CN107870385A - 一种线栅偏振器的制造方法及制造系统 - Google Patents

一种线栅偏振器的制造方法及制造系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种线栅偏振器的制造方法，采用层叠刻蚀的方式逐层制造线栅，采用全息光刻方法逐层制作光刻胶掩模，并采用离子束刻蚀方法实现掩模转移，并利用光学莫尔条纹方法将从第二层开始的光栅与第一层的光栅进行对准，制造高深宽比结构的线栅。本发明还公开了一种线栅偏振器的制造系统，包括镀膜机、光刻涂胶机、PECVD装置、干法刻蚀机、离子束刻蚀机、全息光刻系统、以及与所述全息光刻系统结合设置的光学对准装置，用于实施上述线栅偏振器的制造方法。

Description

一种线栅偏振器的制造方法及制造系统
技术领域
本发明涉及线栅偏振器技术领域，更准确的说涉及一种线栅偏振器的制造方法及制造系统。
背景技术
偏振器在光学元件和光电子元件中应用广泛，其用于产生和检验线偏振光，且偏振器的性能好坏直接影响上述光学元件和光电子元件的性能。偏振器的实现可分为双折射晶体、偏振分光膜、高分子膜以及线栅等，其中，线栅偏振器是一种新型的偏振器。线栅偏振器包括衍射光栅和基板，衍射光栅在基板上以短于透射光波长的间距平行分布，即线栅周期小于入射光的波长。射线栅偏振器的光中，与线栅方向平行的光大部分被反射，与线栅方向垂直的光大部分透射。线栅偏振器具有体积小、结构紧凑、易于集成、对入射角不敏感的特点，存在广阔的应用前景。为了提高线栅偏振器的性能，需要线栅具有高深宽比结构，即线栅的槽深大于其周期。现有的线栅偏振器加工方法主要包括以下三种：
1、电子束直写，电子束直写的分辨率可达到几个纳米，其能够保证掩模的高精度，但是存在两个主要问题：首先，高能电子束存在散射，临近效应明显，其产生的二次离子会导致分辨率下降，不利于制作高深宽比的特征结构；其次，电子束直写加工效率低，设备昂贵。在电子束直写出光栅掩模图形以后，利用氯基气体反应离子刻蚀，将光栅掩模图形转移到金属膜层上。
2、全息干涉光刻，全息干涉光刻技术是制作周期性结构图形的主要手段之一，具有高分辨率、精度高等优点，可以方便的实现大面积批量制作。在全息光刻出光栅掩模图形以后，利用氯基气体反应离子刻蚀，将光栅掩模图形转移到金属膜层上。
3、纳米压印技术，纳米压印具有高分辩率、超低成本和高生产率等特点，但因其属于接触式图形转移过程，所需要的纳米压印模板的制作还是需要依赖电子束直写和全息干涉光刻等技术。通过纳米压印，得到光栅掩模图形以后，利用氯基气体反应离子刻蚀，将光栅掩模图形转移到金属膜层上。
综上，现有的线栅偏振器加工方法在实现高深宽比结构时均存在较大困难，无法在保证精度的同时控制成本，难以实现大面积线栅偏振器的制造。另外，上述三种方法均采用氯基气体反应离子刻蚀，生产安全性得不到保障。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种线栅偏振器的制造方法，采用层叠刻蚀的方式逐层制造线栅，采用全息光刻方法逐层制作光刻胶掩模，并采用离子束刻蚀方法实现掩模转移，并利用光学莫尔条纹方法将从第二层开始的光栅与第一层的光栅进行对准，制造高深宽比结构的线栅。
本发明的另一个目的在于提供一种线栅偏振器的制造系统，包括镀膜机、光刻涂胶机、PECVD装置、干法刻蚀机、离子束刻蚀机全息光刻系统、以及与所述全息光刻系统结合设置的光学对准装置，用于实施上述线栅偏振器的制造方法。
为了达到上述目的，本发明提供一种线栅偏振器的制造方法，当制造两层的线栅偏振器时，包括步骤：
(1)在基片上镀制金属膜层；
(2)在金属膜层上涂布光刻胶；
(3)采用全息光刻方法在光刻胶上制作光刻胶掩模；
