一种基于表面等离子体耦合结构的全息成像膜制造技术

本发明专利技术公开了一种基于表面等离子体耦合结构的全息成像膜。采用电子束光刻，制备非对称的纳米结构层。该纳米加工技术采用Bosch工艺反应离子刻蚀工艺，利用SF6进行刻蚀，用C4F6生成聚合物，刻蚀钝化交替，其横向钻蚀形成扇贝状的侧壁形貌，最终获得介质纳米柱，在垂直于衬底方向沉积金属薄膜，获得“金属纳米结构‑金属薄膜”耦合结构。该亚波长尺度耦合结构超材料在可见光光谱中表现出谐波共振和暗场激发等离子共振模式，产生多共振峰窄带共振，非对称的上层纳米结构使得反射阵列对不同入射场具有灵敏的色彩响应和高反射率，因此反射阵列能够应用于彩色全息成像的全息成像膜，可实时再现物体真实的三维图像的记录和再现，真正的空间成像、色彩鲜艳，对比度，清晰度高在商品展示、影视制作、艺术创作等领域有重要应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳米加工制造技术，表面等离子体光子学，物理光学成像技术，特别涉及一种基于表面等离子体耦合共振效应的反射阵列超材料，及其在全真彩色全息成像技术中的独特应用。
技术介绍
三维(3D)显示技术分为两种：一种是利用人眼的视差特性产生立体感；另一种则是在空间显示真实的3D立体影像，如基于全息影像技术的立体成像。全息图采用激光作为照明光源，利用两束相干激光，首先激光光束1在暗室中的照射物体，同时物体向空间发射一束散射激光波称为物体反射激光波，另外激光光束2向空间发出一束散射激光波称为相干激光波，反射激光波对相干激光波进行调制共同入射到全息成像膜，感光底片上各点的感光程度随两束光的强度、相位关系而不同，所以全息图像可以记录物体上的反光强度和相位信息。全息图图像细腻生动包含信息丰富，使全息三维显示技术在空间显示、广告宣传、文物、人像、标本、模型、实物图像、全真光学信息存储等方面的三维逼真空间显示前进了一大步，显示了全息图应用光辉灿烂的前景。在二十世纪六十年代激光技术成熟之后，激光全息技术成为研究的热点取得了飞速的发展，因其极强的信息承载能力特点，该技术也受到了人们极大的关注。激光全息术在艺术设计、工业生产、生活消费等领域已发挥重要应用，如在人像摄影、图像三维显示、模压印刷、全息集邮等领域得到了成功的运用，但其发展还是缓慢的。其主要原因在于传统的全息摄影技术依赖光致抗蚀剂专用感光材料，本质上属于非实时性的光学处理技术，操作步骤繁琐复杂，限制了它的进一步发展。另一方面由于全息图的彩色难以调节，成像依赖于感光材料而材料本身的光湮灭和读出误差易造成一定程度的图像失真且图像数据读取过程繁琐、不易进行实时成像的局限性等，妨碍了三维显示全息技术的进一步发展和市场化。真彩色、实时成像、大景深反射全息图，将有利于推动了三维显示全息图的进一步发展和市场化。而纳米制造技术与等离子光子学的结合为这一挑战带来了理想解决方案。
技术实现思路
为了解决现如今三维成像中难以真彩色、实时的三维全息成像的技术困难，本发明提供了一种全息成像反射阵列，利用多层超材料(反射阵列)实现全真彩色、宽可视角、宽波段、高效的三维全息图像。本专利技术技术特点：(1)创新性利用电子束曝光与等离子体刻蚀工艺中的扇贝效应，获得纳米尺度的三维多层结构反射阵列。(2)多层超材料反射阵列，其单一功能单元“上层金属纳米结构-纳米金属涂层绝缘纳米柱-下层金属薄膜”，见附图1，在可见光的照射下会激发表面等离激元耦合共振模式，提高许多非线性光学过程的效率，获得多共振峰激发，能够有效将非传播倏逝场转换为远场传播，提高反射效率；(3)反射阵列的表面等离子体共振响应波长范围400-780nm，具有入射场敏感性(包括方向、强度)，白光入射可激发出丰富的色彩，作为全息成像膜接收和调制物体反射光和相干激光，反射膜各点感光记录光强和相位信息，并向空间反射重构真实三维图像。在上述的技术方案中，制备该全息成像反射阵列的关键多层结构“金属纳米结构阵列-金属涂层介质纳米柱-金属薄膜”可以包括以下具体步骤：(1)图形转移：设计的版图经电子束光刻显影后，通过刻蚀将图形转移到基底，基底材料可选用如单晶硅、多晶硅、无定形氮化硅、无定形氧化硅等甚至一些金属材料；(2)介质纳米柱：利用各向同性刻蚀或深反应离子刻蚀技术的扇贝效应，获得支撑上层纳米结构的绝缘介质纳米柱；(3)金属-介质-金属结构：沉积金属获得“上层金属纳米结构-纳米金属涂层绝缘纳米柱-下层金属薄膜”。本专利技术的优点在于：1、本专利技术创新的设计“金属涂层绝缘介质纳米柱支撑的纳米结构-金属薄膜”反射阵列，实现共振耦合；2、超材料是金属纳米涂层绝缘纳米柱支持的金属纳米结构，其中结构特征尺寸为亚波长。该结构在可见光范围实现多峰窄带共振和高的场增强；3、该表面等离子体耦合结构的特殊光学效应决定了全息反射阵列可实现宽度波段，宽角度，真彩色的三维成像；4、本专利技术可通过设计不同的结构形貌，制作不同色彩灵敏度的反射阵列，并且其高反射率，能够高效实现图像的全真彩色三维重建。附图说明图1是基于表面等离子体耦合共振效应的表面等离子体耦合结构反射阵列结构示意图。图2是本专利技术衬底上沉积的“掩模层”(如氧化硅、氮化硅、金属层等)电子束在光刻胶表面扫描得到需要的预设图案的抗蚀剂纳米结构示意图；其中1为电子束抗蚀剂，2为掩模层，3为衬底。图3是将曝光的图形进行显影，然后去除未曝光的部分；刻蚀掩模层后去胶在衬底上形成“图形化的掩模层”结构示意图。4为图形化的掩模层。图4是本专利技术使用基于Bosch开发的工艺刻蚀掩模，刻蚀与钝化交替进行，用SF6进行刻蚀，用C4F6生成聚合物形成侧壁保护层，利用刻蚀钝化周期的控制得到纳米级扇贝形貌的侧壁，并经过绝缘化后在衬底上形成绝缘介质纳米柱示意图。5为绝缘介质纳米柱。图5是本专利技术在形成的图形化纳米级结构上沉积金属形成“阵列化的金属纳米结构-介质纳米柱-金属薄膜”的示意图；其中，6为金属材料(如金、银、铝等)。图6为实施图1-图5步骤所制备的基于表面等离子体耦合共振效应的全息成像膜的全息成像图像重建过程示意图。图面说明1、电子束抗蚀剂2、掩模层3、衬底4、绝缘介质纳米柱5、沉积的金属材料具体实施方式下面结合附图和实例对本专利技术进行详细的描述。本专利技术利用传统微电子工艺的体硅深反应离子刻蚀过程中，刻蚀钝化交替过程中横向钻蚀的纳米级扇贝侧壁形貌，刻蚀速率大于钝化周期，控制参数得到纳米级介质纳米柱，金属沉积最终形成“阵列化金属纳米结构-介质纳米柱-金属薄膜”双层超材料反射阵列。实施例一：(1)热氧化钝化层：在硅(Si)衬底1的表面利用热氧化生长厚SiO2作为钝化层。(2)光刻图形化：以AR-N7520.18负性光刻胶为例，在5000转每秒的转速下旋涂厚度为100nm的，在85℃烘箱中前烘5分钟，采用NanoBeam电子束刻蚀系统以80kV加速电压对光刻胶曝光，在四甲基氢氧化铵(TMAH)显影液中显影1分钟之后用去离子水冲洗，获得图像化的纳米结构阵列；(3)绝缘介质纳米柱形成：以氧化硅为掩模，用反应离子刻蚀机对硅衬底进行刻蚀，刻蚀机功率400W，SF6和C4F8流速分别为40和90sccm/min，刻蚀时间50秒，用SF6作为刻蚀气体，C4F6作为聚合物产生气体，刻蚀与聚合物产生交替进行，刻蚀速率对于钝化时间横向钻蚀使得侧壁产生扇贝形貌形成高度为百纳米级的纳米柱，热氧化后形成绝缘介质纳米柱子；...

