CN103901516A - 光栅的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光栅的制备方法，包括以下步骤：提供一基底；在所述基底的表面形成一掩模层；纳米压印所述掩模层，使所述掩模层表面形成并排延伸的多个条形凸起结构；刻蚀所述掩模层，使所述凸起结构的顶端两两靠在一起而闭合；刻蚀所述基底，使所述基底的表面图案化，形成多个三维纳米结构预制体；以及去除所述掩模层，形成多个三维纳米结构。

Description

光栅的制备方法

技术领域

本发明涉及一种光栅的制备方法，尤其涉及一种闪耀光栅的制备方法。

背景技术

光栅是现代精密仪器的重要组成元件之一。普通光栅大部分的能量集中在零级衍射，由于单缝衍射的零级主极大方向等于缝间隙干涉的零级主极大方向，所以分光作用的光谱仪的能量利用非常有限。

为了使两个极大值的方向分开，将衍射零级的主要能量集中到所需要的光谱级次上，人们设计了闪耀光栅。随着现代精密仪器的分辨率的要求越来越高，对闪耀光栅的要求也越来越高，通过光射色散原理，可以实现特定波长分光、滤光等。闪耀光栅的制作是一项重要的工程，决定了闪耀光栅的应用和设计功能的实现，尤其是亚波长闪耀光栅的制备则更困难。

当前，国际上能实现亚波长闪耀光栅大多是聚合物。而以硅或石英作为基底的闪耀光栅的制备方法主要通过光刻制造工艺制备，掩模通过光刻形成多个台阶状结构而形成近似三角形。然而掩模在光刻过程中存在临近场作用、化学放大、热积累以及背面散射等问题，难以保证其形状的精度，进而无法保真的将图形转移到硅或石英等目标基底上，而且工艺复杂，成本较高，光栅精度难以控制，因此以硅或石英等材料作为基底的闪耀光栅很难实现。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种工艺简单、能够精确控制光栅精度的制备方法。

一种光栅的制备方法，包括以下步骤：提供一硅基底；在所述硅基底的表面形成一掩模层；纳米压印所述掩模层，使所述掩模层表面形成并排延伸的多个条形凸起结构；刻蚀所述掩模层，使所述凸起结构的顶端两两靠在一起而闭合；刻蚀所述硅基底，使所述硅基底的表面图案化，形成多个三维纳米结构预制体；以及去除所述掩模层，形成多个三维纳米结构。

一种光栅的制备方法，包括以下步骤：提供一基底；在所述基底的表面形成一掩模层，所述掩模层包括并排延伸的多个凸起结构，所述凸起结构的横截面为矩形；刻蚀所述掩模层，使所述掩模层的所述多个凸起结构中，相邻的凸起结构依次两两闭合，所述两两闭合的凸起结构的横截面为等腰三角形；刻蚀所述基底，形成多个横截面为等腰三角形的三维纳米结构预制体；以及去除所述掩模，形成多个三维纳米结构，所述三维纳米结构的横截面为等腰三角形。

与现有技术相比较，本发明通过使凸起结构两两闭合的方式形成三角形的掩模，从而能够方便的在基底表面形成高保真的三角形掩模，进而形成的光栅分辨率高，该方法工艺简单，成本低廉，且能够很好的控制光栅的精度。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的光栅的制备方法的工艺流流程图。

图2为图1所述的制备方法中掩模层的制备方法的工艺流程图。

图3为图1所述的制备方法中所述基底的刻蚀过程。

图4为图1所述的制备方法制备的光栅的结构示意图。

图5为图4所示的光栅沿V-V线的剖视图。

图6为本发明第一实施例提供的光栅的扫描电镜光栅。

图7为图6所示光栅的具体参数。

主要元件符号说明

光栅	10
		基底	100
三维纳米结构	102
		三维纳米结构预制体	1021
凹槽	104
		掩模层	103
凸起结构	1031
		凹陷结构	1041
第一掩模层	1032
		沟槽	1033
第二掩模层	1034
		模板	200