(4)采用离子束刻蚀方法实现掩模转移，在金属膜层上形成沟槽，并清洗剩余的光刻胶；
(5)选取基片一侧边缘作为参考光栅区，其余部分作为制作区，在制作区沟槽内填入硅材料；
(6)采用离子束刻蚀方法对制作区表面进行抛光；
(7)在制作区表面镀制金属膜层；
(8)重复步骤(2)、(3)、(4)，且在重复步骤(3)时，采用光学莫尔条纹法进行光栅对准后进行步骤(3)；
(9)采用干法刻蚀去除硅材料。
优选地，当制造至少三层的线栅偏振器时，包括步骤：
(1)在基片上镀制金属膜层；
(2)在金属膜层上涂布光刻胶；
(3)采用全息光刻方法在光刻胶上制作光刻胶掩模；
(4)采用离子束刻蚀方法实现掩模转移，在金属膜层上形成沟槽，并清洗剩余的光刻胶；
(5)选取基片一侧边缘作为参考光栅区，其余部分作为制作区，在制作区沟槽内填入硅材料；
(6)采用离子束刻蚀方法对制作区表面进行抛光；
(7)在制作区表面镀制金属膜层；
(8)至少重复一次步骤(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)，且在重复步骤(3)时，采用光学莫尔条纹法进行光栅对准后进行步骤(3)；
(9)重复步骤(2)、(3)、(4)，且在重复步骤(3)时，采用光学莫尔条纹法进行光栅对准后进行步骤(3)；
(10)采用干法刻蚀去除硅材料。
优选地，在重复步骤(3)时，包括步骤：
(1)使用黑板遮挡光刻胶层；
(2)利用参考光栅形成莫尔条纹，进行莫尔条纹对准，使得制作的光刻胶掩模与第一次制造的光刻胶掩模的线栅周期一致。
(3)去除黑板，对光刻胶层进行干涉光刻。
优选地，所述步骤(3)中通过全息光刻所制作的光栅结构的周期范围为180nm至300nm，占宽比为0.25至0.65；
优选地，所述步骤(4)中的离子束刻蚀的工艺参数为：离子能量200至600eV，离子束流50至120mA，加速电压200至260V，工作压强2.1×10-2Pa。
优选地，所述步骤(6)中的离子束刻蚀抛光的工艺参数为：离子能量200至400ev，离子束流50至100mA，加速电压200至260v，工作压强1.9×10-2Pa，刻蚀角度45至80度。
优选地，所述步骤(8)中通过全息光刻所制作的光栅结构的周期范围为180nm至300nm，占宽比为0.25至0.65。
优选地，所述步骤(8)和(9)中通过全息光刻所制作的光栅结构的周期范围为180nm至300nm，占宽比为0.25至0.65。
本发明还提供一种线栅偏振器的制造系统，包括镀膜机、光刻涂胶机、PECVD装置、干法刻蚀机、离子束刻蚀机、全息光刻系统、以及与所述全息光刻系统结合设置的光学对准装置。
优选地，所述光学对准装置包括一分束镜、一第一反射镜、一第二反射镜、一第一透镜、一第二透镜、一微位移器件以及一位相控制器，入射所述光学对准装置的激光被所述分束镜分为两束，分别由所述第一反射镜和所述第二反射镜反射，再分别经所述第一透镜和所述第二透镜在被制作的所述基片表面形成干涉条纹，所述微位移器件与所述第一反射镜连接，且所述微位移器件与所述位相控制器电连接。
与现有技术相比，本发明公开的一种线栅偏振器的制造方法及制造系统的优点在于：采用多次全息曝光、多次离子束刻蚀法，实现了可见光波段线栅偏振器的制作，充分利用了全息干涉光刻的亚微米分辨率和离子束刻蚀的各向异性，与现有的制作方法相比，制造过程更加安全可靠；利用光学莫尔条纹法进行莫尔条纹对准，保证了多次全息曝光之间的光栅周期和取向的一致性；采用离子束刻蚀机进行刻蚀和抛光，简化了制造系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
如图1所示为本发明一种线栅偏振器的制造方法流程图，且制造的是两层线栅偏振器。
如图2所示为本发明一种线栅偏振器的制造方法流程图，且制造的是三层及三层以上的线栅偏振器。
