CN103576224B - 多层膜填充型复合介质纳米周期光栅结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多层膜填充型复合介质纳米周期光栅结构及其制备方法。该结构由介质光栅和与介质光栅相复合的一维周期性多层膜结构组成，介质光栅的占空比为1:1，其周期为100纳米～1微米；介质光栅的凹部空隙处沉积有与光栅折射率不同但高度相同的介质材料；多层膜结构由两种不同的介质材料交替组成。其主要制作步骤为：1）离子束辅助电子束蒸发镀膜技术在衬底上制备周期性介质多层膜光子晶体；2）纳米压印技术、反应离子刻蚀工艺、电子束蒸发镀膜、举离技术等在介质多层膜上制备一维填充型介质光栅。本发明的制备方法便捷可靠，该结构能有效抑制光谱旁带并改善导模共振滤波器的透射率或反射率，有效提高导模共振滤波器性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于纳米压印技术制作光学高性能反射元件﹑高透射超窄带滤波器的一维光子晶体多层膜填充型复合介质光栅结构。
背景技术
相比于传统的滤光片，如F-P滤光片、布拉格光纤光栅等，导模共振滤光片（GMRF）由于其结构相对简单，超窄的峰值半宽度，超宽的截止频域宽度等优点，可以很好的应用于大多数复杂而又精密的光学系统中，如高性能反射元件、高透射器、窄带滤波器、光开关、波分复用器、实现偏振分离等。而且周期性的结构方式能够提供位相匹配的可能性，甚至是在垂直入射的条件下也可以发生导模共振效应。
在该类结构中，衍射光栅可以看作周期性调制的平面波导，当光栅内高级次衍射波在参数上与光栅波导所支持的导模接近时，光波能量重新分布，由于光栅的周期性调制使得光栅波导有泄漏，因而泄漏能量也重新分布，形成导模共振。
早期的导模共振光栅在金属膜上进行刻蚀，可以得到很高的衍射效率，但激光损伤阀值比较低。相对金属光栅而言，介质膜光栅具有更高的损伤阀值；同时，要想有效的抑制旁带，光栅层的调制强度必须抑制在较低的水平，即这种结构的性能一定程度上取决于光栅层的调制因子，调制因子由构成光栅层的两种材料的折射率差决定。但是浮雕型光栅可视为介质和空气组成的填充型光栅，其调制因子较大，难以很好地抑制边带并得到尖锐的共振峰。而且，目前对于导模共振光栅的报道绝大部分只是基于理论模型的模拟，而对其实验制备和性能测试的描述甚少，尤其是纳米周期填充型介质光栅/光子晶体复合结构的制备技术与工艺，目前还没有相关的报道。
发明内容
本发明提供了一种一维填充型介质光栅与介质多层膜的复合结构的设计。为了克服金属光栅对入射波吸收大的问题，这里采用介质膜光栅替代金属膜光栅；为了克服浮雕型光栅透射或反射性能的不足，这里采用填充型光栅替代浮雕型光栅，通过替换填充型光栅层的两种介质材料以及结构参数的优化调整，目的在于人为调节光栅层调制因子，进而用于提高或改善导模共振光栅的相关光学性能。
针对现有实际制备填充型导模共振光栅/光子晶体复合结构的技术方法的缺乏，本发明还公开了一种实用有效而又先进的一维填充型介质光栅与介质多层膜的复合结构与器件的制备方法。
本发明采用的具体技术方案如下：
多层膜填充型复合介质纳米周期光栅结构，由介质光栅和与介质光栅相复合的一维周期性多层膜结构组成，介质光栅的占空比为1:1，其周期为100纳米～1微米；所述介质光栅的凹部空隙处沉积有与光栅折射率不同的介质材料，这种介质材料的厚度与介质光栅的高度相等；所述一维周期性多层膜结构由两种不同的介质材料交替组成。
所述介质光栅的材料为二氧化硅或二氧化钛，介质光栅的凹部空隙处的介质材料为二氧化钛或者二氧化硅。
