CN112731577B - 用于振幅/相位双重调制的四区域光栅及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于振幅/相位双重调制的四区域光栅及其制作方法，包括基底，所述基底沿着水平方向上光栅按照一个周期被划分成四个区域；四个所述区域从左至右依次分别为高基底层、高金属层、低基底层和低金属层；在所述高金属层和低金属层的上表面均设置有金属掩膜层；所述低金属层和低基底层的高度不同；所述高金属和高基底层的总高度相同。本发明将基底沿着水平方向上光栅按照一个周期被划分成四个区域，四个区域的横向宽度相等，四个区域的高度不同，由于四个区域能够提高光强和相位双重控制的精确性，从而能够减少0级光的衍射效率，将能量集中到±1级，而且能够提升光栅干涉仪等系统的信号对比度和信噪比。

Description

用于振幅/相位双重调制的四区域光栅及其制作方法
技术领域
本发明属于衍射光学元件技术领域，具体涉及一种用于振幅/相位双重调制的四区域光栅及其制作方法。
背景技术
随着高精尖技术的不断发展，对于一些非常规光栅器件的需求越来越大。现有的相位调制光栅，主要存在两方面缺点：第一，控制精度差、相位调制的深度差(对0级光的效率减少不够，对±1级的效率提升不够)；第二，结构复杂、台阶的侧壁陡直度无法精确控制等问题，不利于工艺固化，从而光栅的相位也不能精确控制。虽然采用高精密设备进行制作，可以精确控制制作工艺步骤，但是加工成本却非常高，不利于批量生产；并且相位调制光栅也不能同时满足光强的调制。因此就以上问题，提出一种振幅/相位双重调制四区域光栅及其制作方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于振幅/相位双重调制的四区域光栅及其制作方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于振幅/相位双重调制的四区域光栅，包括基底，所述基底沿着水平方向上按照光栅一个周期被划分成四个区域；光栅的四个所述区域从左至右依次分别为高基底层、高金属层、低基底层和低金属层；在所述高金属层和低金属层的上表面均设置有金属掩膜层；所述低金属层和低基底层的高度不同；所述高金属和高基底层的总高度相同。
作为本实施例的优选，光栅的每个所述区域横向宽度相等，四个所述区域的基底高度不同。
作为本实施例的优选，每个所述区域的横向宽度1μm，四个所述区域的深度介于350nm-500nm之间。
作为本实施例的优选，所述基底的材料采用折射率较低的透明材料构成；所述金属掩膜层所使用材料的折射率大于所述基底采用材料的折射率。
作为本实施例的优选，所述基底采用的材料为石英，所述金属掩膜层采用的材料为金属铬。
作为本实施例的优选，所述高金属层和低金属层的上表面设置的金属掩膜层厚度相同。
本发明实施例还提供一种用于振幅/相位双重调制的四区域光栅的制作方法，具体包括以下步骤：
步骤一：基底处理：双面抛光石英基底，清洗、烘干；
步骤二：制备低金属层，具体包括以下步骤：
(1)旋涂lift-off光刻胶，烘胶、冷却后，在其上旋涂光刻胶作为第一次掩膜，进行图形化光刻；
(2)采用反应离子刻蚀机第一次刻蚀；
(3)沉积金属铬作为第一次掩膜；
(4)利用lift-off工艺去掉光刻胶；
步骤三：制备高金属层，具体包括以下步骤：
a、旋涂第二次lift-off光刻胶，烘胶、冷却后，在其上旋涂光刻胶作为第二次掩膜，进行图形化光刻；
b、采用反应离子刻蚀机第二次刻蚀；
c、沉积金属铬作为第二次掩膜；
d、第二次采用lift-off工艺去掉光刻胶；
步骤四：完成四区域光栅制作，具体包括以下步骤：
A、旋涂第三次lift-off光刻胶，烘胶、冷却后，在其上旋涂光刻胶作为第三次掩膜，进行图形化光刻