如图3所示为本发明一种线栅偏振器的制造方法示意图，且制造的是两层线栅偏振器。
如图4所示为本发明一种线栅偏振器的制造方法中步骤(8)中基片的结构示意图。
如图5所示为本发明一种线栅偏振器的制造系统中光学对准装置的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明一种线栅偏振器的制造方法流程图，采用层叠的方式，且制造的是两层的线栅偏振器，包括步骤：
(1)在基片上镀制金属膜层；
(2)在金属膜层上涂布光刻胶；
(3)采用全息光刻方法在光刻胶上制作光刻胶掩模；
(4)采用离子束刻蚀方法实现掩模转移，在金属膜层上形成沟槽，并清洗剩余的光刻胶；
(5)选取基片一侧边缘作为参考光栅区，其余部分作为制作区，在制作区沟槽内填入硅材料；
(6)采用离子束刻蚀方法对制作区表面进行抛光；
(7)在制作区表面镀制金属膜层；
(8)重复步骤(2)、(3)、(4)，且在重复步骤(3)时，采用光学莫尔条纹法进行光栅对准后进行步骤(3)；
(9)采用干法刻蚀去除硅材料。
结合图3可见，上述线栅偏振器的制造方法通过两次全息光刻和两次离子束刻蚀实现了两层线栅的堆叠制作，且通过光学莫尔条纹法进行了线栅光学对准，保证了两次全息光刻之间线栅周期和取向的一致性。
如图2所示，为本发明一种线栅偏振器的制造方法流程图，采用层叠的方式，且制造的是三层及三层以上的线栅偏振器，包括步骤：
(1)在基片上镀制金属膜层；
(2)在金属膜层上涂布光刻胶；
(3)采用全息光刻方法在光刻胶上制作光刻胶掩模；
(4)采用离子束刻蚀方法实现掩模转移，在金属膜层上形成沟槽，并清洗剩余的光刻胶；
(5)选取基片一侧边缘作为参考光栅区，其余部分作为制作区，在制作区沟槽内填入硅材料；
(6)采用离子束刻蚀方法对制作区表面进行抛光；
(7)在制作区表面镀制金属膜层；
(8)至少重复一次步骤(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)，且在重复步骤(3)时，采用光学莫尔条纹法进行光栅对准后进行步骤(3)；
(9)重复步骤(2)、(3)、(4)，且在重复步骤(3)时，采用光学莫尔条纹法进行光栅对准后进行步骤(3)；
(10)采用干法刻蚀去除硅材料。
可见，三层及三层以上的线栅偏振器在制造过程中与两层的线栅偏振器相比，需要至少重复一次步骤(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)，且在重复步骤(3)时，采用光学莫尔条纹法进行光栅对准后进行步骤(3)，每增加一层重复一次。
具体的，步骤(3)中通过全息光刻所制作的光栅结构的周期(Λ)为180nm～300nm；占宽比为0.25～0.65。步骤(8)、(9)中通过全息光刻所制作的光栅结构的周期(Λ)为180nm～300nm；占宽比为0.2～0.65。步骤(4)中的离子束刻蚀的工艺参数为：离子能量200～600eV，离子束流50～120mA，加速电压200～260V，工作压强2.1×10-2Pa。步骤(6)中的离子束刻蚀抛光的工艺参数为：离子能量200～400ev，离子束流50～100mA，加速电压200～260v，工作压强1.9×10-2Pa，刻蚀角度45～80度。
如图4所示，为本发明一种线栅偏振器的制造方法中步骤(8)中基片的结构示意图，基片10一侧边缘为参考光栅区11，其余部分作为制作区12，所述参考光栅区11顶部具有参考光栅21，所述制作区12顶部具有线栅22，其中，所述参考光栅21与所述线栅22均是步骤(4)后形成的线栅，具有完全一致的结构，所述线栅22的沟槽内通过步骤(5)填入了硅材料，并进行了步骤(6)的抛光，所述线栅22顶部具有金属膜层30，所述金属膜层30顶部具有光刻胶层40。上述线栅偏振器的制造方法，在重复步骤(3)时，包括步骤：