【技术保护点】
一种基于表面等离子体耦合结构的全息成像膜，其工作原理：基于金属化纳米结构‑薄膜表面等离子体耦合结构的暗场共振模式及多重谐波共振模式，获得高反射率的多共振光谱。该反射阵列在不同光强度及角度下产生不同色彩因此作为全息成像反射膜可代替传统感光胶膜，实现彩色全息成像。

【技术特征摘要】
1.一种基于表面等离子体耦合结构的全息成像膜，其工作原理：基于金属化纳米结构-
薄膜表面等离子体耦合结构的暗场共振模式及多重谐波共振模式，获得高反射率的多共振
光谱。该反射阵列在不同光强度及角度下产生不同色彩因此作为全息成像反射膜可代替传
统感光胶膜，实现彩色全息成像。
2.制备金属纳米结构纳米薄膜耦合结构反射阵列的方法，包括如下步骤：采用电子束
直写高分辨率的光刻技术制作制备特征尺寸百纳米甚至更小的图形，刻蚀将掩模层图形
化，采用Bosch工艺，其刻蚀钝化周期交替进行，刻蚀钝化周期及气体流量对侧壁形貌有较
大影响，这种深刻蚀工艺对高深宽比的结构，但由于横向钻蚀作用，侧壁会形成纳米级扇贝
状侧壁相貌，获得衬底上介质纳米柱及其支撑的纳米结构，最后金属沉积获得金属纳米结
构-金属薄膜耦合结构的反射阵列。
3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述的“表面等离子体耦合结构的反射阵
列”功能单元/结构为亚波长金属纳米结构-金属薄膜耦合结构。
4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述耦合结构特点是：亚波长特征尺寸、周
期性，该结构具有纳米级光场限定，具有表...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴文刚，樊姣荣，朱佳，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11