集成壓電可動微透鏡增強型錐形亞波長近場光探針陣列的製作方法

2023-09-23 10:50:15

專利名稱:集成壓電可動微透鏡增強型錐形亞波長近場光探針陣列的製作方法
集成壓電可動微透鏡增強型錐形亞波長近場光探針陣列 技術領域：
本發明涉及一種基於表面等離子體的集成可動微透鏡增強型錐形亞 波長近場光探針陣列結構。
背景技術：
獲取納米尺度的光源是近場光存儲系統、近場光學成像、探測、納米 光刻中的關鍵技術之一，近年來具有納米孔徑的鍍金屬膜光纖探針已被廣泛使用，然而光纖探針的通光效率很低，通常為10—4 10_6。後來，在近場 光學成像、近場光學存儲領域中，固體浸沒透鏡(SIL)的使用使得通光 效率得到很大提高。但此方法與光纖探針有一個共同的缺點是必須將SIL 的底面或者光纖探針與觀察或記錄介質間的距離控制在近場區域，大約為 50nm左右，這使得間距控制非常困難，很容易造成SIL或者探針與介質 間的碰撞，造成損壞。根據經典理論，當孔徑小於入射光的波長時，它的光透過率呈現強烈 的衰減，不能滿足實際的使用要求。表面等離子體激元(SPP)具有提高 亞波長孔近場光探針通光效率，突破光的衍射實現近場光超高密度存儲的 潛力，然而基於SPP近場光探針的通光效率和輸出光功率仍未達到快速光 存儲的要求。當前，提出亞波長近場光探針陣列，是一種基於近場光學原理設計的 具有納米孔徑的近場光探針陣列，是在現有商用半導體固體雷射器的出射 表面鍍金屬膜層並在其上開一具有納米尺寸的出射孔徑。這種作為近場光 學系統中的有源探針的亞波長近場光探針陣列具有明顯的優點，其輸出光功率較具有相同小孔尺寸的鍍金屬膜光纖探針提高104倍，通光效率超過 1/1000，從而提高了信噪比和數據傳輸速度。但目前實驗中所採用的納米 孔徑通常為方形或圓形，直徑約為50 100nm ，輸出功率約為微瓦量級， 尚不能滿足實際使用的要求。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術存在的不足，提供一種集成壓電可動微 透鏡增強型錐形亞波長近場光探針陣列，旨在有效提高通光效率和輸出光 功率。本發明的目的通過以下技術方案來實現集成壓電可動微透鏡增強型錐形亞波長近場光探針陣列，特點是該 陣列由集成壓電可動微透鏡和帶金屬溝槽結構的錐形亞波長通光孔陣列 組成，在減薄的SOI襯底上製作有錐形孔，錐形孔內表面及周圍都鍍有金 屬膜層，在錐形孔周圍形成有納米金屬溝槽結構，所述錐形孔上集成壓電 可動微透鏡，錐形孔從入射表面向出射表面呈線性逐漸減小，最終在SOI 襯底上形成錐形亞波長通光孔，錐形亞波長通光孔孔徑的錐形角在0 90°之間。進一步地，上述的集成壓電可動微透鏡增強型錐形亞波長近場光探針陣列，所述錐形亞波長通光孔的上底面直徑在100 800nm，下底面直徑 在30 300nm，傾斜角度在0 90°之間。所述錐形亞波長通光孔孔徑的 形狀為方形、矩形、圓形、橢圓形、三角形、雙三角形、巨形、工形、半 圓環形或C形中的一種；或者是方形、矩形、圓形、橢圓形、三角形、雙 三角形、巨形、工形、半圓環形或C形中的兩種及兩種以上形狀相組合形 成的形狀。更進一步地，上述的集成壓電可動微透鏡增強型錐形亞波長近場光探 針陣列，錐形亞波長通光孔上方有壓電可動的微透鏡，可提高孔的通光強 度，所述錐形亞波長通光孔內和周圍都鍍有金屬膜層，其厚度在10 300nm之間，金屬膜層的材質是金、鋁、銀或鉻中的一種。更進一步地，上述的集成壓電可動微透鏡增強型錐形亞波長近場光探針陣列，所述納米金屬溝槽結構的周期為10 200nm，數目為5 20個， 納米金屬溝槽圍繞錐形亞波長通光孔，可激發更多的SPP，從而提高通光 強度。再進一步地，上述的集成壓電可動微透鏡增強型錐形亞波長近場光探 針陣列，所述錐形亞波長通光孔孔徑內是開放空間或者填充高折射率的介 質材料。本發明技術方案突出的實質性特點和顯著的進步主要體現在① 本發明在錐形亞波長近場探針陣列上有集成壓電可動的微透鏡，加 透鏡比不加透鏡的亞波長近場探針的透光強度可增加70倍，從而極大的 提高了亞波長孔的輸出功率；② 亞波長近場光探針的通光效率與輸出光強極大值在具有相同近場 光斑尺寸的情況下，較普通的納米光纖探針提高了 10 104倍，所得到的 通光效率大於1%;③ 亞波長近場光探針陣列可作為納米近場光學有源探針用於近場光 數據存儲、光學成像、光譜探測、光刻、光學操作等。基於集成光學技術， 採用這種亞波長近場光探針陣列可製成新型近場光學存儲讀寫頭或近場 光學顯微鏡的有源光學探針。


