组装技术只能制作点阵列，很难实现线阵列、环阵列以及其他非阵列的微纳结构，这给需要大面积、细线宽、任意结构的表面等离子体的实验研究以及初步应用带来了很大的问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种可实现大面积、任意线条图形的利用缝隙腐蚀成形金属纳米结构的制作方法。

本发明的技术解决方案：利用缝隙腐蚀成形金属纳米结构的制作方法，步骤如下：

(1)根据需要选择基片材料，基底材料为玻璃、石英、硅或锗；

(2)在基片材料表面蒸镀一层金属膜层，金属膜层的材料为金、银、铬、铝或铜；金属膜的厚度为10nm-200nm；

(3)在所述的金属膜层表面旋涂一层正型或负型紫外光刻胶，光刻胶厚度为20nm-50μm，形成样片；

(4)根据所需要的金属纳米线条分布情况选择光刻掩模，光刻掩模为二元掩模，或灰度掩模。并用紫外曝光机对光刻胶样品进行曝光；曝光时间为3s-3600s；

(5)将曝光后的样片放入显影液内显影，使光刻胶图形化，同时在显影液的浸泡下，使光刻胶结构边缘与金属膜之间形成缝隙；缝隙长度和形状与光刻胶结构的边缘完全相同，宽度为10-200nm，深度与金属膜的厚度相同，为10-200nm；

(6)将图形化的光刻胶结构放入烘箱烘焙，烘焙温度为60℃-120℃，使所述的缝隙固定；

(7)将上述样片放入金属腐蚀液里腐蚀，腐蚀液的原料和配比根据具体金属材料来选择，腐蚀时间为2s-15s，即可在光刻胶与金属膜的缝隙处产生缝隙腐蚀，当缝隙内外金属无连接时，将样片从腐蚀液内取出并用去离子水冲洗干净；

(8)洗去样片上的光刻胶结构，即在金属上得到与缝隙边缘一致的20-80nm的金属纳米结构。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)表面等离子体纳米光学结构由于具有纳米级的线宽，因此通常采用电子束以及聚焦离子束进行制作。电子束、聚焦离子束设备昂贵，且制作的微图形面积通常小于200微米，这给表面等离子体研究与应用带来了极大困难。而本发明方法采用一次性缝隙腐蚀实现整个样片上大面积内的纳米结构加工，因此不需要昂贵的电子束以及聚焦离子束直写设备即可制作出纳米级的线条结构，纳米结构的面积可以达到几百毫米。

(2)自组装技术是另外一种可制作纳米结构的方法，由于该方法主要采用直径百纳米级微球进行组合得到纳米级结构，因此主要用于制作纳米级的点阵，对于其它如直线形、环形以及任意曲线分布的结构则无能为力。同时自组装技术主要用于制作规则的阵列点阵图形，对于非规则阵列以及非阵列图形(即使是点图形)则很难实现。本方法成形的纳米结构图形可以是环形、直线形以及任意曲线，图形可以是阵列排布、也可以是不规则排布。