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明实施例的光栅的制备方法。

请参阅图1，本发明第一实施例提供一种光栅10的制备方法，其包括以下步骤：

步骤S10，提供一基底100；

步骤S11，在所述基底100的表面设置一掩模层103；

步骤S12，纳米压印并刻蚀所述掩模层103，形成多个并排延伸的条形凸起结构1031，使所述掩模层103图案化；

步骤S13，刻蚀所述掩模层103，使所述两个凸起结构1031的顶端逐渐两两靠在一起而闭合；

步骤S14，刻蚀所述基底100，使所述基底100的表面图案化，形成多个三维纳米结构预制体1021；以及

步骤S15，去除所述掩模层103，形成多个三维纳米结构102。

在步骤S10中，所述基底100可以为半导体基底或硅基基底。具体地，所述基底100的材料可以为氮化镓、砷化镓、蓝宝石、氧化铝、氧化镁、硅、二氧化硅、氮化硅、石英或玻璃等。进一步的，所述基底100的材料也可以为掺杂的半导体材料如P型氮化镓、N型氮化镓等。所述基底100的大小、厚度和形状不限，可以根据实际需要选择。

进一步，在确保所述基底100表面粗糙度及后续步骤要求的情况下，该基底100可进行亲水处理，以改善基底100表面的亲水性。当所述基底100的材料为硅或二氧化硅时，所述亲水处理包括以下步骤：首先，清洗基底100，清洗时采用超净间标准工艺清洗。然后，在温度为30℃~100℃，体积比为NH₃?H₂O：H₂O₂：H₂O＝x：y：z的溶液中温浴30分钟~60分钟，进行亲水处理，之后用去离子水冲洗2次~3次。其中，x的取值为0.2~2，y的取值为0.2~2，z的取值为1~20。最后，用氮气吹干。

本实施例中，所述基底100的材料为硅，对该基底100进行亲水处理的方法包括以下步骤：首先，清洗基底100，清洗时采用超净间标准工艺清洗。然后，采用微波等离子体处理上述基底100。具体地，可将所述基底100放置于微波等离子体系统中，该微波等离子体系统的一感应功率源可产生氧等离子体、氯等离子体或氩等离子体。等离子体以较低的离子能量从产生区域扩散并漂移至所述基底100表面，进而改善基底100的亲水性。

在步骤11中，所述掩模层103可为一单层结构或复合层结构。所述掩模层103的厚度可根据实际需要进行选择，如需要刻蚀的深度、刻蚀的气体等。当所述掩模层103为一单层结构时，所述单层掩模层的材料可以为ZEP520A、HSQ（hydrogen silsesquioxane）、PMMA（Polymethylmethacrylate）、PS（Polystyrene）、SOG（Silicon on glass）或其他有机硅类低聚物等材料。当所述掩模层103为一复合掩模层时，所述复合掩模层包括一第一掩模层1032及一第二掩模层1034，所述第一掩模层1032及第二掩模层1034依次层叠设置于所述基底100表面，所述第一掩模层1032直接设置在所述基底100的表面，所述第二掩模层1034覆盖所述第一掩模层1032。所述第一掩模层1032的材料可选择易于刻蚀且具有较高分辨率的材料，所述第一掩模层1032的材料可为ZEP520、PMMA（Polymethylmethacrylate）、PS（Polystyrene）、SAL 601或ARZ 720等；所述第二掩模层1034的材料可选择可在室温下压印、结构稳定性较佳、以及压印分辨率高（可达到10nm以下）的材料，如可为HSQ（hydrogen silsesquioxane）、SOG（Silicon on glass）或其他有机硅类低聚物等等。本实施例中，所述掩模层103为一复合掩模层，所述第一掩模层1032的材料为ZEP520A，第二掩模层1034的材料为HSQ。所述第一掩模层1032及第二掩模层1034可通过沉积然后烘干的方式形成在基底100表面。所述第一掩模层1032及第二掩模层1034可以采用丝网印刷法或旋涂法沉积于所述基底100表面。由于所述第二掩模层1034易于机械压印，因此可确保后续刻蚀第一掩模层1032中形成的纳米图形的精度，进而可确保所述整个掩模层103的精确度，以提高后续凸起结构1031两两闭合形成的三角形掩模的精度，确保通过刻蚀形成的三维纳米结构102的精度。