B、采用反应离子刻蚀机第三次刻蚀；
C、剥离残余光刻胶，完成振幅/相位双重调制四区域光栅制作过程。
作为本实施例的优选，所述步骤一中基底处理的过程为：
(1)将双面抛光石英基底材料放置于培养皿中，采用酒精超声清洗后，用去离子水冲洗干净，氮气枪吹干；
(2)用丙酮超声清洗后，同样用去离子水冲洗干净、吹干；再次，在用玻璃液超声清洗后，再用脱脂棉擦拭，用去离子水冲洗干净、吹干；
(3)用去离子水超声清洗后，去离子水冲洗、吹干；然后放置于烘箱中烘干基底材料表面水分。
作为本实施例的优选，所述步骤二、步骤三和步骤四中图形化光刻的步骤包括具体为：在基底上旋涂lift-off光刻胶，烘胶后冷却，在其上旋涂光刻胶作掩膜，利用掩膜版图形对所述光刻胶进行曝光和显影，在所述基底上形成光刻图形。
作为本实施例的优选，在图形化光刻的步骤中，lift-off光刻胶涂覆在基底表面，掩膜光刻胶涂覆在lift-off光刻胶之上。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所述的用于振幅/相位双重调制的四区域光栅，将基底沿着水平方向上光栅按照一个周期被划分成四个区域，四个区域的横向宽度相等，四个区域的高度不尽相同，由于四个区域能够提高光强和相位双重控制的精确性，从而能够减少0级光的衍射效率，将能量集中到±1级，而且能够提升光栅干涉仪等系统的信号对比度和信噪比。
(2)本发明所述的用于振幅/相位双重调制的四区域光栅，由于光栅是由基底材料和金属层材料两种不同材料构成，两者的折射率不同，且一个周期包括四个区域，且四个区域为横向四等份，用于振幅调节；四个区域的深度不同，可以用于相位的调节，由此可实现光强和相位的双重调制作用。
(3)本发明所述的用于振幅/相位双重调制的四区域光栅，由于光栅台阶均是同时刻蚀基底材料和镀制金属掩模来实现的振幅和相位调制，刻蚀深度均在11μm以下，且本发明采用了陡直度好的光刻胶，因此可以精确控制刻蚀台阶侧壁陡直度等问题。
(4)本发明振幅/相位双重调制四区域光栅及其制作方法，结构简单，制作方法可以进行量化控制，并且制作成本低，为后期的批量生产提供了条件，有利于工艺固化，大大提升了光栅干涉仪位移传感以及光栅光谱仪等设备的性能。
(5)本发明振幅/相位双重调制四区域光栅的制作方法不需要价格高昂的设备(比如电子束光刻设备等)进行工艺光刻，采用了双层胶工艺，有效地保证了lift-off(剥离)工艺后，基底表面的光刻胶等去除的很干净。
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。
图1为本发明实施例振幅/相位双重调制四区域光栅的剖面结构示意图；
图2为本发明实施例振幅/相位双重调制四区域光栅及其制作方法中执行各步骤的剖面示意图；其中，
图2(1)为本发明实施例振幅/相位双重调制四区域光栅及其制作方法中旋涂lift-off光刻胶，烘胶、冷却后，在其上旋涂光刻胶作为第一次掩膜的元件剖面示意图；
图2(2)为本发明实施例振幅/相位双重调制四区域光栅及其制作方法中旋涂lift-off光刻胶，烘胶、冷却后，在其上旋涂光刻胶作为第一次掩膜的元件剖面示意图；
图2(3)为本发明实施例振幅/相位双重调制四区域光栅及其制作方法步骤二中旋涂lift-off光刻胶，烘胶、冷却后，在其上旋涂光刻胶作为第一次掩膜的元件剖面示意图；
图2(4)为本发明实施例振幅/相位双重调制四区域光栅及其制作方法步骤三中采用反应离子刻蚀机第一次刻蚀的元件剖面示意图；
图2(5)为本发明实施例振幅/相位双重调制四区域光栅及其制作方法步骤四中沉积金属铬作为第一次掩膜的元件剖面示意图；
图2(6)为本发明实施例振幅/相位双重调制四区域光栅及其制作方法步骤五中利用lift-off工艺去掉光刻胶的元件剖面示意图；
