CN111090138A

CN111090138A - 用于400-1000nm波段的单层梯形光栅结构及其制备方法

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Publication number: CN111090138A
Application number: CN201911024094.5A
Authority: CN
Inventors: 赵永强; 汤超龙; 刘芯羽
Original assignee: Shenzhen Institute of Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Shenzhen Institute of Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2019-10-28
Filing date: 2019-10-28
Publication date: 2020-05-01

Abstract

本发明公开了一种用于400‑1000nm波段的单层梯形光栅结构及其制备方法，解决了现有多层光栅结构选材复杂，加工工艺步骤多、误差大的问题。本发明包含光栅层和基底层；所述光栅层为单层梯形光栅结构；所述单层梯形光栅结构为单层光栅层的表面蚀刻出均布的若干横截面为梯形的光栅结构造型；所述基底层的材质为石英，形成石英基片；所述光栅层的材质采用氮化硅陶瓷，形成氮化硅层。

Description

用于400-1000nm波段的单层梯形光栅结构及其制备方法

技术领域

本发明属于微纳器件设计技术领域，涉及一种用于400-1000nm波段的单层光栅结构及其制备方法。

背景技术

光栅(grating)指由大量平行狭缝构成的光学器件，也称衍射光栅。光栅将光分解为光谱利用的是多缝衍射原理。通常情况下，光栅是在特定的基片上刻出大量平行等间距的狭缝(刻线)构成，狭缝的形态、尺寸直接影响了光栅的光谱选通效应。光通过衍射光栅形成光谱是单缝衍射和多缝干涉共同作用的结果。

光栅的光谱选通作用使其可以用于高性能滤光片的制作。随着微纳制造技术的发展，利用电子束直写、纳米压印等手段，可以刻写线宽十纳米级、百纳米级的狭缝，这一突破使得在小面积单元上制作不同结构的光栅滤光片阵列成为了可能。光栅是光谱光栅滤光片阵列的基本组成单元。由光栅组成的光谱光栅滤光片阵列结构紧凑、轻小、不需要额外的驱动设备，是多光谱/超光谱成像领域的重要研究方向。设计具有新型结构的光栅单元是光谱光栅滤光片阵列发展的前提和基础。

亚波长波导光栅，光栅层可以近似的等效于折射率为光栅平均折射率的各向同性波导。此时，可以用等效波导理论进行分析。根据等效波导理论设计的传统光谱光栅往往具有多层结构，这类多层光栅在实际加工过程中，由于选材的多样和加工误差的存在，会导致理论光谱响应曲线与实际光谱曲线出现较大差异，使得设计的多层结构难以应用于实际生产。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种用于400-1000nm波段的单层梯形光栅结构及其制备方法，解决了现有多层光栅结构选材复杂，加工工艺步骤多、误差大的问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

用于400-1000nm波段的单层梯形光栅结构，其特征在于：包含光栅层和基底层；所述光栅层为单层梯形光栅结构；所述单层梯形光栅结构为单层光栅层的表面蚀刻出均布的若干横截面为梯形的光栅结构造型；

所述基底层的材质为石英，形成石英基片；所述光栅层的材质采用氮化硅陶瓷，形成氮化硅层。

作为本发明公开的光栅结构的一种优选实施方式：石英基片厚度为0.5mm，占空比0.6；氮化硅层厚度为210nm，氮化硅层刻蚀深度为50nm。

本发明还公开了用于400-1000nm波段的单层梯形光栅结构的制备方法，其特征在于：包含如下步骤：

(1)氮化硅薄膜的形成；采用PECVD方法制备氮化硅薄膜，在非平衡等离子体中，非平衡状态的电子由于质量小，在高频电场的作用之下，其平均温度会比分子、原子等其他离子高出1-2个数量级，在高温电子的作用下，反应腔体内的反应气体被离解、活化，并吸附在衬底表面进行化学反应，从而在基片上沉积出所期望的薄膜；

(2)氮化硅等离子体刻蚀：等离子体刻蚀是通过化学作用或者物理作用，或者化学和物理的共同作用来实现的；反应腔室内的CF₄，CH₃F，O₂气体通过辉光放电，产生包括离子、电子等活性物质的等离子体，这些等离子体扩散吸附到介质表面，与介质表面的原子产生化学反应，同时高能离子对介质表面进行物理冲击从而完成刻蚀，去除沉积的反应产物和聚合物，通过化学和物理的共同作用来完成对氮化硅层的刻蚀；