具体的，所述掩模层103的制备包括以下步骤：

步骤S111，在基底100表面形成所述第一掩模层1032。本实施例中，所述第一掩模层1032的制备方法包括以下步骤：首先，清洗所述基底100表面；其次，在基底100的表面旋涂ZEP520，旋涂转速为500转/分钟~6000转/分钟，时间为0.5分钟~1.5分钟；其次，在140℃~180℃温度下烘烤3~5分钟，从而在所述基底100表面形成该第一掩模层1032。该第一掩模层1032的厚度为100纳米~500纳米。

步骤S112，在第一掩模层1032表面形成所述第二掩模层1034，所述第二掩模层1034的制备方法包括以下步骤：首先，在所述第一掩模层1032的表面旋涂HSQ，旋涂转速为2500转/分钟~7000转/分钟，旋涂时间为0.5分钟~2分钟，HSQ的旋涂在高压下进行。其次，固化所述HSQ形成所述第二掩模层1034。该第二掩模层1034的厚度为100纳米~500纳米，优选的为100纳米~300纳米。

进一步的，在形成第二掩模层1034前，可以进一步包括一在所述第一掩模层1032的表面形成一过渡层（图未示）的步骤，所述过渡层可通过溅射法或沉积法形成，所述过渡层具有一定的机械强度，在所述第二掩膜层1034压印的过程中用以保护所述第一掩膜层1032不受影响，且所述过渡层可与所述第二掩膜层1034在刻蚀过程中同步去除。所述材料可根据实际需要进行选择，本实施例中，所述过渡层为二氧化硅。所述过渡层用于在刻蚀第二掩模层1034时，保护第一掩模层1032的完整性。

请一并参阅图2，在步骤S12中，通过纳米压印及刻蚀使所述掩模层103图案化的方法具体包括以下步骤：

步骤S121，提供一表面具有纳米图形的模板200。

所述模板200的材料可为硬性材料，如镍、硅或者二氧化硅。该模板200的材料也可为柔性材料，如PET、PMMA、PS、PDMS等。该模板200的表面形成有纳米图形，所述纳米图形为纳米级的凹凸结构，具体可为多个凸部间隔形成的阵列，或同心圆环形凸起结构，或同心回形凸起结构，相邻的凸部之间均形成一凹槽。本实施例中，所述多个凸部为平行且间隔设置的多个条形凸起结构，相邻的条形凸起结构之间形成所述凹槽。所述条形凸起结构的两端沿同一方向分别延伸至所述模板200相对的两边缘，在垂直于该延伸方向上，所述条形凸起结构的宽度不限，可根据需要进行选择。本实施例中，该模板200的材料为二氧化硅，所述条形凸起结构及所述凹槽的宽度可相等或不相等，且均为50纳米～200纳米。

步骤S122，将模板200具有纳米图形的表面与所述第二掩模层1034贴合，并在常温下挤压所述模板200与基底100后，脱模。

在常温下，可以通过模板200向基底100施加压力，使得所述模板200上的纳米图形转移到第二掩模层1034。具体地，使模板200形成有纳米图形的表面与所述基底100上的第二掩模层1034贴合，并在真空度为1×10^-1mbar~1×10^-5 mbar，施加压力为2磅/平方英尺~100磅/平方英尺（Psi）的压印条件下，保持2~30分钟，最后将模板200与基底100分离，从而该模板200表面的纳米图形复制到所述第二掩模层1034。在所述第二掩模层1034形成的纳米图形包括并排延伸的多个条形凸起结构，相邻的凸起结构之间形成一凹槽，且所述第二掩模层1034中凹槽的尺寸及形状与模板200中的凸部相对应，所述第二掩模层1034中条形凸起结构的尺寸及形状与模板200中的凹槽相对应。在施加压力的过程中，对应所述模板200的凸部位置，在第二掩模层1034表面形成凹槽。凹槽底部位置处的第二掩模层1034形成一薄层，贴附于第一掩模层1032表面。