图2(7)为本发明实施例振幅/相位双重调制四区域光栅及其制作方法步骤六中旋涂第二次lift-off光刻胶，烘胶后冷却，在其上旋涂光刻胶作为第二次掩膜，进行图形化光刻的元件剖面示意图；
图2(8)为本发明实施例振幅/相位双重调制四区域光栅及其制作方法步骤七中采用反应离子刻蚀机第二次刻蚀的元件剖面示意图；
图2(9)为本发明实施例振幅/相位双重调制四区域光栅及其制作方法步骤八中沉积金属铬作为第二次掩膜的元件剖面示意图；
图2(10)为本发明实施例振幅/相位双重调制四区域光栅及其制作方法步骤九中第二次采用lift-off工艺去掉光刻胶的元件剖面示意图；
图2(11)为本发明实施例振幅/相位双重调制四区域光栅及其制作方法步骤十中采用反应离子刻蚀机第三次刻蚀的元件剖面示意图；
图2(12)为本发明实施例振幅/相位双重调制四区域光栅及其制作方法步骤剥离残余光刻胶，完成振幅/相位双重调制四区域光栅制作过程的元件剖面示意图；
图3是本发明实施例振幅/相位双重调制四区域光栅及其制作方法图2的材料说明图。
图4是本发明具体实施例振幅/相位双重调制四区域光栅±1级衍射效率的仿真曲线图，其中间隙为金属层与反射元件的间距，波长为通过光栅的光波波长，衍射效率是消除0级后的±1级的衍射效率。
图中标记符号如下所示；
1、基底；2、高基底层；3、高金属层；4、低基底层；5、低金属层；6、金属掩膜层；7、lift-off光刻胶；8、光刻胶。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“水平”、“竖直”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参阅图1至3所示，本发明实施例提供了一种用于振幅/相位双重调制的四区域光栅，具体包括基底1，在本实施例中，基底1的材料采用折射率较低的透明材料，在基底1的上表面形成光栅线条。在本实施例中，基底1沿着水平方向上光栅按照一个周期被划分成四个区域(根据周期来进行划分，光栅的每个周期被划分为四个区域，根据需要光栅可以由若干个周期组成)。光栅每个周期的四个区域从左至右依次分别为高基底层2、高金属层3、低基底层3和低金属层5(参见图1所示，在本实施例，用于振幅/相位双重调制的四区域光栅由两个周期组成，每个周期被划分成高基底层2、高金属层 3、低基底层3和低金属层5这四个区域)，在高金属层3和低金属层5的上表面均设置有金属掩膜层6。在本实施例中，高金属层3和低金属层5的上表面设置的金属掩膜层6厚度均相同。
参阅图1至3所示，在本实施例中，四个所述区域(高基底层2、高金属层3、低基底层3和低金属层5)的横向宽度相等，四个区域的基底1高度不同，低金属层5和低基底层4的高度不同；高金属层3和高基底层2的总高度相同(总高度包括基底1和金属掩膜层6的高度之和)，这样，使得整体光栅呈台阶状结构。在本实施例中，高金属层3和低金属层5是由基底 1和金属掩膜层6组成(只是高金属层3和低金属层5的基底1的深度不同)，由于基底1所采用的材料和金属掩膜层6所采用的材料不同，使得基底1和金属掩膜层6的折射率不同，且光栅在一个周期划分为四个区域，且四个区域的横向宽度相等，光栅根据所需要的周期数(每个周期包括四个区域)进行无限循环，直至所需。
参阅图1至3所示，基底1的材料采用折射率较低的透明材料构成，金属掩膜层6所使用材料的折射率大于基底1采用材料的折射率。具体的，在本实施例中基底1的材料优选石英片(SiO2)；金属掩膜层6采用的材料优选为金属铬(Cr)或氧化铬(Cr2O3)，当然基底1和金属掩膜层6材料的选择可以实际情况来选择，从而可以更加灵活地控制光栅的相位。本实施例中，四个所述区域的宽度均为为1μm，其深度介于350nm-500nm之间。