刻蚀氮化硅和二氧化硅的化学反应如下：

(I)CH₃F→CF₃*，CF₂*，CF*，F*，H*

(II)CF₄→CF₃*+CF₂*+CF*+F*

(III)F*+H*→HF↑Si+F*→SiF₄↑

(IV)Si₃N₄+F*→SiF₄↑+N₂

反应式中标有CF*，CF₂*，F*表示具有强化学反应活性的活性基，反应生成物以气态形式被真空系统抽离反应腔，完成对氮化硅的刻蚀。

作为本发明公开的制备方法的一种优选实施方式，所述步骤(1)的氮化硅薄膜的形成过程包含以下几个步骤：

(1.1)反应气体的离解；

(1.2)氨气、硅烷分子碎片组合形成新分子；

(1.3)基团间成键，骨架的形成。

本发明有益效果是：

本发明公开的用于400-1000nm波段的单层梯形光栅结构及其制备方法通过将半导体加工领域常见的氮化硅材料引入光栅设计加工领域，采用全新的单层梯形光栅结构，实现了光栅在400-1000nm波段具有优良的带阻选通特性、低旁带效应。同时，单层光栅结构中加工工艺步骤少，可以确保理论设计结果与实际加工结果的一致性。

附图说明

图1是本发明提出的用于400-1000nm波段的单层梯形光栅结构。

图2是本发明提出的用于400-1000nm波段的单层梯形光栅结构剖面图。

图3是400-1000nm波段内光栅周期从0.1μm-0.7μm变化时对中心波长及带宽的影响图。

图4是400-1000nm波段内光栅层厚度变化对中心波长及带宽的影响图。

图5是400-1000nm波段内光栅层材料选择(折射率不同)对中心波长及带宽的影响图。

图6是400-1000nm波段内光栅层占空比变化对中心波长及带宽的影响图。

图7是根据各参数对光谱响应影响优化得到的典型光栅结构参数的光谱响应。

附图标记说明：

1-基底层，2-氮化硅层,3-氮化硅层梯形部；

具体实施方式

下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：

如图1-7所示，其示出了本发明的具体实施方式，本发明的公开的一种用于400-1000nm波段的单层梯形光栅结构及其制备方法，解决了现有多层光栅结构选材复杂，加工工艺步骤多、误差大的问题。

具体的，本发明所公开的用于400-1000nm波段的单层梯形光栅结构是一种由半导体材料氮化硅(Si₃N₄)组成的单层光栅结构。典型结构包括：光栅层、基底层。本发明通过将半导体加工领域常见的氮化硅材料引入光栅设计加工领域，采用全新的单层梯形光栅结构，实现了光栅在400-1000nm波段具有优良的带阻选通特性、低旁带效应。同时，单层光栅结构中加工工艺步骤少，可以确保理论设计结果与实际加工结果的一致性。通过半导体材料氮化硅的使用，采用全新的单层梯形光栅结构，实现了400-1000nm波段具有优良的带阻选通滤光特性。

考虑到多层光栅结构在实际加工中出现的原材料制备困难，加工工艺复杂、误差大的问题，本发明采用了单层梯形光栅结构，在石英基片上生长一层氮化硅层，并在氮化硅层完成光栅图案的形成。选材方面：光栅层材料采用氮化硅陶瓷，这种材料强度和韧性很高,同时具有热稳定性高、硬度大、耐磨、耐腐蚀性好等优点。基片采用石英，石英基片在400-1000nm具有良好的透过特性，且制备工艺成熟。设计好结构后，结合全息工艺制备技术制备。

本发明还公开的用于上述光栅结构的制备方法，具体的，用于400-1000nm波段的单层梯形光栅结构的制备方法如下：

(1)氮化硅薄膜的形成。采用PECVD方法制备氮化硅薄膜，在非平衡等离子体中，非平衡状态的电子由于质量小，在高频电场的作用之下，其平均温度会比分子、原子等其他离子高出1-2个数量级。在高温电子的作用下，反应腔体内的反应气体被离解、活化，并吸附在衬底表面进行化学反应，从而在基片上沉积出所期望的薄膜。PECVD法制备氮化硅薄膜是利用这一特性。

氮化硅薄膜的形成过程可被分解为以下几个步骤:(1.1)反应气体的离解；(1.2)氨气、硅烷分子碎片组合形成新分子；(1.3)基团间成键，骨架的形成。

(2)氮化硅等离子体刻蚀：等离子体刻蚀是通过化学作用或者物理作用，或者化学和物理的共同作用来实现的。反应腔室内的CF₄，CH₃F，

气体通过辉光放电，产生包括离子、电子等活性物质的等离子体，这些等离子体扩散吸附到介质表面，与介质表面的原子产生化学反应。同时高能离子对介质表面进行物理冲击从而完成刻蚀，去除沉积的反应产物和聚合物。通过化学和物理的共同作用来完成对氮化硅层的刻蚀。