步骤S123，通过刻蚀第二掩模层1034，使第二掩模层1034的凹槽位置露出第一掩模层1032。

所述凹槽位置处残留的一薄层第二掩模层1034可以通过等离子体刻蚀的方法去除，所述刻蚀气体可根据所述第二掩模层1034的材料进行选择，以确保其具有较高的刻蚀速率。本实施例中，所述第二掩膜层1034的材料为HSQ，因此可以采用碳氟(CF₄)反应性等离子体刻蚀所述第二掩模层1034，以露出第一掩模层1032。具体地，可将上述形成有纳米图形的基底100放置于一反应性等离子体刻蚀系统中，该反应性等离子体刻蚀系统的一感应功率源产生CF₄等离子体，CF₄等离子体以较低的离子能量从产生区域扩散并漂移至所述基底100的第二掩模层1034表面，此时该部分第二掩模层1034被所述CF₄等离子体刻蚀，位于凹槽位置处的第二掩模层1034被去除暴露出所述第一掩模层1032。CF₄等离子体系统的功率可为10瓦~150瓦，所述CF₄等离子体的通入速率可为2~100标况毫升每分 (standard-state cubic centimeter per minute，sccm)，形成的气压可为1~15帕，采用CF₄等离子体刻蚀时间可为2秒~4分钟。本实施例中，所述等离子体刻蚀的条件为：等离子体系统的功率为40W，等离子体的通入速率为26sccm，气压为2Pa，刻蚀时间为10秒。通过上述方法，所述凹槽位置处的第二掩模层1034被刻蚀而露出第一掩模层1032，且所述第二掩模层1034的凸部也同时被刻蚀变薄，但所述第二掩模层1034纳米图形的完整形态依然保持完整。

步骤S124，去除与所述第二掩模层1034的凹槽对应的部分第一掩模层1032，露出基底100，形成图案化的所述掩模层103。

凹槽底部的第一掩模层1032可在一等离子体系统中去除。所述等离子体可根据所述第一掩膜层1032的材料进行选择，以确保所述等离子体能够刻蚀所述第一掩膜层1032。本实施例中，所述第一掩膜层1032可以在一氧等离子体系统中采用氧等离子体去除。所述氧等离子体系统的功率可为10瓦~150瓦，氧等离子体的通入速率可为2~100sccm，形成的气压可为0.5帕~15帕，采用氧等离子体刻蚀时间可为5秒~5分钟。本实施例中，所述等离子系统的功率为40W，等离子体的通入速率为40sccm，气压为2Pa，刻蚀时间为120秒。通过上述方法，凹槽底部的第一掩模层1032被去除，露出基底100。采用氧等离子体刻蚀第一掩模层1032过程中，与凹槽对应的第一掩模层1032被氧化而刻蚀掉，所述第二掩模层1034对所述第一掩模层1032中与凹槽对应部分以外的区域起到良好的掩模作用，进而刻蚀过程中有效保持第一掩模层1032的分辨率。通过刻蚀将所述第二掩模层1034中的纳米图形复制到第一掩模层1032中，从而使所述整个掩模层103图案化。所述“图案化”是指所述掩模层103在基底100的表面形成多个条形凸起结构1031，以分散的形式覆盖所述基底100的部分表面，相邻的凸起结构1031之间形成一沟槽1033，与沟槽1033对应区域的基底100的表面暴露出来，所述凸起结构1031覆盖此区域之外基底100的表面。定义所述凸起结构1031的延伸方向为X方向，在水平方向上垂直于所述凸起结构1031延伸方向为Y方向。在Y方向上，所述凸起结构1031的横截面为矩形。所述多个凸起结构1031间隔设置，且间隔相等。通过控制所述刻蚀气体的总的流动速率及气体的通入方向，可使所述气体的通入方向基本垂直于所述基底100表面，可使刻蚀结束后形成凸起结构1031的侧壁陡直，进而可确保后续刻蚀所述基底100中，形成的三维纳米结构预制体1021的形状的一致性及均匀性。在刻蚀第一掩模层1032的过程中，所述第二掩模层1034中凸部也会被少量刻蚀，但其刻蚀速率远小于所述气体对第一掩模层1032的刻蚀速率，所述第二掩模层1034基本保持其图案的完整性。