进一步地，所述一维周期性多层膜结构的层数为17层，其奇数层介质材料为二氧化钛，厚度均为63纳米，偶数层介质材料为二氧化硅，厚度均为94纳米。
本发明中所涉及的制备方法具体主要包括以下步骤：
（1）利用离子束辅助电子束蒸发镀膜的方法在高精度光洁石英衬底或硅衬底表面蒸镀由两种折射率不同的介质材料交替组成的一维周期性多层膜，其中，顶层介质膜的厚度与其他介质膜层的不同，顶层介质的材料与其下层介质相同或者不同；顶层之外的奇数层和偶数层介质膜的厚度分别相同，用石英振荡器监测与精密控制各膜层厚度；
（2）通过纳米压印技术，采用双层胶工艺方法，将压印模板上周期性纳米光栅图案转移到涂有压印胶的多层膜结构上并使其曝光固化；
（3）使用反应离子刻蚀工艺，刻蚀去除经压印后双层胶上层中的残余层，以及其下的下层压印胶层；
（4）以上述压印胶光栅作为掩模，选取适当的刻蚀工艺参数，利用反应离子刻蚀技术，刻蚀顶层介质膜层，直至刻蚀到顶层介质膜层底部，得到介质光栅结构；
（5）使用电子束蒸发镀膜方法，在上述光栅结构的凹部空隙处，蒸镀填充与介质光栅折射率不同的另一种介质材料，使得蒸镀厚度和顶层介质光栅的高度保持一致；
（6）通过举离工艺去胶，即得到多层膜填充型复合介质纳米周期光栅结构。
本发明的有益效果是：用介质膜光栅替代金属膜光栅，减少散射损失，增加透过率或反射率；用填充型光栅替代浮雕型光栅，通过替换填充型光栅层的两种介质材料可以人为调节光栅层调制因子，从而获得比浮雕型光栅更好的光学性能。而且填充型光栅在设计上更为灵活，光栅层可以放在任意一层，或者制备两层光栅分别覆盖在多层膜的上下表面，等等，从而可以更换结构研究多层膜导模共振滤波器的性能。此外，提出了一种制备一维填充型导模共振光栅的可行方案，采用离子束辅助电子束镀膜的方法提高多层膜的表面平整度，纳米压印技术可以便捷而又大批量地获得纳米周期和厚度的光栅，采用反应离子刻蚀工艺可以准确控制刻蚀速率和刻蚀深度，并且侧向刻蚀很小得到很好的刻蚀形貌。这些工艺对参数要求比较敏感的导模共振滤波器的制备都是十分有利的。
附图说明
图1为本发明多层膜填充型复合介质纳米周期光栅结构的示意图；
图2为本发明多层膜填充型复合介质纳米周期光栅结构的制备流程图；
图3为本发明用离子束辅助电子束蒸发镀膜得到的样品电镜图；
图4为本发明用双层胶工艺方法得到的样品电镜图。
示意图中各部分的标号说明：1—二氧化钛；2—二氧化硅；3—与1厚度不同的二氧化硅；4—特丁酯；5—PMMA胶；6—与3厚度相同的二氧化钛；7—衬底，8—介质光栅层。
具体实施方式
本发明不受下述实施方式的限制，可根据上述发明的技术方案和实际情况来确定具体的实施方式。
本发明填充型亚波长纳米周期导模共振介质光栅的占空比1:1，如图1所示，光栅由两种折射率不同的介质材料组成，这两种介质材料的选取与光栅周期的选择主要由共振波长的大小、共振峰值大小及其半宽度、共振峰截止频率宽度等因素决定。与光栅相复合的是由两种不同的介质材料交替组成的一维周期性多层膜结构，与上述光栅结构相对应，满足特定频率范围内的光谱高反射条件时，取多层膜各层光学厚度为1/4共振光学波长；该多层膜的周期数的选取基于上述共振峰性能及其反射光谱特性的具体要求。通过对光栅周期﹑光栅层厚度﹑构成填充型光栅的两种不同折射率的介质材料﹑周期性多层膜的介质材料及其周期数、衬底材料，以及入射光频率与范围等的选择，用于调节共振峰波长及其相关性能指标。
亚波长导模共振介质光栅的周期在100纳米～1微米之间，波导光栅的周期Λ小于入射波波长，以保证透射波与反射波所有高级次的衍射级次都转化为倏逝波，仅存在0级波，这样就使得所有的能量均在0级反射波和0级透射波之间的转换成为可能。此外，光栅等效折射率必须大于底层和覆盖层的折射率，使光栅类似于一个波导性能。该结构能有效抑制光谱旁带并改善导模共振滤波器的透射率或反射率，有效提高导模共振滤波器性能。