(31)使用黑板遮挡光刻胶层40；
(32)利用参考光栅21形成莫尔条纹，进行莫尔条纹对准，使得制作的光刻胶掩模与第一次制造的光刻胶掩模的线栅周期一致。
(33)去除黑板，对光刻胶层40进行干涉光刻。
具体的，以周期为180nm的线栅偏振器的制造方法为例来进行说明，采用三层层叠方式，包括步骤：
(1)采用热蒸发镀膜方式在石英基片上镀制厚度为60nm的金属铝膜；
(2)在金属铝膜上涂布光刻胶；
(3)采用全息光刻方法在光刻胶上制作光栅掩模，获得的一维光栅结构的占宽比约为0.5，槽深约为120nm；
(4)采用离子束刻蚀实现掩模转移，在金属铝膜上形成沟槽，具体的，采用氩离子束刻蚀，离子能量200ev，离子束流50mA，加速电压200v，工作压强1.9×10-2Pa；
(5)选取基片的一侧边缘部设定为参考光栅区，其余部分作为制作区，采用PECVD方法(或ECR-CVD)，在制作区刻蚀过的沟槽内填入硅材料；
(6)采用离子束刻蚀法对制作区表面进行抛光，离子束抛光采用氩离子束刻蚀,离子能量200ev，离子束流60mA，加速电压210v，工作压强1.9×10-2Pa，刻蚀角度60度；
(7)在制作区表面镀制厚度为60nm的金属铝膜；
(8)重复步骤(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)，且在重复步骤(3)时，采用光学莫尔条纹法进行光栅对准后进行步骤(3)；
(9)重复步骤(2)、(3)、(4)，且在重复步骤(3)时，采用光学莫尔条纹法进行光栅对准后进行步骤(3)；
(10)采用干法刻蚀去除硅材料，获得所需的线栅偏振器。
本发明还公开了一种线栅偏振器的制造系统，用于实施上述线栅偏振器的制造方法，所述线栅偏振器的制造系统包括镀膜机、光刻涂胶机、PECVD装置、干法刻蚀机、离子束刻蚀机、全息光刻系统、以及与所述全息光刻系统结合设置的光学对准装置。其中，所述光学对准装置如图5所示，包括一分束镜51、一第一反射镜61、一第二反射镜62、一第一透镜611、一第二透镜621、一微位移器件70以及一位相控制器80。入射激光被所述分束镜51分为两束，分别由所述第一反射镜61和所述第二反射镜62反射，再分别经所述第一透镜611和所述第二透镜621在被制作的所述基片10表面形成干涉条纹，其中，所述参考光栅区11在干涉光束的照射下形成莫尔条纹，用于实现所述基片10的定位，所述微位移器件70与所述第一反射镜61连接，且所述微位移器件70与所述位相控制器80电连接，所述位相控制器80控制所述微位移器件70带动所述第一反射镜61位移，实现对光程差的调节，进而实现所述参考光栅区11和所述制作区12之间位相差的调节。
具体的，在重复步骤(3)时，需要将整块基片装到曝光支架上，将所述制作区12用黑板进行遮挡，采用原两束干涉光对所述参考光栅区11照明，此时可以观察到所述参考光栅区11与干涉光场之间形成的莫尔条纹，用CCD接收莫尔条纹的信息，根据零条纹产生时的两种情况，当零条纹最亮时，此时干涉光场是与第一次记录时的干涉光场的位相差为零(即此时干涉光场条纹与第一次干涉条纹重合或平移Λ)；当零条纹最暗时，此时干涉光场是与第一次记录时的干涉光场的位相差为π。利用所述位相控制器80控制莫尔条纹的位相，使参考光栅再现的莫尔条纹信息为零条纹最亮，进而实现光程调节，达到位相控制的目的。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种线栅偏振器的制造方法，其特征在于，当制造两层的线栅偏振器时，包括步骤：
(1)在基片上镀制金属膜层；
(2)在金属膜层上涂布光刻胶；
(3)采用全息光刻方法在光刻胶上制作光刻胶掩模；