在步骤S13中，轰击所述掩模层103，使所述多个凸起结构1031的顶端逐渐两两靠在一起而闭合。

所述掩模层103的刻蚀方法，可通过将所述基底放置在一感应耦合等离子体系统中，利用等离子气体对所述掩模层103进行轰击。所述等离子气体为惰性气体，所述“惰性气体”是指不与所述掩膜层103进行反应的气体，如氩气、氦气，也可为氮气，也可为所述多种气体的组合。在所述气体的轰击之下，所述多个凸起结构1031能够两两闭合。在轰击过程中，所述等离子气体的轰击方向基本垂直于所述基底100的表面。在轰击过程中，相邻的两个凸起结构1031逐渐相向倾倒，使所述两个凸起结构1031的顶端逐渐两两靠在一起，并且所述凸起结构1031的顶端部分被刻蚀，从而所述两两闭合的凸起结构1031的横截面为三角形，对闭合位置处的基底100起到遮蔽的作用。同时，所述气体对所述掩模层103中所述凸起结构1031的顶端（即远离基底100表面的一端）优先进行刻蚀从而使得所述凸起结构1031顶端的宽度逐渐变窄。本实施例中，所述等离子气体为Ar气、O₂的混合气体，所述Ar的流速为28sccm，所述O₂的流速为32sccm，所述混合气体的压力为2Pa，刻蚀时间为15秒。

可以理解，所述掩模层103及所述等离子气体并不限于以上所举，可根据实际需要进行选择，可以为单一气体，也可以为混合气体，只要确保在刻蚀的过程中，使所述掩模层103中的条形凸起结构1031两两闭合即可。所述气体的通入速率、气压、刻蚀时间、气体之间的比例等可根据需要形成的三维纳米结构预制体1021的尺寸等进行选择。

在步骤S14中，刻蚀所述基底100，并形成多个三维纳米结构预制体1021。

所述刻蚀方法可通过将上述基底100放置在一感应耦合等离子体系统中，利用刻蚀气体对所基底100进行刻蚀，所述刻蚀气体的通入方向垂直于所述基底100的表面。所述气体可根据所述基底100以及所述掩模层103的材料进行选择，以确保所述刻蚀气体对所述刻蚀对象具有较高的刻蚀速率，优选的，所述刻蚀气体对基底100的刻蚀速率大于对掩模层103的刻蚀速率，从而能够确保所述刻蚀形成图形的完整性及分辨率。

请参阅图3，具体的，所述基底100刻蚀过程主要包括以下阶段：

第一阶段，刻蚀气体对未被凸起结构1031覆盖及遮蔽的基底100表面进行刻蚀，使基底100表面形成多个凹槽，所述凹槽的深度基本相同；

第二阶段，所述刻蚀气体对所述基底100表面以及所述凸起结构1031同时进行刻蚀，使得部分被凸起结构1031覆盖的基底100表面暴露出来；

第三阶段，继续对所述基底100及所述凸起结构1031进行刻蚀，在所述刻蚀气体中等离子体的轰击作用下，所述凸起结构1031继续被部分刻蚀，同时对暴露的基底100表面继续刻蚀，形成多个三维纳米结构预制体1021。

