CN110989286B - 超表面信息复用掩模板系统及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超表面信息复用掩模板系统及其制备方法。本发明的超表面信息复用掩模板系统，包括石英玻璃；纳米砖阵列结构，形成在该石英玻璃的一侧表面，用以对反射(或透射)光的强度进行调制；透镜，用以对超表面材料掩模板放大成像；涂有光刻胶的SOI成像面，用来制作集成光路。纳米砖阵列由纳米砖单元周期性排列形成，并且纳米砖为长方体形，长宽高均为亚波长尺寸。本发明能够有效将超表面材料表面图案放大并作为掩模板来制作集成光路，并且通过适当地旋转入射线偏光的偏振角度，一个超表面样片可以形成两幅不同的图像从而当做两个掩模板来使用，且体积小、成本低、重量小、设计思路简单，非常适宜于在微型光电体系中应用。

Description

超表面信息复用掩模板系统及其制备方法

技术领域

本发明属于微纳光学和偏振光学领域，具体涉及一种超表面信息复用掩模板系统及其制备方法超。

背景技术

光刻技术是指在光照作用下，借助光致抗蚀剂(又名光刻胶)将掩膜版上的图形转移到基片上的技术。其主要过程为：首先紫外光通过掩膜版照射到附有一层光刻胶薄膜的基片表面，引起曝光区域的光刻胶发生化学反应；再通过显影技术溶解去除曝光区域或未曝光区域的光刻胶(前者称正性光刻胶，后者称负性光刻胶)，使掩膜版上的图形被复制到光刻胶薄膜上；最后利用刻蚀技术将图形转移到基片上。传统光刻技术掩模板一般为镉板，掩模板上的图形经紫外光照明直接投影或缩小至图形的1/4、1/5、1/10后投影到硅片的抗蚀剂上。受限于镉板的分辨率，传统光刻技术基本没有利用放大投影，因此在制作微米级别的光学元件时，成本非常高。本发明利用透镜将超表面掩模板上的图形放大成像到基片上，从而实现1：N的光刻(N为图像的放大倍数)，由于超表面掩模板的分辨率非常高，因此经放大后分辨率仍然比较理想，该方法能够有效控制制作掩模板的成本；另外，通过改变入射线偏光的偏振方向，该信息复用掩模板可以实现两幅完全不同的任意设计的二值化图像，从而一个掩模板能够制作两种光波导器件。

发明内容

针对传统掩模板的不足，本发明结合偏振理论，通过设计二氧化钛纳米砖阵列从而提供一种高效的、有一定自由度的超表面信息复用掩模板系统及其制备方法。

为实现上述目的，本发明的方案如下：

第一方面，本发明提供一种超表面信息复用掩模板系统，其特征在于：包括设有超表面材料的超表面掩模板，通过旋转入射光的偏振角度，超表面材料表面形成两幅不同的二值化图像；所述超表面材料表面的二值化图案通过透镜放大成像在涂有光刻胶的SOI成像面上，并据此来制作光波导器件；

所述超表面材料包括衬底和在所述衬底上设有的由纳米砖周期性排列的纳米砖阵列；所述纳米砖为长方体结构，所述纳米砖长L、纳米砖宽W和纳米砖高H均为亚波长尺寸；所述纳米砖的调控参数通过电磁仿真法进行优化；所述纳米砖的调控参数包括纳米砖长L、纳米砖宽W、纳米砖高H、纳米砖的间距CS、透镜的焦距以及超表面掩模板的位置。

作为优选方案，所述纳米砖为二氧化钛纳米砖；所述衬底为二氧化硅材料；所述纳米砖有四种转角，分别为22.5°、67.5°、112.5°和157.5°；当入射线偏光的偏振方向为0°时，能够在超表面材料表面观察到一幅二值化图像；当入射线偏光的偏振方向为45°时，能够在超表面材料表面观察到另一幅二值化图像。

第二方面，本发明还提供一种制备上述超表面信息复用掩模板系统的方法，其特征在于：选取工作波长为紫外线365nm，包含如下步骤：

(1)采用现有的CST STUDIO SUITE电磁仿真工具，在工作波长下优化二氧化钛纳米砖单元的结构，使得在波长为365nm的入射线偏光沿纳米砖长轴偏振时，反射效率达到80％；入射线偏光沿纳米砖短轴偏振时，透射效率达到90％；优化后的硅纳米砖长L＝140nm，硅纳米砖宽W＝75nm，硅纳米砖高H＝100nm，单元结构内，纳米砖的间距CS＝250nm；