在本实施例中，图4为本发明中用于振幅/相位双重调制的四区域的光栅±1级衍射效率的仿真曲线图。其中，横坐标的间隙为金属层与反射元件的间距，波长为通过光栅的光波波长；纵坐标的衍射效率是消除0级后的±1级的衍射效率。由于光栅被划分成四个区域能够提高光强和相位双重控制的精确性，从而能够减少0级光的衍射效率，将能量集中到±1级时，能够提升光栅干涉仪等系统的信号对比度和信噪比。
参阅图2所示，在本发明实施例中提供一种振幅/相位双重调制四区域光栅的制作方法，具体制作方法包括以下步骤：
步骤S1：在本实施例中，在进行光栅制作前要对基底1进行前序清洗处理，具体过程为：
步骤S101：将双面抛光石英基底材料放置于培养皿中，采用酒精超声清洗后，用去离子水冲洗干净，氮气枪吹干；
步骤S102：用丙酮超声清洗后，同样用去离子水冲洗干净、吹干；再次，在用玻璃液超声清洗后，再用脱脂棉擦拭，用去离子水冲洗干净、吹干；
步骤S103：用去离子水超声清洗后，去离子水冲洗、吹干；然后放置于烘箱中烘干基底材料表面水分。
在步骤S1对基底1进行前序清洗完成后，开始通过步骤S2制备低金属层，制备低金属层具体包括以下几个步骤：
步骤S201：如图2(1)所示，将清洗后干净的双面抛光石英基底表面旋涂第一层lift-off光刻胶(LOR5A)，厚度为500nm，170℃烘干，需要冷却10分钟(其中lift-off光刻胶7的主要作用是起到过渡层的作用，使其剥离工艺顺利进行)后，才可以进行其上的掩膜光刻胶的旋涂工作，其旋涂刻蚀陡直度好的光刻胶(AZ3100)，厚度1μm，100℃烘干，冷却5-10分钟；
步骤S202：图2(2)所示，利用光刻机对双层胶进行光刻、显影，形成光刻胶图像，注意lift-off光刻胶7相当于过渡层，其可以溶于显影液，因此不会对整个工艺造成影响；
步骤S203：图2(3)所示，利用反应离子刻蚀机中的SF6气体进行刻蚀，刻蚀深度450nm；
步骤S204：图2(4)所示，采用磁控溅射镀膜机进行第一次金属铬膜的镀制，厚度为100nm；
步骤S205：如图2(5)所示，利用lift-off工艺去除光刻胶8。
经过步骤S201-步骤S205，完成低金属层的制备。
在完成步骤S2的基础上，开始通过步骤S3制备高金属层，制备高金属层具体包括以下几个步骤：
步骤S301：如图2(6)所示，旋涂第二次lift-off光刻胶，烘胶后冷却，在其上旋涂光刻胶作为第二次掩膜，进行图形化光刻、显影；
步骤S302：如图2(7)所示，采用反应离子刻蚀机的SF6气体进行第二次刻蚀，刻蚀深度为100nm；
步骤S303：如图2(8)所示，溅射镀膜机沉积金属铬作为第二次掩膜；
步骤S304：如图2(9)所示，第二次采用lift-off工艺去掉光刻胶。
经过步骤S301-步骤S304，完成高金属层的制备。
在完成步骤S3的基础上，通过步骤S4完成四区域光栅的整体制作，具体包括以下几个步骤：
步骤S401：如图2(10)所示，旋涂第三次lift-off光刻胶，烘胶后冷却，在其上旋涂光刻胶作为第三次掩膜，进行图形化光刻、显影；
步骤S402：如图2(11)所示，采用反应离子刻蚀机的SF6气体进行第三次刻蚀，刻蚀深度为450nm；
步骤S403：如图2(12)所示，剥离残余光刻胶，完成振幅/相位双重调制四区域光栅制作过程。