下面結合附圖對本發明技術方案作進一步說明-圖h集成壓電式角度可調微透鏡的錐形亞波長孔近場光探針陣列示 意圖；圖2:不同類型的錐形孔的示意圖。圖中各附圖標記的含義l一壓電微懸臂梁，2—微透鏡，3—錐形亞波長通光孔，4一金屬膜層，5—金屬溝槽。
具體實施方式
本發明設計一種基於表面等離子體的集成可動微透鏡增強型錐形亞 波長近場光探針陣列，該陣列由集成可動壓電微透鏡和帶金屬溝槽結構的 亞波長錐形孔陣列組成。運用壓電式可動微透鏡和近場光探針的集成工 藝，在近場光探針上製備角度可調聚焦微透鏡，通過聚焦提高入射光的功率密度，控制入射光角度以激發更強的SPP，提高近場光探針的通光效率 和輸出光功率，從而，解決了 SPP通光增強亞波長孔近場光探針輸出光強 不能滿足近場光存儲需求的問題。如圖1 2所示，集成壓電式角度可調微透鏡的錐形亞波長孔近場光 探針陣列，包括壓電微懸臂梁1、微透鏡2、鍍有金屬膜層的錐形亞波長 通光孔3，該陣列由集成壓電可動微透鏡和帶金屬溝槽結構的亞波長錐形 孔陣列組成，在減薄的SOI襯底上製作有錐形孔，錐形孔內和周圍都鍍有 金屬膜層4，錐形孔周圍有納米金屬溝槽5，錐形孔上集成壓電可動微透 鏡，錐形孔從入射表面向出射表面呈線性逐漸減小，最終在SOI襯底上形 成錐形亞波長通光孔3，錐形亞波長遙光孔孔徑的錐形角在0 卯。之間， 錐形亞波長通光孔3孔徑的形狀為方形、矩形、圓形、橢圓形、三角形、 雙三角形、巨形、工形、半圓環形或C形中的;p種；或者是方形、矩形、 圓形、橢圓形、三角形、雙三角形、巨形、工形、半圓環形或C形中的兩 種及兩種以上形狀相組合形成的形狀。金屬膜層4的厚度為10 300nm， 金屬膜層4的材質是金、鋁、銀或鉻中的一種。錐形亞波長通光孔3孔徑 內是開放空間或者填充高折射率的介質材料，通過填充高折射率的介質材 料，還可以進一步提高通光效率。壓電可動微透的表面等離子體激元增強 型錐形亞波長孔陣列可以與邊發射型半導體雷射器或面發射型半導體激 光器集成使用。具體製作集成壓電式角度可調聚焦微透鏡的SPP近場光探針陣列，其 方法步驟為首先在減薄的SOI襯底上採用濺射法製備Pt底電極，利用Sol-Gel法製備PZT壓電薄膜，剝離法製備Au頂電極，採用PDMS和納 米熱壓印技術、刻蝕技術製備聚焦微透鏡和壓電微懸臂梁；同時在另一片 SOI晶片上，塗覆光刻膠，利用電子束光刻技術的調整劑量法在光刻膠上 製備不同尺寸的漏鬥型錐形孔和溝槽結構，使用ICP刻蝕技術將錐形孔和 溝槽結構形狀刻蝕複製到Si片上，蒸鍍Au膜，製備獲得孔中有金屬膜的 錐形孔，或者先在蒸鍍Au膜前，對孔部分塗膠保護，然後蒸發Au膜，形 成孔中無金屬膜的錐形孔；然後利用倒裝焊進行壓電式角度可調聚焦微透 鏡晶片和納孔光探針陣列的對準鍵合；最後用ICP刻蝕亞波長光探針背部 的Si層露出亞波長光探針的出光孔。要說明的是，驅動電壓、微透鏡轉角與亞波長孔通光效率之間的關係-如圖1，在壓電微懸臂梁1上施加不同電壓，使微透鏡2旋轉一定角度， 因而聚焦的入射光可以一定角度聚焦在金屬溝槽5和錐形亞波長通光孔3 上，在亞波長通光孔3周圍產生大量的SPP，利用SPP的通光增強效應和 錐形孔的聚光效果可以提高亞波長通光孔的通光效率和輸出光功率的能 力。錐形亞波長孔物理尺寸和孔內金屬層與亞波長孔光傳輸效率的關係 採用微納加工技術在Si/Si02/Au襯底上製備上下底面直徑為100 800nrn 和30 300nm、傾斜角度在0 90° 、孔內蒸鍍金屬層的漏鬥型錐形孔， 如圖2所示，在孔周圍製備5 20個周期為10 200nm的金屬溝槽5。當 聚焦的光以一定角度照射在周圍有金屬溝槽的錐形亞波長孔陣列時，可獲 得最佳的光透過效率和透射強度。