在第一阶段，所述刻蚀气体对未被凸起结构1031覆盖的基底100表面进行各向同性刻蚀，形成多个凹槽，所述凹槽的深度基本相同。所述各向同性刻蚀是指所述刻蚀气体对所述基底100表面的纵向刻蚀速率均相同。

在第二阶段中，所述气体会与基底100反应，从而在刻蚀表面形成一保护层，阻碍气体的进一步刻蚀，使得刻蚀面逐渐减小，即形成所述凹槽的宽度沿刻蚀方向逐渐减小，进而使得形成的所述凹槽的内壁并非垂直于所述基底100的表面，而是形成一定角度。同时，所述气体也会对凸起结构1031进行刻蚀，使得所述凸起结构1031的尺寸减小。由于所述闭合的凸起结构1031的横截面呈三角形，因此所述三角形边缘位置处的掩模层103逐渐被刻蚀掉，从而逐渐暴露出部分原先被所述凸起结构1031被覆盖的基底100表面；

在第三阶段，所述刻蚀气体对暴露出来的基底100表面继续进行刻蚀，使得所述凸起结构1031的尺寸进一步减小，从而逐渐形成多个三维纳米结构预制体1021以及相邻三维纳米结构预制体1021之间的凹陷结构1041。所述三维纳米结构预制体1021的横截面为三角形或梯形，优选的，所述三维纳米结构预制体1021的横截面为等腰三角形。所述凹陷结构1041横截面的形状为“V”形或倒梯形结构。

所述刻蚀气体可根据所述基底100的材料进行选择，从而确保具有较高的刻蚀速率。本实施例中，所述基底100的材料为硅，所述刻蚀气体为含有氟基化合物的混合气体，所述混合气体包括CH_XF_4-X、和O₂，其中（X=0，1，2，3）。所述等离子体系统的功率可为10瓦~150瓦，所述混合气体的通入速率可为8~150sccm，其形成的气压可为0.5帕~15帕，刻蚀时间可为5秒~5分钟。优选的，所述混合气体的通入速率为40～100sccm，以确保所述刻蚀的速度及精确度。本实施例中，所述硅基化合物为CF₄，所述等离子系统的功率为70W，所述等离子体的通入速率为40sccm，气压为1Pa，刻蚀时间为120秒，其中，所述CF₄的通入速率为24sccm，所述O₂的通入速率为16sccm。通过选择所述CF₄的通入速率与所述O₂通入速率的比值，可改变所述三角形顶角的角度，从而制备出不同形状的三角形。

在步骤S15中，所述残留的掩模层103可通过有机溶剂如四氢呋喃（THF）、丙酮、丁酮、环己烷、正己烷、甲醇或无水乙醇等无毒或低毒环保容剂作为剥离剂，溶解所述掩模等方法去除，从而形成所述光栅10。本实施例中，所述有机溶剂为丁酮，所述残留的掩模层103溶解在所述丁酮中，从而与所述基底100脱离。请一并参阅图4，图5及图6，所述掩模层103去除之后，形成多个三维纳米结构102，所述多个三维纳米结构102沿同一方向延伸，相邻的三维纳米结构102之间形成一凹槽104，并且所述三维纳米结构102的横截面为三角形。优选的，本实施例中，所述三维纳米结构102的横截面为等腰三角形。可以理解，由于实验条件的影响，所述三维纳米结构102横截面顶端的尖角并非严格意义上的尖角，也可能为一梯形。然而所述梯形的上底远小于所述梯形的下底，因此，所述三维纳米结构102的横截面仍然可看作为一三角形。进一步，所述等腰三角形也并非严格意义上的“等腰”，存在一定的误差，然而，所述误差极小，均不影响所述三维纳米结构102的光学性质。

请参阅图7，三维纳米结构102的横截面为等腰三角形，形成的所述光栅10的周期为50纳米～250纳米，优选的，所述光栅10的周期为50纳米～200纳米，优选的，所述光栅10的周期为50纳米～100纳米，从而具有更高的分辨率。本实施例中，所述等腰三角形的高约为100纳米，所述等腰三角形的边长分别约为119纳米、121纳米，所述等腰三角形的底边约为103纳米，所述光栅10的周期约为200纳米。由此可见，所述三维纳米结构102的横截面的尺寸均为纳米级，且所述光栅10的周期也为纳米级，从而使得所述光栅10具有更高的分辨率。

可以理解，本实施例中所述纳米压印并刻蚀所述掩模层103形成多个条形凸起结构及凹槽的方法仅为一具体实施例，所述掩模层103的处理并不限于以上制备方法，只要确保所述图案化的掩模层103包括多个条形凸起结构，相邻的凸起结构之间形成凹槽，设置于基底100后，所述基底100的表面通过该凹槽暴露出来即可。如也可以通过先在其他介质或基底表面形成所述图案化的掩模层，然后再转移到该基底100表面的方法形成。

与现有技术相比较，本发明所述三维纳米结构的制备方法具有以下优点：其一，该所述第二掩模层可以在室温下进行压印，且在后续制造工艺形变较小，进而确保了后续刻蚀的精度。其二，基底与第二掩模层之间形成有第一掩模层，在对第一掩模层刻蚀过程，第二掩模层对第一掩模层起到有效的掩模作用，减少了第一掩模层的纳米图形产生缺陷，确保了第一掩模层的纳米图形的分辨率和保真性。其三，本发明提供的纳米压印方法，其可在室温下进行压印，使得该方法工艺简单，成本低。其四，在所述光栅的制备方法中，通过对所述掩模进行刻蚀，使掩模中的凸起结构两两闭合形成三角形结构，能够提高制备的所述光栅的分辨率及精确度；其五，所述光栅的制备方法中，掩模的制备方法简单，掩模层的材料可选范围广，可根据实际刻蚀需要进行多样选择、搭配，适合多种材料基底的刻蚀，可方便的制备大面积周期性的光栅，提高了所述图案化基底的产率。其六，相对于现有技术中的刻蚀方法如FIB、EBL等，本发明所述光栅的制备方法形成的三维纳米结构具有高度的一致性及精度。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (18)

1.一种光栅的制备方法，包括以下步骤：

提供一硅基底；

在所述硅基底的表面形成一掩模层；

纳米压印所述掩模层，使所述掩模层表面形成并排延伸的多个条形凸起结构；

沿垂直于硅基底表面的方向采用惰性气体等离子体轰击所述掩模层，使所述多个条形凸起结构的顶端两两靠在一起而闭合；

沿垂直于硅基底表面的方向采用感应耦合等离子体刻蚀所述硅基底和所述掩模层，使所述硅基底的表面图案化，形成多个三维纳米结构预制体；以及

去除所述掩模层，形成多个三维纳米结构。

2.如权利要求1所述的光栅的制备方法，其特征在于，所述轰击掩模层的过程中，相邻两个条形凸起结构的顶端逐渐靠在一起，使所述多个条形凸起结构两两闭合。

3.如权利要求2所述的光栅的制备方法，其特征在于，所述轰击掩膜层的气体为氩气、氦气、氮气中的一种或几种。

4.如权利要求1所述的光栅的制备方法，其特征在于，所述凸起结构的顶端被部分刻蚀而变窄，所述两两闭合的凸起结构的横截面为三角形。

5.如权利要求4所述的光栅的制备方法，其特征在于，所述基底的刻蚀方法具体包括以下阶段：

对未被凸起结构覆盖的基底表面进行刻蚀，使基底表面形成多个凹槽，所述凹槽的深度相同；

在所述等离子体的轰击作用下，所述气体与基底反应，在刻蚀表面形成一保护层，阻碍气体的进一步刻蚀，所述凹槽的宽度沿刻蚀方向逐渐减小，所述凹槽的内壁与所述基底的表面形成一定角度，且所述凸起结构边缘位置处的部分逐渐被刻蚀掉，暴露出所述被凸起结构覆盖的基底表面；以及

