CN105676351A - 一种光栅制作方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光栅制作方法，用以解决现有技术中光栅制作精度较低的问题。方法包括：利用纳米压印技术制作均匀的种子光栅；利用重构-等效啁啾或微结构准相位匹配技术以及所述均匀的种子光栅，制作所需要的目标光栅的等效光栅。

Description

一种光栅制作方法

技术领域

本申请涉及光电技术领域，尤其涉及一种光栅制作方法。

背景技术

随着网络的不断演进和巨大的信息传输需求，人们对光纤通信提出了更高的要求。为了满足这样的要求，在实际的设计中，往往在一块光子芯片上要实现不同功能的波导光栅。由于不同功能的光栅形貌(比如倾斜、弧形条纹、啁啾、切趾、相移等)也是不一样的，这就需要分不同步骤分别刻写不同功能的波导光栅。

一般地，可以将具有倾斜、弧形条纹、啁啾、切趾或相移等光栅形貌的光栅为复杂光栅，这些复杂光栅制作精度要求很高，往往是在亚纳米量级的。

在制作复杂光栅的过程中往往需要制作均匀的种子光栅，通过对均匀的种子光栅进行刻蚀得到复杂光栅，因此种子光栅的精度往往能够决定复杂光栅的精度。现有技术制作种子光栅采用全息曝光技术，该技术能够确保种子光栅的精度周期往往在200nm以上，但当需要制作的种子光栅周期在200nm以下时，采用全息曝光技术制作的均匀光栅的精度较低，从而基于种子光栅制作的复杂光栅精度同样较低。

发明内容

本申请实施例提供了一种光栅制作方法，用以解决采用现有技术制造的光栅精度较低的问题。

一种光栅制作方法，包括：

利用纳米压印技术制作均匀的种子光栅；

利用重构-等效啁啾或微结构准相位匹配技术以及所述均匀的种子光栅，制作所需要的目标光栅的等效光栅。

一种光栅制作方法，还包括：

制作均匀光栅；

对所述均匀光栅模板进行刻蚀，得到具备预定光栅形貌的模板；

以所述具备预定光栅形貌的模板作为纳米压印模板，利用纳米压印技术制作具备预定光栅形貌的晶片结构；

对所述具备预定光栅形貌的晶片结构进行刻蚀，制作具有预定光栅形貌的目标光栅的等效光栅。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

由于纳米压印方法是一种成本低而速度快的方法，并且能够制作纳米级别周期的种子光栅，因此，利用重构-等效啁啾或微结构准相位匹配技术以及通过纳米压印技术制作的种子光栅，制作得到的光栅的周期也能保证在纳米级别。相对于现有技术利用全息曝光技术制作的种子光栅的方法而言，精度要高。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1a为本实施例提供的一种光栅制作方法的实现流程图示意图；

图1b为本实施例提供的均匀的种子光栅制作过程示意图；

图1c为本实施例提供的在图1b制作完成均匀的种子光栅后，目标光栅的等效光栅制作过程示意图；

图1d为本实施例提供的在图1b制作完成均匀的种子光栅后，目标光栅的等效光栅制作过程示意图；

图2为本实施例提供的另外一种光栅制作方法的实现流程示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施案例提供的技术方案。

实施例1

为解决现有技术中光栅制作精度较低的问题，本申请实施例1提供一种光栅制作方法，该光栅制作方法的执行主体可以是一种多功能光栅制作设备，所述多功能比如有干涉功能、纳米压印功能、刻蚀功能、镀膜功能等。此外，该方法的执行主体还可以由多个设备共同构成。为便于描述本申请中的光栅制作方法，本申请实施例的执行主体以多种设备集合为例进行说明。

具体的，实施例1提供的光栅制作方法的实现流程示意图如图1a所示，包括如下主要步骤。

步骤11，利用纳米压印技术制作均匀的种子光栅；

其中，纳米压印技术，是在纳米尺度(0.1～100nm)实现结构复制的一种成本低而快速的方法，可以大批量重复性的制备纳米图案结构。纳米压印整个过程包括压印和图形转移两个过程，其中，压印就是将纳米压印模板加压盖在具有纳米压印胶的晶片上，使得晶片上的纳米压印胶的结构与纳米压印模板的结构相反；图形转移是指将纳米压印模板上的图案在纳米压印胶上进行复制。根据压印方法不同，纳米压印技术主要可分为热塑、紫外线固化和软压印三种技术。本申请实施例采用的纳米压印技术以紫外线固化纳米压印技术为例进行说明。

均匀的种子光栅，是众多形貌光栅结构中的一种特殊光栅结构，均匀的种子光栅具有分布均匀的光栅结构，其他形貌(比如：倾斜、弧形条纹、啁啾、切趾、相移、取样光栅等)的光栅以及多维度光栅可以基于均匀的种子光栅进行制作。相比于其他相貌的光栅而言，均匀的种子光栅的特殊性可以体现在光栅结构上。具体地，均匀的种子光栅由大量等宽等间距的平行狭缝构成。

本申请实施例中采用纳米压印技术制作均匀的种子光栅的主要步骤如图1b所示，可以包括：

101、制作含有均匀光栅的纳米压印母模板a；

其中，纳米压印母模板的材料可以采用硅、石英、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)等材料中的任意一种。

含有均匀光栅的纳米压印母模板a可以通过双光束干涉或者电子曝光等方法制作，比如以双光束干涉的方法为例说明纳米压印母模板a的制作过程：

利用双光束干涉仪发出光束，将两束光束在涂有光刻胶的用于纳米压印的材料表面实现N次干涉曝光，相邻两次曝光位置之间的错位值为d_I/N，其中N≥2，d_I为曝光后的光强分步的周期，所述两路光束干涉后的光场的复振幅分布接近为理想的余弦函数。通过多次曝光的对位叠加，在光刻胶上的总曝光强度为平顶分布，总光强的波纹可控制在1％以下，之后对所述用于纳米压印的材料进行刻蚀，得到精密的纳米压印母模板a。

102、在用于制作光栅的晶片上涂覆紫外光固化纳米压印胶；

在本申请实施中对用于制作光栅的晶片b的材料没有特殊的要求，比如可以是硅基二氧化硅晶片、普通聚合物晶片或III-V族化合物半导体材料等，不同的材料的折射率往往不同。

为确保在用于制作光栅的晶片b上涂覆紫外光固化纳米压印胶c达到均匀，一般可以将用于制作光栅的晶片b放在匀胶机上面，通过高速旋转将滴于晶片b上的紫外光固化纳米压印胶c涂覆均匀。

103、将纳米压印母模板a压印至涂覆有紫外光固化纳米压印胶c的用于制作光栅的晶片b上，得到均匀的种子光栅。

具体的，可以通过利用纳米压印机将纳米压印母模板a压印至涂覆有紫外光固化纳米压印胶c的用于制作光栅的晶片b上，使得到的均匀的种子光栅形貌与纳米压印母模板a形貌一致，这里的均匀的种子光栅的材料为紫外光固化纳米压印胶c。

步骤12，制作需要的目标光栅的等效光栅。

其中，这里所说的目标光栅的等效光栅一般可以包括：倾斜、弧形条纹、啁啾、切趾、相移、取样等光栅。为区别各个光栅，可以利用不同光纤光栅对应的光谱特点等效说明。

以下以啁啾光纤光栅、切趾光纤光栅、相移光栅、取样光纤光栅对应的光谱特点为例，说明光栅之间的区别。

具体的，啁啾光纤光栅的光谱特点是：与均匀光纤光栅相比，极大的增加了谐振峰的带宽；切趾光纤光栅的光谱特点是：光谱的旁瓣被抑制；相移光栅的光谱特点是：在光栅光谱的谐振峰中打开若干个投射窗口；取样光纤光栅的光谱特点是：具有很多带宽相同的谐振峰。

目标光栅的等效光栅可以采用重构-等效啁啾或微结构准相位匹配技术进行制作，需要说明的是，重构-等效啁啾技术是微结构准相位匹配技术中的一维特例。

在本申请实施例中，在晶片b表面的均匀的种子光栅制作完成后，目标光栅的等效光栅的制作过程主要分为两部分先后进行，第一部分制作过程可以包括：利用光刻技术、带有目标光栅的图案的光刻版f以及刻蚀技术，对位于晶片b的表面的均匀的种子光栅进行刻蚀；第二部分制作过程可以包括：对表面具备刻蚀后的种子光栅的晶片b进行刻蚀，以制作所述目标光栅的等效光栅。

针对上述在均匀的种子光栅已经制作完成后，目标光栅的等效光栅可以采用下述任意一种方式进行制作。

方式1，该方式的具体实现步骤，如图1c所示：

104、利用镀膜工艺在均匀的种子光栅上镀金属膜d，得到具有金属膜的种子光栅。其中，金属膜d的材料一般可以采用可以溶于硝酸的金属，比如镍。利用举离工艺，通过对具有金属膜d的种子光栅执行举离操作，去除紫外光固化纳米压印胶c，实现以金属膜d替换紫外光固化纳米压印胶c，得到以金属为材料的种子光栅；

105、在以金属为材料的种子光栅上涂覆光刻胶e，该过程同样可以利用匀胶机进行，方法与上述涂覆紫外光固化纳米压印胶c一致，在此不做赘述；

106、将带有目标光栅的图案的光刻版f置于以金属为材料的种子光栅上，通过光刻技术对涂覆在以金属为材料的种子光栅上的光刻胶e进行光刻，图1c中所示箭头为紫外光g，去除未被目标光栅图案覆盖的光刻胶；

107、在完成步骤106后，去除未被光刻胶覆盖的金属光栅结构，比如可以采用硝酸对未被光刻胶覆盖的金属光栅结构进行腐蚀；

108、对执行步骤107后的上表面具备刻蚀后的种子光栅的晶片b进行刻蚀，具体包括：去除位于晶片b上的剩余光刻胶e，得到以刻蚀后的具有以金属种子光栅为掩膜的晶片b；对以刻蚀后的具有以金属种子光栅为掩膜的晶片b进行刻蚀，去除目标光栅的等效光栅外的晶片b以及剩余金属种子光栅，得到所需要的目标光栅的等效光栅。

方式2，该方式实现的具体步骤，如图1d所示：

103’、在种子光栅上涂覆光刻胶e；

104’、将带有等效光栅的图案的光刻版f置于以紫外光固化纳米压印胶c为材料的种子光栅上，通过光刻技术对涂覆在以紫外光固化纳米压印胶c为材料的种子光栅上的光刻胶e进行光刻，去除未被等效光栅图案覆盖的光刻胶e；

105’、在完成步骤104’后，去除种子光栅中没有被光刻胶e覆盖的种子光栅，比如可以基于氧气离子对于光刻胶e和紫外光固化纳米压印胶c具有不同的刻蚀速率的特点，利用氧气离子去除没有被光刻胶覆盖的紫外光固化纳米压印胶c，之后停止刻蚀；

106’、对执行步骤105’后得到的上表面具备刻蚀后的种子光栅的晶片b进行刻蚀，具体包括：去除晶片b上表面的剩余光刻胶e，比如利用氢氧化钾来溶解所述剩余光刻胶e，从而得到以刻蚀后的种子光栅作为掩膜的晶片b；对以刻蚀后的种子光栅作为掩膜的晶片b进行刻蚀，去除目标光栅的等效光栅外的晶片b以及剩余以紫外光固化纳米压印胶c为材料的种子光栅，得到所需要的目标光栅的等效光栅。

在本实施例中，由于可以通过纳米压印的方法实现制作纳米级别的种子光栅，因此，利用重构-等效啁啾或微结构准相位匹配技术以及通过纳米压印技术制作的种子光栅，制作得到的光栅的周期在纳米级别。相对于现有技术利用全息曝光技术制作的种子光栅的方法而言，精度要高，从而由光栅构成的电子器件精确度更高。

实施例2

实施例2具体以π相移光栅的制作过程为例，说明如何实现本申请中实施例1所述的方法。π相移光栅的制作工艺流程具体流程如下：

1、利用重构-等效啁啾或微结构准相位匹配技术设计等效光栅结构(包括种子光栅和取样光栅图案)，根据取样光栅图案制作光刻版。光刻版可以是根据曝光时使用的正胶或负胶来制作具体的金属图案。光刻版上有金属膜的地方对应晶片上有光栅的区域，透明的地方对应晶片上没有光栅的区域。

2、清洗用于制作光栅的晶片，在用于制作光栅的晶片上涂覆紫外光固化纳米压印胶，其后在紫外光固化纳米压印胶上利用紫外光纳米压印机制作均匀光栅图案，纳米压印母模板可以通过上述双光束干涉或者电子束曝光等方法制作；

3、对流程2中制作好的纳米压印均匀光栅的晶片进行处理，利用干法刻蚀的氧气气体或等离子去胶机去除晶片表面的紫外光固化纳米压印胶与晶片表面的吸附层，之后在紫外光固化纳米压印胶表面涂覆一层光刻胶；

4、对涂覆光刻胶之后的晶片进行前烘，温度与时间根据不同的情况进行不同的设定。利用光刻机与光刻版去除未被光刻版覆盖的光刻胶，完成光刻后进行后烘固胶；

5、利用ICP干法刻蚀，选择氧气，刻蚀执行流程4后未被光刻胶覆盖的紫外光固化纳米压印胶，继而利用丙酮去除剩余的光刻胶；

6、利用F气刻蚀，将取样结构转移到晶片表面，再用氧气进行干法刻蚀去除晶片上的吸附层和紫外光固化纳米压印胶，完成取样光栅的制作。

在本实施例2中，为了得到更加光滑以及精确的光栅，采用在流程2执行完毕后，在以紫外光固化纳米压印胶为材料的均匀光栅上蒸镀金属镍，利用举离工艺去除紫外光固化纳米压印胶，在晶片表面上形成了金属镍的均匀光栅。

以下介绍通过对晶片以及晶片上具有以金属镍为材料的均匀光栅进行刻蚀得到π相移光栅的流程：

3’、在表面上形成了金属镍的均匀光栅的晶片的表面涂覆光刻胶，对涂覆光刻胶的晶片进行前烘；

4’、利用光刻技术以及带有目标图案的光刻版去除晶片上未被取样图案覆盖的光刻胶；

5’、利用硝酸去除没有被光刻胶覆盖的金属镍；

6’、去除剩余光刻胶；

7’、利用ICP干法刻蚀；并利用硝酸去除金属镍，完成取样光栅的制作。

实施例2为本申请实施例提供的π相移光栅的制作流程，制作π相移光栅的上述流程等效其他形貌(如倾斜、弧形条纹、啁啾、切趾、取样等)光栅的制作流程。采用本方法实现制作π相移光栅，可以使π相移光栅周期达到纳米尺度，并且由于均匀光栅的纳米压印模板可以重复利用，降低了光栅的生产成品。

实施例3

在实施例1提到的方法外，本申请实施例另外还提供了一种光栅制作方法，用以解决现有技术中光栅制作精度较低的问题。

具体的，实施例3提供的光栅制作方法的实现流程示意图如图2所示，包括如下主要步骤。

步骤21，制作均匀光栅；

其中，均匀光栅的制作过程与上述101制作均匀纳米压印模板的过程相同，在此不做赘述；

步骤22，对步骤21制作的均匀光栅进行刻蚀，得到具有目标光栅的等效光栅；

根据取样光栅的光栅图案对步骤21制作的均匀光栅进行刻蚀，比如可以是将取样光栅的光栅图案输入到用于刻蚀光栅的设备中，该设备可以根据该预定取样光栅图案对均匀光栅进行刻蚀；还可以是根据带有取样光栅图案的光刻版作为掩膜，利用掩膜版对均匀光栅进行蚀刻。

步骤23，以步骤22得到的具有目标光栅的等效光栅作为纳米压印模板，利用纳米压印机和所述纳米压印模板，在用于制作光栅的晶片上制作需要制定的光栅形貌的晶片结构；

具体的，利用纳米压印机和具有目标光栅的等效光栅作为纳米压印模板，在涂覆有纳米压印胶的用于作光栅的晶片上，制作具有目标光栅图案的晶片结构，该晶片结构上包括晶片、以及以纳米压印胶为材料的具有目标光栅的等效光栅图案的光栅。

步骤24，对通过步骤23得到的具有预定目标光栅的等效光栅图案的晶片结构进行刻蚀，制作得到所需要的目标光栅的等效光栅。

在本实施例中，由于可以通过利用具有目标图案的纳米压印模板以及纳米压印技术制作得到具有目标光栅的等效光栅图案的晶片结构，对具有等效光栅图案的晶片结构进行刻蚀，得到等效光栅。相对于现有技术利用全息曝光技术制作的种子光栅的方法而言，精度要高，从而由光栅构成的电子器件精确度更高。

上述光栅制作方法可以应用到各种光栅结构的分布反馈式半导体激光器，包括：具有π相移、啁啾等结构的分布反馈式半导体激光器，可调谐激光器、窄线宽激光器以及多波长激光器阵列；可以用于制备各种无源波导光栅器件，包括π相移窄带滤波器，耦合器等；还可以应用制备光纤光栅的光子器件，制备过程为在光纤上涂覆掩膜压印胶，制作具有目标光栅的掩膜，并进行刻蚀，在光纤上制作具有形貌的光栅结构。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种光栅制作方法，其特征在于，包括：