(2)经过步骤(1)，即可确定单个二氧化钛纳米砖单元的结构，根据马吕斯定律I＝I₀cos²θ，当纳米砖对入射线偏光作为一个起偏器起作用时，一个灰度可以对应两个不同的纳米砖转角；首先选定一幅二值化图像，通过对各个像素点的转角进行二选一优化，从而使入射线偏光的偏振方向旋转45°后，可以呈现一幅完全不同的二值化图像；根据优化出的转角和单个二氧化钛纳米砖单元确定硅纳米砖阵列结构；

(3)根据步骤(2)确定的硅纳米砖阵列结构，采用电子束刻蚀工艺制备超表面复用掩模板；

(4)根据预设的放大倍率选择适当的透镜以及对应的超表面的位置：

选取透镜焦距为100mm，超表面掩模板距离透镜101mm，放大倍数为100倍；用纳米级的超表面材料作为掩模板来制作微米级的分束器。

利用在基底上设计二氧化钛纳米砖的阵列结构以实现信息复用，该掩模板的调控参数包括纳米砖的长宽高以及纳米砖块的间距，上述参数可通过电磁仿真法在紫外波段进行优化，仅仅通过改变入射线偏光的偏振方向就可以实现两幅完全不同的掩模板图形的切换。而且本发明可以实现透反射复用。纳米砖的阵列参数可根据需要进行调控和优化以达到预期的光刻效果，具有较好的自由度，方便定制。本发明还利用透镜对超表面材料掩模板上的图案进行放大，从而实现1：N的光刻(N为图像的放大倍数)，能够有效减小掩模板的制作成本。

本发明的优点及有益效果如下：

(1)所提供的信息复用掩模板系统可以通过改变入射线偏光的偏振方向来改变掩模板的图片，从而实现超表面材料的复用。入射线偏光偏振方向分别为0°和45°时，掩模板会呈现两幅完全不同的二值化图像；通过旋转起偏器能够实现两幅图像之间的切换；

(2)利用超表面来制作掩模板，分辨率较传统镉掩模板更高，而且在制作微米级的光学元件时，可以通过透镜放大投影成像从而控制成本；

(3)结构参数的微调对本发明中的信息复用掩模板影响较小；

(4)和传统的光刻技术相比，本发明能够通过透镜系统实现1：N的光刻(N为图像的放大倍数)，从而能够以纳米级的超表面材料作为掩模板制作微米级的光波导器件；

(5)具有超微尺寸结构，可广泛用于光子集成领域；

(6)金属纳米砖阵列结构可用电子束刻蚀制造，工艺简单。

附图说明

图1是本发明中信息复用掩模板的结构单元示意图；

图2是本发明中部分二氧化钛纳米砖阵列结构的三维结构示意图；

图3是本发明中二氧化钛纳米砖阵列对入射光的仿真结果图(其中x轴为波长，y轴为偏振效率，包括长轴反射效率和短轴透射效率)；

图4是本发明中信息复用掩模板系统的一种示意图；

图5是本发明中信息复用掩模板系统的另一种示意图。

图中：1、纳米砖；2、衬底，其中L为纳米砖长(纳米砖长轴尺寸)；W为纳米砖宽(纳米 砖短轴尺寸)；H为纳米砖高度，CS为纳米砖的间距。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例来对本发明作进一步地详细阐述。

实施例

本发明实施例中的信息复用掩模板系统，包括透镜、衬底；衬底上设置有周期性排列的二氧化钛纳米砖阵列；纳米砖为二氧化钛纳米砖；衬底为石英玻璃。

图1—2示出了的二氧化钛纳米砖阵列结构，包括二层，从上至下依次为二氧化钛纳米砖1，衬底2。其中，二氧化钛纳米砖阵列1由二氧化钛纳米砖单元结构周期性排列构成，二氧化钛纳米砖为长方体，且其长宽高均为亚波长尺寸。单个二氧化钛纳米砖单元的结构见图1。本实施例中，衬底2为二氧化硅衬底。二氧化钛纳米砖阵列可采用电子束光刻技术在熔融石英上制作。

下面将提供本实施例超表面复用掩模板的制备过程。

本实施例中，衬底为二氧化硅。选取工作波长为紫外线365nm。

第一步，采用现有的CST STUDIO SUITE电磁仿真工具，在工作波长下优化二氧化钛纳米砖单元的结构，使得在波长为365nm的入射线偏光沿纳米砖长轴偏振时，反射效率达到80％；入射线偏光沿纳米砖短轴偏振时，透射效率达到90％；本实施例中，优化后的硅纳米砖长L＝140nm，宽W＝75nm，高H＝100nm，单元结构内，CS＝250nm。