在本实施例中，由于光栅台阶均是通过刻蚀基底材料来实现的，刻蚀深度均在1μm以下，在制作过程中采用了陡直度好的光刻胶，因此可以精确控制刻蚀台阶侧壁陡直度，该制作方法可以进行量化控制，在制作的过程中不需要价格高昂的设备(比如电子束光刻设备等)进行工艺光刻，因此制制作成本低，光栅的制作方法中采用了双层胶工艺，有效地保证了lift-off(剥离)工艺后，基底表面的光刻胶等去除的很干净。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限定本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于振幅/相位双重调制的四区域光栅，包括基底(1)，其特征在于：所述基底(1)的材料采用折射率较低的透明材料构成；所述基底(1)沿着水平方向上光栅按照一个周期被划分成四个区域；光栅的每个所述区域横向宽度相等，四个所述区域的基底(1)高度不同；四个所述区域从左至右依次分别为高基底层(2)、高金属层(3)、低基底层(4)和低金属层(5)；在所述高金属层(3)和低金属层(5)的上表面均设置有金属掩膜层(6)；所述低金属层(5)和低基底层(4)的高度不同；所述高金属层(3)和高基底层(2)的总高度相同。
2.根据权利要求1所述的用于振幅/相位双重调制的四区域光栅，其特征在于：光栅的每个所述区域的横向宽度1μm，四个所述区域的深度介于350nm-500nm之间。
3.根据权利要求1所述的用于振幅/相位双重调制的四区域光栅，其特征在于：所述金属掩膜层(6)所使用材料的折射率大于所述基底(1)采用材料的折射率。
4.根据权利要求3所述的用于振幅/相位双重调制的四区域光栅，其特征在于：所述基底(1)采用的材料为石英，所述金属掩膜层(6)采用的材料为金属铬。
5.根据权利要求1至4任一项所述的用于振幅/相位双重调制的四区域光栅，其特征在于：所述高金属层(3)和低金属层(5)的上表面设置的金属掩膜层(6)厚度相同。
6.根据权利要求1至5任一项所述的光栅的制作方法，其特征在于，包括：
步骤一：基底处理：双面抛光石英基底，清洗、烘干；
步骤二：制备低金属层，具体包括以下步骤：
(1)旋涂lift-off光刻胶，烘胶、冷却后，在其上旋涂光刻胶作为第一次掩膜，进行图形化光刻；
(2)采用反应离子刻蚀机第一次刻蚀；
(3)沉积金属铬作为第一次掩膜；
(4)利用lift-off工艺去掉光刻胶；
步骤三：制备高金属层，具体包括以下步骤：
a、旋涂第二次lift-off光刻胶，烘胶、冷却后，在其上旋涂光刻胶作为第二次掩膜，进行图形化光刻；
b、采用反应离子刻蚀机第二次刻蚀；
c、沉积金属铬作为第二次掩膜；
d、第二次采用lift-off工艺去掉光刻胶；
步骤四：完成四区域光栅制作，具体包括以下步骤：
A、旋涂第三次lift-off光刻胶，烘胶、冷却后，在其上旋涂光刻胶作为第三次掩膜，进行图形化光刻
B、采用反应离子刻蚀机第三次刻蚀；
C、剥离残余光刻胶，完成振幅/相位双重调制四区域光栅制作过程。
7.根据权利要求6中所述的用于振幅/相位双重调制的四区域光栅的制作方法，其特征在于，所述步骤一中基底处理的过程为：
(1)将双面抛光石英基底材料放置于培养皿中，采用酒精超声清洗后，用去离子水冲洗干净，氮气枪吹干；
(2)用丙酮超声清洗后，同样用去离子水冲洗干净、吹干；再次，在用玻璃液超声清洗后，再用脱脂棉擦拭，用去离子水冲洗干净、吹干；
(3)用去离子水超声清洗后，去离子水冲洗、吹干；然后放置于烘箱中烘干基底材料表面水分。
8.根据权利要求6中所述的用于振幅/相位双重调制的四区域光栅的制作方法，其特征在于，所述步骤二、步骤三和步骤四中图形化光刻的步骤包括具体为：在基底上旋涂lift-off光刻胶，烘胶后冷却，在其上旋涂光刻胶作掩膜，利用掩膜版图形对所述光刻胶进行曝光和显影，在所述基底上形成光刻图形。
9.根据权利要求8中所述的用于振幅/相位双重调制的四区域光栅的制作方法，其特征在于，在图形化光刻的步骤中，lift-off光刻胶涂覆在基底表面，掩膜光刻胶涂覆在lift-off光刻胶之上。
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