利用纳米压印技术制作均匀的种子光栅；

利用重构-等效啁啾或微结构准相位匹配技术以及所述均匀的种子光栅，制作所需要的目标光栅的等效光栅。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，利用纳米压印技术制作均匀的种子光栅，包括：

制作含有均匀光栅结构的纳米压印母模板；

利用纳米压印技术以及所述纳米压印母模板制作均匀的种子光栅。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，利用纳米压印技术以及所述纳米压印母模板制作均匀的种子光栅，包括：

在用于制作光栅的晶片上涂覆纳米压印胶；

利用纳米压印机和所述纳米压印模板，在所述涂覆有纳米压印胶的用于制作光栅的晶片上制作均匀的种子光栅。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用纳米压印技术制作均匀的种子光栅，包括利用纳米压印技术在用于制作光栅的晶片的表面制作所述均匀的种子光栅；

利用重构-等效啁啾或微结构准相位匹配技术以及所述均匀的种子光栅，制作具备所需要的目标光栅的等效光栅，包括：

利用光刻技术、带有所述目标光栅的图案的光刻版以及刻蚀技术，对位于所述晶片的表面的均匀的种子光栅进行取样刻蚀；

对表面具备刻蚀后的种子光栅的所述晶片进行干法刻蚀，以制作具备所需要的目标光栅的等效光栅。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述均匀的种子光栅的材料，为纳米压印胶；利用光刻技术、带有所述目标光栅的图案的光刻版以及刻蚀技术，对位于所述晶片的表面的均匀的种子光栅进行刻蚀，包括：

对所述种子光栅镀金属膜；

通过对具有金属膜的种子光栅执行举离操作，实现以金属材料替换纳米压印材料而得到以金属为材料的种子材料；

在以金属为材料的种子光栅上涂覆光刻胶；

利用带有所述目标光栅的图案的光刻版，对涂覆在所述金属材料的种子光栅上的光刻胶进行光刻；

在完成对涂覆在所述以金属为材料的种子光栅上的光刻胶进行光刻后，去除未被光刻胶覆盖的金属光栅结构；

对上表面具备刻蚀后的种子光栅的所述晶片进行刻蚀，以制作具备所需要的目标光栅的等效光栅，包括：

去除位于所述晶片上的剩余光刻胶，得到以刻蚀后的具有以金属种子光栅为掩膜的晶片；

对以刻蚀后的具有以金属种子光栅为掩膜的晶片进行刻蚀，以制作所需要的目标光栅的等效光栅。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述种子光栅的材料，为纳米压印胶；利用光刻技术、带有所述目标光栅的图案的光刻版以及刻蚀技术，对位于所述晶片的表面的种子光栅进行刻蚀，包括：

在所述种子光栅上涂覆光刻胶；

利用带有所述目标光栅的图案的光刻版，对所述种子光栅上的光刻胶进行光刻；

在对所述种子光栅上的光刻胶进行光刻结束后，刻蚀所述种子光栅中的没有被光刻胶覆盖的种子光栅，以得到刻蚀后的种子光栅；

对上表面具备刻蚀后的种子光栅的所述晶片进行刻蚀，以制作具备所需要的目标光栅的等效光栅，包括：

去除位于所述晶片上表面剩余的光刻胶，得到以刻蚀后的种子光栅作为掩膜的晶片；

对以刻蚀后的种子光栅作为掩膜的晶片进行刻蚀，以制作具备所需要的目标光栅的等效光栅。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标光栅的等效光栅，包括下述至少一种：

倾斜光栅；弧形条纹光栅；啁啾光栅；切趾光栅；相移光栅；取样光栅。

8.一种光栅制作方法，所述方法，包括：

制作均匀光栅；

对所述均匀光栅进行刻蚀，得到具备预定光栅形貌的模板；

以所述具备预定光栅形貌的模板作为纳米压印模板，利用纳米压印机和所述纳米压印模板，在用于制作光栅的晶片上制作具备预定光栅形貌的晶片结构；

对所述具备预定光栅形貌的晶片结构进行刻蚀，制作具有所需要的目标光栅的等效光栅。