通过纳米压印光刻技术制备亚波长金属光栅并研究其性能

《Optics & Laser Technology》：Fabrication and performance study of subwavelength metallic grating via nanoimprint lithography

振动辅助纳米压印技术成功制备亚波长金属栅格，优化光刻胶填充效率与结构参数，实现可见光范围内高极化性能（平均透射率45.41%，消光比20.39dB），验证了该方法在高效、低成本制备亚波长金属栅格上的可行性。

　　

严 Gu|邢高学|林杰雄|刘远硕|刘亚梅|隋克鹏|刘思琳|郭宏新|周卫东|韩玲玲|王斌

吉林省微纳与超精密制造重点实验室，长春工业大学机电工程学院，中国吉林省长春市延安大街2055号，邮编130012

摘要

亚波长金属光栅由于其优异的偏振特性和高结构稳定性而展现出显著的应用潜力，这凸显了开发高效且经济可行的制造方法的迫切需求。本研究首次提出了一种振动辅助纳米压印技术来制备亚波长金属光栅，实现了在可见光谱范围内具有出色偏振性能的高质量结构。我们建立了一个数学模型来分析垂直振动对光刻胶填充的影响，从而揭示了提高填充效率的机制。通过数值模拟评估了金属材料和结构参数对偏振性能的影响。为了实现这一概念，我们设计了一种非共振振动装置，并构建了一个振动辅助纳米压印系统，在压印过程中引入垂直振动。振动辅助纳米压印实验验证了该技术的有效性：介质光栅的平均宽度从115纳米增加到120纳米（提高了4%），平均高度从118纳米增加到136纳米（提高了12%）。随后通过涂覆工艺制备了亚波长金属光栅，并对其性能进行了详细测试。当入射角在±30°范围内变化时，平均TM波透射率超过40.45%，平均消光比达到21.3 dB。在整个可见光谱范围内，TM波的平均透射率为45.41%，消光比为20.39%，显示出优异的偏振性能。这些发现证实，振动辅助纳米压印是一种有前景且高效的制备亚波长金属光栅的技术。

引言

亚波长光栅因其紧凑的尺寸、优异的偏振性能、强大的波前调制能力和稳定的可靠性而具有巨大的潜力[1]、[2]。采用亚波长光栅制造的设备和系统呈现出小型化、集成化和多功能化的趋势，使其在光学显示[3]、生物医学[4]、光通信[5]、[6]、光学仪器[7]、[8]以及集成电路[9]等领域得到广泛应用。其中，亚波长金属光栅因其优异的偏振特性、紧凑的结构和易于集成而受到特别关注[10]、[11]、[12]。然而，目前关于亚波长金属光栅的研究主要集中在红外区域[13]、[14]，而在可见光谱范围内制备高性能光栅仍然具有挑战性，因为这些光栅具有纳米级周期性结构[15]。随着电子束光刻[16]、直接激光写入[17]、[18]、[19]和化学蚀刻[20]、[21]等制造技术的快速发展，制备亚波长金属光栅变得越来越可行，但仍存在工艺复杂、成本高、效率低和可扩展性受限等缺点[22]。 与现有的光栅制造方法相比，纳米压印光刻（NIL）特别适合大规模生产亚波长金属光栅，因为它简单、成本低，并且适用于大面积制造[23]、[24]。NIL是一种从模板复制纳米级图案的新兴技术，已广泛应用于生物医学[25]、[26]、仿生学[27]、增强现实和虚拟现实[29]、[30]、能量存储和传感[31]、[32]、光学和光电子学[33]、[34]等领域。在现有的NIL方法中，紫外纳米压印光刻（UV-NIL）具有巨大潜力，因为它可以在室温下进行，其分辨率由模板的图案精度决定，而非光源波长或光学系统[35]。图1展示了通过UV-NIL制备亚波长金属光栅的工艺：首先将光刻胶旋涂在清洁后的基底上，然后进行压印、紫外曝光、固化以及脱模，最后在得到的介质光栅上沉积金属层。在实际的NIL过程中，光刻胶在压印过程中受到表面张力、剪切力和摩擦力的共同作用，这通常导致介质光栅填充不足并产生表面缺陷。因此，后续制备的亚波长金属光栅可能会出现尺寸偏差和结构变形，从而限制其偏振性能。 为了应对NIL中的低填充率和表面缺陷问题，研究人员进行了大量的工艺优化和方法开发工作。周等人证明了填充率受光刻胶粘弹性的显著影响，适当调整工艺参数可以提高填充效率并改善复制结构的表面质量[36]。刘等人建立了统一的标准和表征方法，以快速评估和准确预测热纳米压印（T-NIL）过程中高纵横比聚合物微结构的复制精度，这一点至关重要[37]。陈等人通过适当调整振动参数成功制备了高填充率、高性能的纳米柱结构[38]。Park等人利用耦合有限元分析研究了超声压印光刻（UIL），阐明了超声振动能量促进热塑性光刻胶中微图案复制的机制，并证实了其可行性[39]。同样，Lam等人提出了一种室温UIL方法，其中约20 kHz的高频超声波使材料进入纳米结构模板，从而能够制备出尺寸可控且材料选择灵活的多种纳米结构[40]。因此，通过在压印过程中引入振动，UIL被认为是一种有效的提高聚合物填充率的方法。然而，高频和大振幅的超声波振动往往会加剧流体波动[41]，导致压印系统难以控制且成型质量下降。为了克服这些限制，姚等人开发了一种非共振振动辅助NIL方法，该方法使用压电（PZT）执行器实现线性振动控制，从而减少光刻胶与模板腔壁的有效接触面积，最终提高填充率[42]。实验结果验证了这种方法的有效性。因此，适当施加振动被认为有助于减轻NIL过程中的流体运动效应并提高光刻胶填充效率。不过，姚的工作主要集中在近红外区域的衍射光栅上。因此，将这一策略扩展到可见光谱范围内的亚波长金属光栅的制备具有重要意义。

