基于低能离子轰击的亚波长纳米结构制备
发布时间：2020-12-22 05:43
利用低能离子轰击在光刻胶表面诱导产生自组织纳米波纹结构,将其作为掩模,与反应离子束刻蚀技术相结合,在熔石英表面制备了亚波长纳米结构。与直接利用离子轰击产生的纳米结构相比,此方法制备的结构显著提高了自组织纳米结构的振幅和高宽比。这种具有表面亚波长纳米结构的熔石英样品在600～1300 nm波段范围内的透过率约为94%。初步结果显示离子轰击技术在功能性表面纳米结构制备方面极具潜力。
【文章来源】：光学学报. 2020年17期 北大核心
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
基于离子轰击的熔石英表面亚波长纳米结构制作流程图
光刻胶表面波纹形貌随离子轰击时间变化的AFM结果如图2所示,其中 图2(a)为初始的光刻胶表面形貌,图2(b)～2(e)所对应的离子轰击时间分别为10,20,30,50 min,对应的离子通量分别为9×1017,1.8×1018,2.7×1018,4.5×1018 ions·cm-2。上述样品的其他离子轰击条件相同,即离子能量为400 eV,离子束流密度为240 μA/cm2,离子入射角为50°。根据图2的AFM结果,分析了光刻胶表面波纹形貌的表面粗糙度和波长随离子轰击时间的变化(如图3所示)。由图3可知,随离子轰击时间的增加,光刻胶表面纳米波纹形貌呈现出先生长而后趋于稳定的演化规律。在离子轰击时间低于30 min(离子通量小于2.7×1018 ions·cm-2)时,纳米波纹形貌的表面粗糙度值(均方根值,RMS)和波长随离子轰击时间的增加而持续增长;而当离子轰击时间大于30 min(离子通量大于2.7×1018 ions·cm-2)时,随离子轰击时间继续增加,纳米波纹形貌的表面粗糙度值和波长都基本保持稳定,这表明纳米波纹形貌进入了一个相对稳定的饱和状态。
本文使用的光刻胶样品的初始厚度相同,约1000 nm,且实验结果表明,在相同的离子轰击条件下,初始光刻胶的厚度对离子轰击诱导的光刻胶表面形貌几乎没有影响。此外,在总的离子通量和其他实验参数保持不变时,离子束流密度基本不影响光刻胶表面波纹形貌的特征,但是增加离子束流密度能够减少纳米波纹结构形成的时间,提高图形的生成效率。以光刻胶表面处于稳定状态的纳米波纹结构为掩模,结合RIBE技术将图形转移至熔石英表面,图4是各关键环节后的样品表面的AFM观察结果。初始光刻胶薄膜经能量为400 eV,离子束流密度为280 μA/cm2的Ar离子束以50°的入射角轰击20 min后,在其表面产生自组织纳米波纹结构,如图4(a)所示, 光刻胶波纹的平均周期为105 nm±10 nm,振幅为26 nm±3 nm,图形高宽比为0.25。为了获得较好的图形转移效果,使用氧等离子体刻蚀对光刻胶纳米波纹结构进行修饰,即在不改变光刻胶纳米波纹结构特征的同时去除波纹底部的光刻胶,如图4(b)所示,修饰后的波纹结构平均周期为100 nm±5 nm,振幅约为30 nm±5 nm,图形高宽比约0.3。最后利用RIBE(工作气体为Ar和CHF3,气体体积比为2∶3)对熔石英和光刻胶刻蚀的高选择比特性(可达5∶1),将光刻胶表面纳米波纹结构转移至熔石英表面,显著提高了亚波长纳米结构的振幅和高宽比,如图4(c)所示,与光刻胶表面的自组织纳米波纹结构相比,熔石英表面纳米结构的周期展宽至160 nm±30 nm,同时振幅增加至120 nm±20 nm,比光刻胶波纹结构的周期和振幅分别提高了约1.6倍和4倍,熔石英表面亚波长纳米结构的高宽比达到约0.75,提高了近3倍。
【参考文献】：
期刊论文
[1]单晶硅柱面反射镜离子束倾斜入射加工工艺优化[J]. 宋辞,田野,石峰,张坤,沈永祥. 光学学报. 2020(12)
[2]光纤通信波段微光学件的抗反射纳米结构[J]. 皮顿,单子豪,吴兴坤. 光学学报. 2020(06)
[3]基于亚波长人工微结构的电磁波减反增透研究进展[J]. 姚尧,沈悦,郝加明,戴宁. 物理学报. 2019(14)
[4]低能Kr+离子束诱导蓝宝石晶体实验研究[J]. 费芒芒,陈智利,刘卫国,刘雨昭,惠迎雪. 光子学报. 2019(06)