如图2所示，本发明制备一维光子晶体多层膜填充型复合介质光栅结构的流程如下：
（1）用离子束辅助电子束蒸发镀膜的方法在高精度光洁硅衬底上蒸镀二氧化钛/二氧化硅交替构成的一维周期性十七层膜，奇数层介质材料为二氧化钛，厚度均为63纳米，偶数层介质材料为二氧化硅，厚度均为94纳米，作为光栅层其中一种填充介质的顶层材料是二氧化硅，厚度为75纳米，用石英振荡器监测与精密控制各膜层厚度；
（2）通过纳米压印技术，采用双层胶工艺方法，在蒸镀完毕的多层膜结构（如图3）上旋涂一层PMMA胶层，用热台在85℃时加热五分钟使PMMA胶层完全固化，继续旋涂一层UV-risist胶层（即特丁酯），将周期为550纳米的软模板上的光栅图案转移到涂有双层胶的多层膜结构上，曝光使其完全固化。得到图4所示压印结果；
（3）使用反应离子刻蚀工艺，用ICP刻蚀去除经压印后双层胶上层中的残余层，以及其下的下层压印胶层；
（4）以上述压印胶光栅作为掩模，选取适当的刻蚀工艺参数，利用反应离子刻蚀技术，刻蚀顶层介质膜层（此处为二氧化硅介质膜层），直至刻蚀到顶层介质膜层底部；（O2刻蚀PMMA，CHF3和O2刻蚀UV胶，CHF3和CHF4刻蚀顶层Si O2）
（5）使用电子束蒸发镀膜的方法，在上述光栅结构的凹部空隙处，蒸镀二氧化碳作为填充复合光栅层的另一种材料，使得蒸镀厚度和顶层介质光栅高度保持一致；
（6）通过举离工艺去胶，得到所需复合光栅结构。
Claims (4)
1.多层膜填充型复合介质纳米周期光栅结构，其特征在于，由介质光栅和与介质光栅的下表面相复合的一维周期性多层膜结构组成，介质光栅的占空比为1:1，其周期为100纳米～1微米；所述介质光栅的凹部空隙处沉积有与光栅折射率不同的介质材料，这种介质材料的厚度与介质光栅的高度相等；所述一维周期性多层膜结构由两种不同的介质材料交替组成。
2.根据权利要求1所述的多层膜填充型复合介质纳米周期光栅结构，其特征在于，所述介质光栅的材料为二氧化硅或二氧化钛，所述介质光栅的凹部空隙处的介质材料为二氧化钛或者二氧化硅。
3.根据权利要求1或2所述的多层膜填充型复合介质纳米周期光栅结构，其特征在于，所述一维周期性多层膜结构的层数为17层，其奇数层介质材料为二氧化钛，厚度均为63纳米，偶数层介质材料为二氧化硅，厚度均为94纳米。
4.如权利要求1所述的多层膜填充型复合介质纳米周期光栅结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用离子束辅助电子束蒸发镀膜的方法在高精度光洁石英衬底或硅衬底表面蒸镀由两种折射率不同的介质材料交替组成的一维周期性多层膜和顶层介质膜，其中，顶层介质膜的厚度与其他介质膜层的不同，顶层介质的材料与其下层介质相同或者不同；顶层之外的奇数层和偶数层介质膜的厚度分别相同，用石英振荡器监测与精密控制各膜层厚度；
(2)通过纳米压印技术，采用双层胶工艺方法，将压印模板上周期性纳米光栅图案转移到涂有压印胶的多层膜结构上并使其曝光固化；
(3)使用反应离子刻蚀工艺，刻蚀去除经压印后双层胶上层中的残余层，以及其下的下层压印胶层；
(4)以上述压印胶光栅作为掩模，选取适当的刻蚀工艺参数，利用反应离子刻蚀技术，刻蚀顶层介质膜层，直至刻蚀到顶层介质膜层底部，得到介质光栅结构；
(5)使用电子束蒸发镀膜方法，在上述光栅结构的凹部空隙处，蒸镀填充与介质光栅折射率不同的另一种介质材料，使得蒸镀厚度和顶层介质光栅的高度保持一致；
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