集成壓電可動微透鏡的表面等離子體激元增強型錐形亞波長近場光 探針陣列，在錐形亞波長近場探針陣列上有集成壓電可動的微透鏡，加透 鏡比不加透鏡的亞波長近場探針的透光強度可增加70倍，從而極大的提高亞波長孔的輸出功率，滿足實際所需。其工作原理基於近場光學表面等離子體激元(SPP)的局域場增強效 應，在錐形孔周圍製作納米金屬溝槽並且聚焦的入射光以一定角度照射在 錐形孔上時可極大的激發出表面等離子體激元，而金屬薄膜表面存在亞波 長通光孔時能形成所謂的SPP微腔，由金屬表面周期性結構和入射光耦合 產生的SPP波沿金屬-介質界面傳播，遇到由通光孔形成的SPP微腔時， 能量將在小孔處集聚，並在小孔微腔內以波導模式存在並傳播，遇到小孔的拐角處，發生SPP-光耦合輸出，而根據波導和色散理論，改變小孔尺寸 將改變SPP波導截面積，從而改變亞波長孔的通光效率。另外錐形亞波長 孔徑對光具有不斷地增強、收集作用。SPP增強效應受金屬膜層的光學特性及厚度、納米金屬溝槽的特徵尺寸、孔徑的幾何形狀及尺寸、金屬膜表 面等離子體激元的增強效應、入射光照射角度等因素的影響。其中， 一定角度的入射光照射的SPP激發效應和SPP的共振增強效應影響較大。其表 現為不同的入射光角度將會影響SPP的激發，進而改變近場光斑的分布及 通光效率。共振增強效應包括SPP增強效應及亞波長孔徑散射場的幹涉加強效應，與孔徑的幾何形狀及孔徑尺寸密切相關。本發明亞波長近場光探針的通光效率與輸出光強極大值在具有相同近場光斑尺寸的情況下，較普通具的納米光纖探針提高了 10 104倍，所得到的通光效率大於1%。亞波長近場光探針陣列可作為納米近場光學有 源探針用於近場光數據存儲、光學成像、光譜探測、光刻、光學操作等。 基於集成光學技術，採用這種亞波長近場光探針陣列可製成新型近場光學 存儲讀寫頭或近場光學顯微鏡的有源光學探針。以上僅是本發明的具體應用範例，對本發明的保護範圍不構成任何限 制。凡採用等同變換或者等效替換而形成的技術方案，均落在本發明權利 保護範圍之內。
權利要求
1. 集成壓電可動微透鏡增強型錐形亞波長近場光探針陣列，其特徵在於該陣列由集成壓電可動微透鏡和帶金屬溝槽結構的錐形亞波長通光孔陣列組成，在減薄的SOI襯底上製作有錐形孔，錐形孔內表面及周圍都鍍有金屬膜層，在錐形孔周圍形成有納米金屬溝槽結構，所述錐形孔上集成壓電可動微透鏡，錐形孔從入射表面向出射表面呈線性逐漸減小，即在SOI襯底上形成錐形亞波長通光孔，且錐形亞波長通光孔孔徑的錐形角在0～90°。
2. 根據權利要求
1所述的集成壓電可動微透鏡增強型錐形亞波長近場光探針陣列，其特徵在於所述錐形亞波長通光孔的上底面直徑在100 800nm，下底面直徑在30 300nm，傾斜角度在0 90°之間。
3. 根據權利要求
1所述的集成壓電可動微透鏡增強型錐形亞波長近 場光探針陣列，其特徵在於所述錐形亞波長通光孔內及周圍所鍍的金屬 膜層，其厚度在10 300nm之間，金屬膜層的材質是金、鋁、銀或鉻中的 一種。
4. 根據權利要求
1所述的集成壓電可動微透鏡增強型錐形亞波長近 場光探針陣列，其特徵在於所述納米金屬溝槽結構的周期為10 200nm， 數目為5 20個。
專利摘要
本發明提供一種集成壓電可動微透鏡增強型錐形亞波長近場光探針陣列，由集成壓電可動微透鏡和帶金屬溝槽結構的錐形亞波長通光孔陣列組成，在減薄的SOI襯底上製作有錐形孔，錐形孔內表面及周圍都鍍有金屬膜層，在錐形孔周圍形成有納米金屬溝槽結構，所述錐形孔上集成壓電可動微透鏡，錐形孔從入射表面向出射表面呈線性逐漸減小，即在SOI襯底上形成錐形亞波長通光孔，錐形亞波長通光孔孔徑的錐形角在0～90°。本發明運用壓電式可動微透鏡和近場光探針的集成工藝，在近場光探針上製備角度可調聚焦微透鏡，通過聚焦提高入射光的功率密度和控制入射光角度以激發更強的表面等離子體激元，提高近場光探針的通光效率和輸出光功率。
文檔編號G01Q60/22GKCN101276620SQ200810025447
公開日2008年10月1日 申請日期2008年4月30日
發明者張寶順, 張曉東, 李海軍, 王敏銳 申請人:蘇州納米技術與納米仿生研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan