CN105866873B - 基于金属纳米光栅的微偏振片阵列的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于金属纳米光栅的单层微偏振片阵列及其制备方法。该单层微偏振片阵列包括：高透光性的基底和基底上的金属纳米光栅，其中：所述金属纳米光栅在所述基底上排列的方向并不完全相同，具有相同排列方向的相邻金属纳米线组成的光栅为一个微偏振片，每个微偏振片的尺寸与感光元件芯片的像素尺寸相同。本发明同时还公开了一种基于金属纳米光栅的单层微偏振片阵列的制备方法。本发明可以将不同偏振方向的微偏振片阵列集成到同一层中，解决了以往的基于多层金属光栅的微偏振片阵列对所需光透过率不高的问题，并简化了工艺流程，降低了制作成本。

Description

基于金属纳米光栅的微偏振片阵列的制备方法

技术领域

本发明涉及微偏振片阵列技术领域，具体是一种全新的单层的微偏振片阵列及其制备方法，它的像素尺寸和像素阵列与所用图像传感器CCD相匹配，可在一次曝光成像中，提取和分析具有任意偏振状态的入射光的光强和偏振的图像信息，并可以进行实时相移分析。

背景技术

微偏振片阵列是一种用于测量光线经过不同透过方向的偏振片后各个偏振方向的光强的器件，通常与图像传感器(例如数码相机)搭配使用从而获得包含由该微偏振片阵列测得的各偏振分量的图像，并可以进行实时相移分析。目前微偏振片阵列制备方法主要有基于聚乙烯醇薄膜刻蚀、基于光控取向的液晶材料以及基于金属纳米光栅几种。

在美国专利US5,327,285A1中，S.M.Faris提出了几种制备微线性偏振器的方法，其中包括对被已形成图案的光刻胶覆盖的聚乙烯醇薄膜进行选择性的漂白/处理；对被已形成图案的光刻胶覆盖的聚乙烯醇薄膜进行选择性的刻蚀，包括化学刻蚀、光化学刻蚀、准分子激光刻蚀和反应离子刻蚀；对聚乙烯醇薄膜进行机械切割和碾磨；形成通过带图案的铟锡氧化物电极施加电场控制的液晶单元。

在非专利文献“Liquid-crystal micropolarizer array for polarization-difference imaging”(Applied Optics，vol.41，no.7，pp.1291-1296，2002)中，C.K.Harnett等人提出了一种基于液晶材料的以蒸发形式形成的金薄膜作为液晶取向层的微线性检偏器阵列制备方法。其中金以预先确定的排列方向被蒸发到液晶材料的衬底层上，同时带胶剥离技术被用来对蒸发形成的金膜形成图案。这样每增加一个液晶的微区域，就需要增多一次以预定方向的金薄膜蒸发和一次带胶剥离来形成图案。最终该方法可以形成两个金取向层取向方向互相垂直的液晶区域。

在非专利文献“Fabrication of a dual-layer aluminum nanowirespolarization filter array”(Optics Express，vol.19，no.24，pp.24361-24369，2011)中，Viktor Gruev等人提出了双层铝纳米线光栅偏振片检偏器阵列(如图1所示)，可得到能够同时检测两个偏振方向的微偏振片阵列。这种方法需要在一个面上先后做两层金属纳米线光栅阵列，如图1a所示，若要做到四个不同的偏振方向，则需要制作四层金属纳米线光栅阵列，如图1b所示，该四层金属纳米线光栅阵列的制作工艺为制作多层的微偏振片阵列，每个偏振方向为一层，这就带来两个问题：一，二氧化硅层的反复刻蚀和沉积会降低所需光线的透过率，层数越多则透射率越低；二，不同偏振方向的偏振片处于不同的层上，会降低工艺参数的一致性，导致不同偏振方向的性能分散；三，多次沉积铝层和二氧化硅层会增加工艺流程复杂度，降低成品率，增加制作成本。因此，提出一种能够提高所需光线的透射率并且将不同方向的微偏振片阵列集成到同一层上的制备方法，对于基于金属纳米线光栅结构的微偏振片阵列，具有重要的意义。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明提出一种基于金属光栅的单层微偏振片阵列及其制备方法，该偏振片阵列可以在一次曝光成像中同时提取和分析任意偏振态的入射光的光强和偏振信息，并可以集成到图像传感器上从而实现实时的完备偏振成像，并可以进行实时相移分析。

根据本发明的一方面，提出一种基于金属纳米光栅的单层微偏振片阵列，该单层微偏振片阵列包括：高透光性的基底和基底上沉积的金属膜刻蚀而成的金属纳米光栅，其中：

所述金属纳米光栅在所述基底上排列的方向并不完全相同，具有相同排列方向的相邻金属纳米线构成的光栅为一个微偏振片，每个微偏振片的尺寸与感光元件芯片的像素尺寸相同。

根据本发明的另一方面，提出一种基于金属纳米光栅的单层微偏振片阵列的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

步骤1，对高透光性的基底进行双面抛光清洁，然后分别采用电子束沉积、化学气相沉积和旋涂的方法在基底材料上依次镀上铝层、二氧化硅 层和负光刻胶层；

步骤2，用激光器产生两束光进行干涉，所产生的干涉条纹对光刻胶进行曝光，然后关掉干涉光源，在光刻胶上加掩模板，用传统紫外曝光光源进行紫外过度曝光，曝光之后进行显影定影，此时被掩模板遮挡区域未被干涉条纹曝光的部分被洗掉，被干涉条纹曝光的部分显影后生成条纹结构；未被掩模板遮挡的部分被曝光充分，经显影定影后留了下来；

步骤3，对样品进行反应离子刻蚀、电感耦合等离子体刻蚀，将光刻胶的条纹模板转移到二氧化硅上，此时二氧化硅上就出现了条纹结构，然后再将光刻胶全部刻蚀掉，这样就生成了一个方向上的二氧化硅栅状结构；

步骤4，在样品面上旋涂负光刻胶，重复步骤2和步骤3的过程来生成第二个方向的二氧化硅栅状结构，直至生成其他方向的二氧化硅栅状结构；

步骤5，以所形成的二氧化硅条纹阵列结构作为硬模板，采用反应离子刻蚀、电感耦合等离子体刻蚀对样品进行刻蚀，将二氧化硅的条纹结构转移到铝上，之后刻蚀掉二氧化硅，此时即得到了单层的具有多个偏振方向的基于金属纳米光栅的微偏振片阵列。

本发明可以将不同偏振方向的微偏振片阵列集成到同一层中，解决了以往的基于多层金属光栅的微偏振片阵列对所需光透过率不高的问题，并简化了工艺流程，降低了制作成本。

附图说明

图1a为Viktor Grvev等人提出的多层结构的微偏振片阵列中具有两个偏振方向的微偏振片阵列；

图1b为Viktor Grvev等人提出的多层结构的微偏振片阵列中具有四个偏振方向的微偏振片阵列；

图2为本发明基于金属纳米光栅的单层微偏振片阵列的结构示意图；

图3为本发明相干光干涉的示意图；

图4为本发明基于金属纳米光栅的单层微偏振片阵列的制备方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

根据本发明的一方面，提出一种基于金属纳米光栅的单层微偏振片阵列，如图2所示，所述基于金属纳米光栅的单层微偏振片阵列包括：高透光性的基底和基底上沉积的金属膜刻蚀而成的金属纳米光栅，其中：

所述高透光性的基底可选用透光性好的玻璃等材料；

所述金属纳米光栅可选用铝光栅、金光栅或铂光栅等，其中铝光栅用的最多；

所述金属纳米光栅在所述基底上排列的方向并不完全相同，具有相同排列方向的相邻金属纳米线构成的光栅为一个微偏振片，在本发明一实施例中，共具有四种方向的金属纳米光栅，这样就产生了具有四种不同透偏振方向的微偏振片；每个微偏振片的尺寸与CCD或CMOS等感光元件芯片的像素尺寸相同，使得所述微偏振片阵列中的每个单元与CCD或CMOS等感光元件像素单元具有一一对应的关系，以方便两者搭配使用。

如图2所示，在本发明一实施例中，相邻的四个微偏振片2、3、4、5构成一个超像素1，这四个微偏振片包含了四个不同的金属纳米光栅方向，金属纳米光栅的周期为亚波长量级，可作为偏振片使用，每个微偏振片可透过的偏振光的偏振方向与所述金属纳米光栅栅线的方向垂直。

另外，由于应用于可见光波段的微偏振片阵列的光栅栅线周期尺寸在纳米量级，传统的基于掩模版的紫外光刻由于受到衍射极限的限制无法产生满足上述周期要求的光栅栅线，而采用电子束直写方式虽然也能得到纳米线宽级的金属丝光栅，但其成本非常昂贵，不利于商业使用，因此，本发明采用干涉光刻或者全息光刻技术来产生周期尺寸在纳米量级的光栅栅线。图3为本发明相干光干涉的示意图，如图3所示，本发明使用夹角为θ，波长为λ的两束相干光进行干涉，产生周期为λ/2sin(θ/2)的干涉条纹，即光栅栅线，因此，在本发明中，调节相干光的波长和夹角就可以调节生成光栅栅线的周期值，使得光栅满足不同波段的偏振要求。

根据本发明的另一方面，提出一种基于金属纳米光栅的单层微偏振片阵列的制备方法，如图4所示，该制备方法包括以下步骤：

步骤1，对高透光性的基底进行双面抛光清洁，基底材料一般选取对工作波段的光具有较好透过性能的材料如玻璃或蓝宝石等，然后分别采用电子束沉积、化学气相沉积和旋涂的方法在基底材料上依次镀上铝层、二氧化硅层和负光刻胶层，其中，二氧化硅被用来作为硬模板来刻蚀金属层，如图4a所示；

步骤2，用激光器产生两束光进行干涉，所产生的干涉条纹对光刻胶进行曝光，然后关掉干涉光源，在光刻胶上加掩模板(如图4b和图4b’所示，其中图4b为主视图，图4b’为俯视图)，用传统紫外曝光光源进行紫外过度曝光，曝光之后进行显影定影，此时被掩模板遮挡区域未被干涉条纹曝光的部分被洗掉，被干涉条纹曝光的部分显影后生成条纹结构；未被掩模板遮挡的部分被曝光充分，经显影定影后留了下来(如图4c所示)；

其中，所述掩模板为像素尺寸，每四个像素中只有一个像素被遮挡，其他三个像素暴露出来。

步骤3，对样品进行反应离子刻蚀、电感耦合等离子体刻蚀(RIE/ICP)，将光刻胶的条纹模板转移到二氧化硅上，此时二氧化硅上就出现了条纹结构，然后再将光刻胶全部刻蚀掉(如图4d和图4d’所示，其中图4d为主视图，图4d’为相应的俯视图)，这样就生成了一个方向上的二氧化硅栅状结构；

步骤4，在样品面上旋涂负光刻胶(如图4e所示)，重复步骤2和步骤3的过程来生成第二个方向的二氧化硅栅状结构，直至生成其他方向的二氧化硅栅状结构；

一般来说，微偏振片的方向最多是做四个，其中，四种方向条纹层的生成顺序可以是不固定的，四种方向条纹的排列位置可以是不一样的，四种条纹的角度也可以是不固定的。对于生成四个方向的二氧化硅栅状结构来说，在生成第二个方向的二氧化硅栅状结构时，为了使第二次得到的二氧化硅的条纹方向与第一次得到的二氧化硅的条纹方向的倾角为45°，需要在步骤2的光束干涉曝光前将样品旋转45°，并且使步骤2中的掩模板在物理位置上与第一次使用时相比向右平移一个像素(如图4f所示)；在生成第三个方向的二氧化硅栅状结构时，为了使第三次得到的二氧化硅条纹方向与第一次得到的二氧化硅条纹方向的倾角为90°，需要在步骤2的 光束干涉曝光前将样品旋转90°，并且使步骤2中的掩模板在物理位置上与第一次使用时相比向下平移一个像素(如图4g所示)；在生成第四个方向的二氧化硅栅状结构时，为了使第四次得到的二氧化硅条纹方向与前三次得到的二氧化硅条纹方向不同，需要在步骤2的光束干涉曝光前将样品旋转135°，并且使步骤2中的掩模板在物理位置上与第一次使用时相比向下平移一个像素并向右平移一个像素(如图4h所示)；

步骤5，以所形成的二氧化硅条纹阵列结构作为硬模板，采用反应离子刻蚀、电感耦合等离子体刻蚀(RIE/ICP)对样品进行刻蚀，将二氧化硅的条纹结构转移到铝上，之后刻蚀掉二氧化硅，此时即得到了单层的具有四个偏振方向的基于金属纳米光栅的微偏振片阵列(如图4i和图4i’所示，其中图4i为主视图，图4i’为俯视图)。

该步骤中，为了防止铝层的氧化和磨损，可不刻蚀掉铝光栅外的二氧化硅层，或在刻蚀掉二氧化硅后重新采用化学气相沉积的方法沉积二氧化硅层。

实施例一，按照上述方法制备具有四种偏振透过方向的微偏振片阵列。具体流程如下：

步骤1、采用玻璃基板作为基底材料，通过机械化学抛光(CMP)过程优化玻璃表面，使玻璃表面在3cm×3cm区域内的波动在+/-5nm，将玻璃样品依次浸润到异丙醇和丙酮中清洗，所述样品之后被放置到反应离子刻蚀装置中，通过反应离子刻蚀用氧进一步清理，其中刻蚀功率为300W，时间为20分钟；

步骤2、分别用电子束沉积和化学气相沉积的方法在样品表面镀140nm的铝和20nm的二氧化硅，二氧化硅被作为硬模板来刻蚀铝层；

步骤3、将负光刻胶旋涂到样品上，负光刻胶SU-8 2002是疏水的，需要样品表面完全没有水分子，光刻胶以500rpm转速旋涂10秒钟，然后以每秒加速500rpm到6000rpm并持续50秒，得到厚度为500nm的光刻胶(如图4a所示)；

步骤4、将样品放置在热板上以65°烘烤一分钟，然后以95°烘烤两分钟，之后将样品降低到65°一分钟以用来逐渐降低样品温度，在烘烤过程中，逐渐升温和逐渐降温避免温度的剧烈变化引起光刻胶出现裂纹；

步骤5、使用532nm波长的激光器倍频，产生266nm波长的激光，使用分光棱镜和反射镜产生两束相干光，成120°夹角干涉，干涉条纹为140nm的周期，干涉区域为一个直径约为3cm的圆形区域；采用干涉条纹对光刻胶曝光，曝光功率为5mW/cm²，曝光时间为10秒，曝光之后撤掉关涉光源，在光刻胶上加掩模板(如图4b和图4b’所示，其中图4b为主视图，图4b’为俯视图)，掩模板为单元尺寸12um×12um的方形模型；掩模板中每四个像素单元中只有一个像素单元被遮挡，其他三个像素单元均暴露出来，以5mW/cm²的光强在375nm下曝光30s，使得未被掩膜版遮盖的负光刻胶完全曝光；将样品放置到加热板上以65°烘烤一分钟然后以95°烘烤3分钟，再将样品降温到65°一分钟用来逐渐降低温度并且减小应力和光刻胶的裂痕；光刻胶在SU-8显影液中显影3分钟，之后通过超声波浴和异丙醇轻轻地冲洗(如图4c所示)；

步骤6、将样品放置在反应离子刻蚀诱导耦合等离子体(RIE/ICP)装置中，并且执行下面的流程：将RIE腔的下托板加热到70°，压强为200mTOrr，流入50scmm(标准立方米每分钟)氩气300秒来净化腔体；之后将压强降到10mTorr，RIE功率为150W，ICP功率为500W，流入三氟甲烷10scmm，时间30秒，对二氧化硅进行刻蚀，此时将光刻胶上的栅状结构转移到二氧化硅上；将压强提升到200mTorr，通入氩气50scmm，时间30秒，以净化腔体；RIE功率为300W，ICP功率为500W，通氧气100scmm，时间75秒，用于刻蚀光刻胶，得到第一个方向的二氧化硅栅状结构(如图4d和图4d’所示，其中图4d为主视图，图4d’为相应的俯视图)；

步骤7、重复步骤3，将负光刻胶旋涂到样品上(如图4e所示)，重复步骤4到步骤6来生成第二个方向的二氧化硅栅状结构，为了使第二次得到的二氧化硅的条纹方向与第一次的倾角为45°，需要在步骤5的光束干涉曝光前将样品旋转45°，并且使步骤5中的掩模板在物理位置上与第一次使用时相比向右平移一个像素(如图4f所示)；

步骤8、重复步骤3到步骤6的过程来生成第三个方向的二氧化硅栅状结构，为了使第三次得到的二氧化硅条纹方向与第一次的倾角为90°，需要在步骤5的光束干涉曝光前将样品旋转90°，并且使步骤5中的掩模 板在物理位置上与第一次使用时相比向下平移一个像素(如图4g所示)；