在本研究中，我们提出了一种振动辅助NIL方法来制备亚波长金属光栅，其中压电执行器驱动非共振振动装置产生垂直振动，以促进光刻胶填充光栅模板。我们建立了一个数学模型来验证垂直振动辅助填充的合理性，同时考虑了亚波长金属光栅的纳米级周期性。此外，还研究了金属材料和结构参数对横向磁（TM）波透射率和消光比（ER）的影响，从而设计了优化的光栅结构并分析了其偏振机制。还进行了模拟研究，以评估振动参数对光刻胶填充的影响，深入探讨了振幅和频率的影响。设计并构建了一个非共振振动装置和完整的振动辅助NIL系统，以提供稳定的振动输出。通过有无振动的对比实验，证实了在压印过程中引入振动的合理性和可靠性。最终，通过将铝沉积在介质光栅上制备了亚波长金属光栅，并通过后续的性能测试验证了所提出的振动辅助NIL方法的实用性。

振动辅助光刻胶填充机制

在纳米压印过程中，光刻胶在施加的压印力作用下被压入模板腔中。同时，表面张力、剪切力和摩擦力的共同作用对光刻胶在腔内的填充效率起着关键作用。NIL中的填充质量通常通过填充率来评估，填充率定义为填充光刻胶的横截面积与模板腔高度的比率。

建立仿真模型

亚波长金属光栅的结构设计基于其优异的偏振特性。由于它们的衍射特性，即入射波长远大于光栅周期，因此需要使用严格的矢量方法，这要求使用麦克斯韦方程来研究光栅特性。有限差分时域（FDTD）[46]、[47]方法和严格的耦合波分析（RCWA）[48]、[49]、[50]是必要的

非共振振动装置的设计

在本研究中，设计了一种非共振振动装置，以提供连续且稳定的振动来辅助光刻胶填充模板。该装置基于杠杆机构的放大原理开发，以克服压电执行器无法稳定输出低频和低振幅振动的限制[56]、[57]。非共振特性在于避免设备的自然频率，并允许灵活调整振动

实验工作

实验使用了基于仿真结果选择的光栅尺寸和振动参数。在本研究中，光栅的结构设计综合考虑了仿真结果和实际约束条件。模板是与工业合作伙伴合作使用传统软光刻工艺定制制造的，材料为PDMS，尺寸为20毫米×20毫米。制备的介质光栅具有稳定的结构

结论

本研究提出了一种振动辅助NIL方法用于制备亚波长金属光栅。通过引入外部施加的振动来辅助光刻胶填充模板，可以高效、经济地在大面积上制备出具有优异偏振性能的亚波长金属光栅。所得结构能够有效传输TM波，同时显著抑制TE波，从而实现高效的光学操控

CRediT作者贡献声明

严 Gu：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理和资金获取、概念构思。邢高学：撰写——初稿、软件开发、方法论研究、数据分析、数据管理。林杰雄：监督、资源管理、项目管理和资金获取。刘远硕：软件开发。刘亚梅：撰写——审稿与编辑。隋克鹏：软件开发。刘思琳：撰写——审稿与编辑。郭宏新：撰写——审稿与编辑。周卫东：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金的支持，资助编号：52475426。