Technologie přípravy kovových optických metapovrchů na transparentních nevodivých substrátech

Method for fabrication of metallic optical metasurfaces on transparent non-conductive substrates

Funkční vzorek

Základní dva problémy při výrobě kovových optických metapovrchů pomocí elektronové litografie na transparentních nevodivých substrátech jsou problém laterálního rozlišení v řádu desítek nanometrů a problém odvádění akumulovaného náboje během výroby pryč ze substrátu. Proto byl vyvinut a optimalizován technologický postup, který využívá dvou vrstev rezistu, přičemž spodní vrstvu tvoří tlustší nevodivý rezist s vysokou rozlišovací schopností a horní vrstva tvoří tenký vodivý rezist, který sice nedosahuje tak vysokého rozlišení jako spodní rezist, ale dokáže odvádět přebytečný náboj. Celý technologický postup sestává z pěti kroků: (1) čištění a vyhřívání substrátu, (2) nanášení dvou vrstev rezistu pomocí odstředivého lití, (3) expozice elektronovým svazkem, (4) depozice aktivní kovové vrstvy a (5) odstranění přebytečného rezistu a kovu. Čištění substrátu probíhá postupně v acetonu a izopropylalkoholu po dobu 2 min, kde kádinka se vzorkem a roztokem je navíc umístěna v ultrazvukové čističce. Poté se substrát opláchnut pod demineralizovanou vodou a povrch je osušen proudem dusíku a vyhřát na 100 °C na plotýnce. Pomocí odstředivého lití při 4000 ot/min po dobu 60 s jsou na substrát postupně naneseny dvě vrstvy elektronového rezistu, nejprve AR-P 6200.07 (CSAR 62) a poté rezist AR-PC 5090.02 (Electra 92) jako tenká vodivá vrstva. Parametry expozice pomocí elektronového svazku byly: energie 30 keV, proud 25 pA, velikost stopy 5 nm a dávka 140 µC/cm2. Vyvolání probíhalo ve vývojce AR 600-546 po dobu 1 min a ustavení leptání pak proběhlo v demineralizované vodě po dobu 30 s. Pro depozici kovové vrstvy byla využita metoda napařování, kde byly postupně připraveny 3 nm vrstva Ti jako adhezní vrstva, a poté 50 nm vrstva Au jako opticky aktivní kov. V posledním kroku byly odstraněny zbytky rezistu s přebytečným kovem pomocí AR 600-71 po dobu několika hodin (tj. metoda lift-off) s následným očistěním v izopropylalkoholu a demineralizované vodě. Topografie výsledných vyrobených kovových nano-struktur byla kontrolována pomocí rastrovací elektronové mikroskopie. Optická odezva stavebních kamenů pro metapovrchy (různé průměry nano-disků) byla poté kontrolována pomocí konfokální optické spektroskopie a získaná optická spektra byla porovnána se spektry získanými z numerických simulací metodou konečných diferencí v časové doméně.

The two fundamental problems in the production of metallic optical meta-surfaces by electron beam lithography on transparent non-conductive substrates are the problem of lateral resolution on the order of tens of nanometers and the problem of guiding the accumulated charge off the substrate during the fabrication. Therefore, we have developed and optimized a fabrication method which utilizes two layers of resist: the bottom layer is the thicker one, formed by non-conductive resist enabling high resolution, and the top layer is formed by a thin conductive resist that does not reach such a high a resolution as the bottom resist but can dissipate the excess charge. The whole process consists of five steps: (1) cleaning and heating the substrate, (2) applying two resist layers by spin coating, (3) electron beam exposure, (4) deposition of the active metal layer and (5) removing excess resist and metal. The substrate is cleaned sequentially in acetone and isopropyl alcohol for 2 min, while the beaker with the sample and solution is placed in an ultrasonic cleaner. Subsequently, the substrate is rinsed under demineralized water and the surface is dried with a stream of nitrogen and heated up to 100 °C on a hotplate. By spin coating at 4000 rpm for 60 s, two electron resist layers are successively applied onto the substrate, first AR-P 6200.07 (CSAR 62) and then AR-PC 5090.02 (Electra 92) as a conductive film. Electron beam exposure parameters were: 30 keV energy, 25 pA current, 5 nm trace size, and 140 µC/cm2 dose. The development was carried out in AR 600-546 developer for 1 min and then was stopped in demineralized water for 30 s. The deposition of the metal layer was performed by evaporation, where 3 nm Ti layer was deposited first as an adhesive layer, followed by the 50 nm Au layer as an optically active metal. In the last step, the excess metal together with resist residues were removed by AR 600-71 for several hours (i.e. lift-off method) followed by cleaning in isopropyl alcohol and demineralized water. The topography of the resulting fabricated metal nanostructures was inspected by scanning electron microscopy. The optical response of metasurfaces building blocks (different diameters of nano-disks) was then checked by confocal optical spectroscopy, and the obtained optical spectra were compared with the spectra obtained from numerical simulations using finite-difference time-domain method.

metallic metasurfaces; electron lithography; optical spectroscopy; electron microscopy

metallic metasurfaces; electron lithography; optical spectroscopy; electron microscopy

CEITEC VUT

K využití výsledku jiným subjektem je vždy nutné nabytí licence

http://surfaces.fme.vutbr.cz/laboratories/developed-instruments/2019-meta/