(4)采用离子束刻蚀方法实现掩模转移，在金属膜层上形成沟槽，并清洗剩余的光刻胶；
(5)选取基片一侧边缘作为参考光栅区，其余部分作为制作区，在制作区沟槽内填入硅材料；
(6)采用离子束刻蚀方法对制作区表面进行抛光；
(7)在制作区表面镀制金属膜层；
(8)重复步骤(2)、(3)、(4)，且在重复步骤(3)时，采用光学莫尔条纹法进行光栅对准后进行步骤(3)；
(9)采用干法刻蚀去除硅材料。
2.如权利要求1所述的线栅偏振器的制造方法，其特征在于，当制造至少三层的线栅偏振器时，包括步骤：
(1)在基片上镀制金属膜层；
(2)在金属膜层上涂布光刻胶；
(3)采用全息光刻方法在光刻胶上制作光刻胶掩模；
(4)采用离子束刻蚀方法实现掩模转移，在金属膜层上形成沟槽，并清洗剩余的光刻胶；
(5)选取基片一侧边缘作为参考光栅区，其余部分作为制作区，在制作区沟槽内填入硅材料；
(6)采用离子束刻蚀方法对制作区表面进行抛光；
(7)在制作区表面镀制金属膜层；
(8)至少重复一次步骤(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)，且在重复步骤(3)时，采用光学莫尔条纹法进行光栅对准后进行步骤(3)；
(9)重复步骤(2)、(3)、(4)，且在重复步骤(3)时，采用光学莫尔条纹法进行光栅对准后进行步骤(3)；
(10)采用干法刻蚀去除硅材料。
3.如权利要求1或权利要求2中任一项所述的线栅偏振器的制造方法，其特征在于，在重复步骤(3)时，包括步骤：
(1)使用黑板遮挡光刻胶层；
(2)利用参考光栅形成莫尔条纹，进行莫尔条纹对准，使得制作的光刻胶掩模与第一次制造的光刻胶掩模的线栅周期一致。
(3)去除黑板，对光刻胶层进行干涉光刻。
4.如权利要求1或权利要求2中任一项所述的线栅偏振器的制造方法，其特征在于，所述步骤(3)中通过全息光刻所制作的光栅结构的周期范围为180nm至300nm，占宽比为0.25至0.65。
5.如权利要求1或权利要求2中任一项所述的线栅偏振器的制造方法，其特征在于，所述步骤(4)中的离子束刻蚀的工艺参数为：离子能量200至600eV，离子束流50至120mA，加速电压200至260V，工作压强2.1×10-2Pa。
6.如权利要求1或权利要求2中任一项所述的线栅偏振器的制造方法，其特征在于，所述步骤(6)中的离子束刻蚀抛光的工艺参数为：离子能量200 至400ev，离子束流50至100mA，加速电压200至260v，工作压强1.9×10-2Pa，刻蚀角度45至80度。
7.如权利要求1所述的线栅偏振器的制造方法，其特征在于，所述步骤(8)中通过全息光刻所制作的光栅结构的周期范围为180nm至300nm，占宽比为0.25至0.65。
8.如权利要求2所述的线栅偏振器的制造方法，其特征在于，所述步骤(8)和(9)中通过全息光刻所制作的光栅结构的周期范围为180nm至300nm，占宽比为0.25至0.65。
9.一种线栅偏振器的制造系统，其特征在于，包括镀膜机、光刻涂胶机、PECVD装置、干法刻蚀机、离子束刻蚀机、全息光刻系统、以及与所述全息光刻系统结合设置的光学对准装置。
10.如权利要求9所述的线栅偏振器的制造系统，其特征在于，所述光学对准装置包括一分束镜、一第一反射镜、一第二反射镜、一第一透镜、一第二透镜、一微位移器件以及一位相控制器，入射所述光学对准装置的激光被所述分束镜分为两束，分别由所述第一反射镜和所述第二反射镜反射，再分别经所述第一透镜和所述第二透镜在被制作的所述基片表面形成干涉条纹，所述微位移器件与所述第一反射镜连接，且所述微位移器件与所述位相控制器电连接。
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