步骤9、重复步骤3到步骤6的过程来生成第四个方向的二氧化硅栅状结构，为了使第四次得到的二氧化硅条纹方向与前三次不同，需要在步骤5的光束干涉曝光前将样品旋转135°，并且使步骤5中的掩模板在物理位置上与第一次使用时相比向下平移一个像素并向右平移一个像素(如图4h所示)；

在压力为200mTorr时通入50scmm氩气，时间300秒，用于净化刻蚀腔；RIE刻蚀功率设为100W，ICP刻蚀功率设为500W，通入三氯甲烷30scmm和氯气15scmm，时间为60秒，用于刻蚀氧化铝；压力降为10mTorr，RIE功率设为25W，ICP功率设为400W，通入三氯甲烷30scmm和氯气8scmm，时间为220秒，用于刻蚀铝；压力维持10mTorr，RIE功率设为150W，ICP功率设为500W，通入三氟甲烷10scmm，时间30秒，用于刻蚀二氧化硅；压力升为200mTorr，通入氩气50scmm，时间30秒，用于净化腔体；此时即得到了单层的具有四个偏振方向的微偏振片阵列(如图4i和图4i’所示，其中图4i为主视图，图4i’为俯视图)。

本发明基于金属纳米光栅的单层微偏振片阵列，其优点有：(1)相对于多层制作工艺，制成品不需要二氧化硅中间层，提高了所需光的透过率；(2)相对于多层制作工艺，只需要一次刻蚀铝光栅即可，并且不需要多次沉积铝层和二氧化硅层，简化了工艺，降低了制作成本；(3)该方法可以成功的将不同方向的微偏振片集成在同一层中。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于金属纳米光栅的单层微偏振片阵列的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：

步骤1，对高透光性的基底进行双面抛光清洁，然后分别采用电子束沉积、化学气相沉积和旋涂的方法在基底材料上依次镀上铝层、二氧化硅层和负光刻胶层；

步骤2，用激光器产生两束光进行干涉，所产生的干涉条纹对光刻胶进行曝光，然后关掉干涉光源，在光刻胶上加掩模板，用传统紫外曝光光源进行紫外过度曝光，曝光之后进行显影定影，此时被掩模板遮挡区域未被干涉条纹曝光的部分被洗掉，被干涉条纹曝光的部分显影后生成条纹结构；未被掩模板遮挡的部分被曝光充分，经显影定影后留了下来；

步骤3，将样品放置在反应离子刻蚀诱导耦合等离子体装置中，对样品进行反应离子刻蚀和电感耦合等离子体刻蚀，将光刻胶的条纹模板转移到二氧化硅上，此时二氧化硅上就出现了条纹结构，然后再将光刻胶全部刻蚀掉，这样就生成了一个方向上的二氧化硅栅状结构；

步骤4，在样品面上旋涂负光刻胶，重复步骤2和步骤3的过程来生成第二个方向的二氧化硅栅状结构，直至生成其他方向的二氧化硅栅状结构；

步骤5，以所形成的二氧化硅条纹阵列结构作为硬模板，采用反应离子刻蚀、电感耦合等离子体刻蚀对样品进行刻蚀，将二氧化硅的条纹结构转移到铝上，之后刻蚀掉二氧化硅，此时即得到了单层的具有多个偏振方向的基于金属纳米光栅的微偏振片阵列。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述掩模板为像素尺寸，每四个像素有一个像素被遮盖，其他三个像素暴露出来的周期结构。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，所述二氧化硅栅状结构共四个方向，其中，在生成第二个方向的二氧化硅栅状结构时，在所述步骤2的光束干涉曝光前将样品旋转45°，并且使所述步骤2中的掩模板在物理位置上与第一次使用时相比向右平移一个像素；在生成第三个方向的二氧化硅栅状结构时，在所述步骤2的光束干涉曝光前将样品旋转90°，并且使所述步骤2中的掩模板在物理位置上与第一次使用时相比向下平移一个像素；在生成第四个方向的二氧化硅栅状结构时，在所述步骤2的光束干涉曝光前将样品旋转135°，并且使所述步骤2中的掩模板在物理位置上与第一次使用时相比向下平移一个像素并向右平移一个像素。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤5中，为了防止铝层的氧化和磨损，不刻蚀铝光栅外的二氧化硅，或在刻蚀二氧化硅后重新采用化学气相沉积的方法沉积二氧化硅层。