第二步，经过第一步，即可确定单个二氧化钛纳米砖单元的结构，根据马吕斯定律I＝I₀cos²θ，当纳米砖对入射线偏光作为一个起偏器起作用时，一个灰度可以对应两个不同的纳米砖转角。首先选定一幅二值化图像，通过对各个像素点的转角进行二选一优化，从而使入射线偏光的偏振方向旋转45°后，可以呈现一幅完全不同的二值化图像。根据优化出的转角和单个二氧化钛纳米砖单元确定硅纳米砖阵列结构。

第三步，根据第二步确定的硅纳米砖阵列结构，采用电子束刻蚀工艺制备超表面复用掩模板。

第四步，根据想要的放大倍率选择适当的透镜以及对应的超表面的位置，在本实施例中选取透镜焦距为100mm，超表面掩模板距离透镜101mm，放大倍数为100倍。图4为光路示意图，可以用纳米级的超表面材料作为掩模板来制作微米级的分束器。

如图4、图5所示，入射紫外光经过偏振片后转换为线偏光，然后经过超表面掩模板并经过透镜放大成像在涂有光刻胶的SOI成像面上，且通过改变入射线偏光的偏振方向可以，超表面掩模板可以形成两幅不同的图像；

应用实施例

滤光效果仿真测试

测试方法：采用现有的CST STUDIO SUITE电磁仿真工具，选择纳米砖参数L＝140nm，宽W＝75nm，高H＝140nm，单元结构内，CS＝250nm。进行仿真测试。

测试结果如图3所示。结果表明：在365nm处，长轴反射效率可以达到80％，短轴透射射效率能够达到90％。也即表明对波长为365nm的紫外光，该纳米砖结构可以作为一个起偏器作用。因此该纳米砖结构可以根据马吕斯定律对入射线偏光的强度进行调制。

Claims (2)

1.一种超表面信息复用掩模板系统，其特征在于：包括设有超表面材料的超表面掩模板，通过旋转入射光的偏振角度，超表面材料表面形成两幅不同的二值化图像；所述超表面材料表面的二值化图案通过透镜放大成像在涂有光刻胶的SOI成像面上，并据此来制作光波导器件；

所述超表面材料包括衬底和在所述衬底上设有的由纳米砖周期性排列的纳米砖阵列；所述纳米砖为长方体结构，所述纳米砖长L、纳米砖宽W和纳米砖高H均为亚波长尺寸；所述纳米砖的调控参数通过电磁仿真法以工作波长为紫外线365nm进行优化；所述纳米砖的调控参数包括纳米砖长L、纳米砖宽W、纳米砖高H、纳米砖的间距CS；透镜的焦距以及超表面信息复用掩模板的位置根据预设的放大倍率进行选择；

所述纳米砖为二氧化钛纳米砖；所述衬底为二氧化硅材料；所述纳米砖有四种转角，分别为22.5°、67.5°、112.5°和157.5°；当入射线偏光的偏振方向为0°时，能够在超表面材料表面观察到一幅二值化图像；当入射线偏光的偏振方向为45°时，能够在超表面材料表面观察到另一幅二值化图像。

2.一种制备如权利要求1所述超表面信息复用掩模板系统的方法，其特征在于：选取工作波长为紫外线365nm，包含如下步骤：

(1)采用现有的CST STUDIO SUITE电磁仿真工具，在工作波长下优化二氧化钛纳米砖单元的结构，使得在波长为365nm的入射线偏光沿纳米砖长轴偏振时，反射效率达到80％；入射线偏光沿纳米砖短轴偏振时，透射效率达到90％；优化后的硅纳米砖长L＝140nm，硅纳米砖宽W＝75nm，硅纳米砖高H＝100nm，单元结构内，纳米砖的间距CS＝250nm；

(2)经过步骤(1)，即可确定单个二氧化钛纳米砖单元的结构，根据马吕斯定律I＝I₀cos²θ，当纳米砖对入射线偏光作为一个起偏器起作用时，一个灰度可以对应两个不同的纳米砖转角；首先选定一幅二值化图像，通过对各个像素点的转角进行二选一优化，从而使入射线偏光的偏振方向旋转45°后，可以呈现一幅完全不同的二值化图像；根据优化出的转角和单个二氧化钛纳米砖单元确定硅纳米砖阵列结构；

(3)根据步骤(2)确定的硅纳米砖阵列结构，采用电子束刻蚀工艺制备超表面信息复用掩模板；

(4)根据预设的放大倍率选择适当的透镜以及对应的超表面的位置：

选取透镜焦距为100mm，超表面掩模板距离透镜101mm，放大倍数为100倍；用纳米级的超表面材料作为掩模板来制作微米级的分束器。

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