继续对所述基底及所述凸起结构进行刻蚀，所述掩模层被部分刻蚀而厚度变薄，形成多个三维纳米结构预制体。

6.如权利要求5所述的光栅的制备方法，其特征在于，所述三维纳米结构预制体的横截面为三角形或梯形。

7.如权利要求5所述的光栅的制备方法，其特征在于，所述基底的刻蚀方法为在一感应耦合等离子体系统中通过等离子体刻蚀的方法。

8.如权利要求7所述的光栅的制备方法，其特征在于，所述等离子体系统的功率为10瓦～150瓦。

9.如权利要求8所述的光栅的制备方法，其特征在于，所述等离子体刻蚀中的刻蚀气体包括CH_XF_4-X和O₂气体，其中，X=0，1，2或3。

10.如权利要求9所述的光栅的制备方法，其特征在于，所述刻蚀气体的通入速率为8sccm~150sccm，形成的气压为0.5帕~15帕，刻蚀时间为5秒~5分钟。

11.如权利要求10所述的光栅的制备方法，其特征在于，所述刻蚀气体包括CF₄及O₂，所述CF₄的通入速率为24sccm，所述O₂的通入速率为16sccm。

12.如权利要求1所述的光栅的制备方法，其特征在于，所述光栅的周期为纳米级。

13.如权利要求12所述的光栅的制备方法，其特征在于，所述光栅的周期为50纳米至200纳米。

14.一种光栅的制备方法，包括以下步骤：

提供一基底；

在所述基底的表面形成一掩模层，所述掩模层包括一第一掩模层及第二掩模层依次层叠设置于基底表面；

纳米压印所述掩模层，形成并排延伸的多个凸起结构，所述凸起结构的横截面为矩形，并暴露出相邻凸起结构之间的基底的部分表面；

轰击所述掩模层，使所述掩模层的所述多个凸起结构中，相邻的凸起结构依次两两闭合，所述两两闭合的凸起结构的横截面为等腰三角形；

刻蚀所述基底，形成多个横截面为等腰三角形的三维纳米结构预制体；以及

去除所述掩模，形成多个三维纳米结构，所述三维纳米结构的横截面为等腰三角形。

15.如权利要求14所述的光栅的制备方法，其特征在于，所述第一掩模层的厚度为100纳米～500纳米，所述第二掩模层的厚度为100纳米～500纳米，所述第一掩模层的材料为ZEP520A，所述第二掩模层的材料为HSQ。

16.如权利要求14所述的光栅的制备方法，其特征在于，所述掩模层的纳米压印包括以下步骤：

提供一表面具有纳米图形的模板；

将模板形成有纳米图形的表面与所述第二掩模层贴合；

在常温下挤压所述模板与基底后并脱模，在第二掩模层中形成多个凹槽；

通过刻蚀去除所述凹槽底部的部分第二掩模层，露出第一掩模；

刻蚀凹槽底部的第一掩模，露出基底。

17.一种光栅的制备方法，包括以下步骤：

提供一基底；

在所述基底的表面形成一掩模层，所述掩模层包括并排延伸的多个凸起结构，所述凸起结构的横截面为矩形；

刻蚀所述掩模层，使所述掩模层的所述多个凸起结构中，相邻的凸起结构依次两两闭合，所述两两闭合的凸起结构的横截面为等腰三角形；

刻蚀所述基底，形成多个横截面为等腰三角形的三维纳米结构预制体；以及

去除所述掩模，形成多个三维纳米结构，所述三维纳米结构的横截面为等腰三角形。

18.如权利要求17所述的光栅的制备方法，其特征在于，所述基底的材料为石英或硅。

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