[5]Ag纳米结构局域表面等离激元共振模拟与分析[J]. 赖淑妹,黄志伟,王仰江,陈松岩. 激光与光电子学进展. 2018(12)
本文编号：2931242
【文章来源】：光学学报. 2020年17期 北大核心
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
基于离子轰击的熔石英表面亚波长纳米结构制作流程图
光刻胶表面波纹形貌随离子轰击时间变化的AFM结果如图2所示,其中 图2(a)为初始的光刻胶表面形貌,图2(b)～2(e)所对应的离子轰击时间分别为10,20,30,50 min,对应的离子通量分别为9×1017,1.8×1018,2.7×1018,4.5×1018 ions·cm-2。上述样品的其他离子轰击条件相同,即离子能量为400 eV,离子束流密度为240 μA/cm2,离子入射角为50°。根据图2的AFM结果,分析了光刻胶表面波纹形貌的表面粗糙度和波长随离子轰击时间的变化(如图3所示)。由图3可知,随离子轰击时间的增加,光刻胶表面纳米波纹形貌呈现出先生长而后趋于稳定的演化规律。在离子轰击时间低于30 min(离子通量小于2.7×1018 ions·cm-2)时,纳米波纹形貌的表面粗糙度值(均方根值,RMS)和波长随离子轰击时间的增加而持续增长;而当离子轰击时间大于30 min(离子通量大于2.7×1018 ions·cm-2)时,随离子轰击时间继续增加,纳米波纹形貌的表面粗糙度值和波长都基本保持稳定,这表明纳米波纹形貌进入了一个相对稳定的饱和状态。
本文使用的光刻胶样品的初始厚度相同,约1000 nm,且实验结果表明,在相同的离子轰击条件下,初始光刻胶的厚度对离子轰击诱导的光刻胶表面形貌几乎没有影响。此外,在总的离子通量和其他实验参数保持不变时,离子束流密度基本不影响光刻胶表面波纹形貌的特征,但是增加离子束流密度能够减少纳米波纹结构形成的时间,提高图形的生成效率。以光刻胶表面处于稳定状态的纳米波纹结构为掩模,结合RIBE技术将图形转移至熔石英表面,图4是各关键环节后的样品表面的AFM观察结果。初始光刻胶薄膜经能量为400 eV,离子束流密度为280 μA/cm2的Ar离子束以50°的入射角轰击20 min后,在其表面产生自组织纳米波纹结构,如图4(a)所示, 光刻胶波纹的平均周期为105 nm±10 nm,振幅为26 nm±3 nm,图形高宽比为0.25。为了获得较好的图形转移效果,使用氧等离子体刻蚀对光刻胶纳米波纹结构进行修饰,即在不改变光刻胶纳米波纹结构特征的同时去除波纹底部的光刻胶,如图4(b)所示,修饰后的波纹结构平均周期为100 nm±5 nm,振幅约为30 nm±5 nm,图形高宽比约0.3。最后利用RIBE(工作气体为Ar和CHF3,气体体积比为2∶3)对熔石英和光刻胶刻蚀的高选择比特性(可达5∶1),将光刻胶表面纳米波纹结构转移至熔石英表面,显著提高了亚波长纳米结构的振幅和高宽比,如图4(c)所示,与光刻胶表面的自组织纳米波纹结构相比,熔石英表面纳米结构的周期展宽至160 nm±30 nm,同时振幅增加至120 nm±20 nm,比光刻胶波纹结构的周期和振幅分别提高了约1.6倍和4倍,熔石英表面亚波长纳米结构的高宽比达到约0.75,提高了近3倍。
【参考文献】：
期刊论文
[1]单晶硅柱面反射镜离子束倾斜入射加工工艺优化[J]. 宋辞,田野,石峰,张坤,沈永祥. 光学学报. 2020(12)
[2]光纤通信波段微光学件的抗反射纳米结构[J]. 皮顿,单子豪,吴兴坤. 光学学报. 2020(06)
[3]基于亚波长人工微结构的电磁波减反增透研究进展[J]. 姚尧,沈悦,郝加明,戴宁. 物理学报. 2019(14)
[4]低能Kr+离子束诱导蓝宝石晶体实验研究[J]. 费芒芒,陈智利,刘卫国,刘雨昭,惠迎雪. 光子学报. 2019(06)
[5]Ag纳米结构局域表面等离激元共振模拟与分析[J]. 赖淑妹,黄志伟,王仰江,陈松岩. 激光与光电子学进展. 2018(12)
本文编号：2931242
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