刻蚀氮化硅和二氧化硅的主要化学反应如下：

CH₃F→CF₃*，CF₂*，CF*，F*，H*

CF₄→CF₃*+CF₂*+CF*+F*

F*+H*→HF↑Si+F*→SiF₄↑

Si₃N₄+F*→SiF₄↑+N₂

在以下讨论中，对以下名词进行说明：

占空比：光栅层氮化硅材料的宽度与光栅周期的比值。

带宽：光谱响应峰值效率一半时波形的宽度。

峰值效率：光谱响应曲线最大反射率值。

中心波长：光谱响应曲线最大反射率值处对应的反射波段。

旁带：若光谱响应为单峰，则取其峰值左右两侧三倍峰值半宽区域外的最大透射效率；若光谱响应为多峰，则取次峰透射效率。

如图所示：

图1是本发明提出的400-1000nm波段的单层梯形光栅结构示意图。采用合适的光栅结构参数，这种光栅结构可以实现极高的反射效率、极低的旁带效应，优良的带阻选通特性。

图3是可见/近红外400-1000nm波段内光栅周期从0.1μm-0.7μm变化时对中心波长及带宽的影响图。从图中可以看出，当光栅周期在0.1μm-0.7μm变化时，光谱响应的中心波长出现明显的红移现象，这一特性可以应用于光谱光栅滤光片设计过程中光栅单元中心波长的设计和定位。另外，光谱响应曲线具有极窄的带宽且不会随光栅周期的变法发生明显改变，这一特性确保了光栅优良的带阻选通特性。

图4中，给出了当光栅层厚度变化时，光栅光谱响应的变化情况。从图中可以看出，当光栅层厚度变化时，光谱响应曲线的中心波长及带宽不会发生明显变化，但峰值效率会由于光栅层厚度变化发生改变。

图5中，给出了光栅层折射率变化时光栅光谱响应的变化情况。由图可以看出，当光栅层折射率在0-10之间变化时，光栅的光谱响应会发生剧烈改变，为了达到优良的选通特性，设计者结合材料的折射率特性，将光栅层选为氮化硅材料，这种材料制备工艺成熟，并且加工工艺完善。

图6中，给出了光栅层占空比变化时光栅光谱响应的变化情况。由图可以看出，当占空比在0-1变化时，光谱响应的中心波长不会发生明显改变，带宽随着占空比的增大先增大后减小。

图7给出了根据各参数对光谱响应影响优化得到的典型光栅结构参数的光谱响应。其中石英基片厚度为0.5mm，占空比0.6；氮化硅层厚度为210nm，氮化硅层刻蚀深度为50nm。从图中看出光谱响应中心波长0.45μm，峰值效率≥99％，旁带≤5％，峰值半宽10nm，具有优良的选通特性。

上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，这些变化涉及本领域技术人员所熟知的相关技术，这些都落入本发明专利的保护范围。

不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims

1.用于400-1000nm波段的单层梯形光栅结构，其特征在于：包含光栅层和基底层；所述光栅层为单层梯形光栅结构；所述单层梯形光栅结构为单层光栅层的表面蚀刻出均布的若干横截面为梯形的光栅结构造型；

2.如权利要求1所述的用于400-1000nm波段的单层梯形光栅结构，其特征在于：石英基片厚度为0.5mm，占空比0.6；氮化硅层厚度为210nm，氮化硅层刻蚀深度为50nm。

3.如权利要求1-2任一所述的用于400-1000nm波段的单层梯形光栅结构的制备方法，其特征在于：包含如下步骤：

(2)氮化硅等离子体刻蚀：等离子体刻蚀是通过化学作用或者物理作用，或者化学和物理的共同作用来实现的；反应腔室内的CF₄，CH₃ F，O₂气体通过辉光放电，产生包括离子、电子等活性物质的等离子体，这些等离子体扩散吸附到介质表面，与介质表面的原子产生化学反应，同时高能离子对介质表面进行物理冲击从而完成刻蚀，去除沉积的反应产物和聚合物，通过化学和物理的共同作用来完成对氮化硅层的刻蚀；

刻蚀氮化硅和二氧化硅的化学反应如下：

(I)CH₃ F→CF₃*，CF₂*，CF*，F*，H*

(II)CF₄→CF₃*+CF₂*+CF*+F*

(III)F*+H*→HF↑Si+F*→SiF₄↑

(IV)Si₃ N₄+F*→SiF₄↑+N₂

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)的氮化硅薄膜的形成过程包含以下几个步骤：

(1.1)反应气体的离解；

(1.2)氨气、硅烷分子碎片组合形成新分子；

(1.3)基团间成键，骨架的形成。