CN114185122B - 一种闪耀光栅的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种闪耀光栅的制备方法，该闪耀光栅的制备方法包括：在基材上制作第一掩模；采用第一入射角对所述第一掩模进行离子束倾斜刻蚀，得到第二掩模；采用第二入射角对所述第二掩模进行离子束倾斜刻蚀，得到闪耀光栅。该方法通过第一次离子束刻蚀得到第二掩模，通过控制第一次离子束入射角来控制第二掩模的底角，从而控制闪耀光栅的某一底角；再通过对第二掩模进行离子束刻蚀得到闪耀光栅，通过控制第二次离子束入射角来控制闪耀光栅的另一底角。因此，可以实现对闪耀光栅的第一底角和第二底角的同时控制，可以提高设计的自由度，有利于对光栅的衍射性能的优化。

Description

一种闪耀光栅的制备方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种闪耀光栅的制备方法。

背景技术

闪耀光栅是一种衍射光学器件，当光栅槽形的断面结构非对称时，光栅的衍射光能量便会相对集中在某一方向上，从这个方向探测衍射光能量时所探测到的光强远高于其它方向，这种现象称为光栅的闪耀，这种光栅被称为闪耀光栅。闪耀光栅具有色散和光波耦入的作用，在光谱仪和虚拟现实/增强现实等领域中都有重要的应用。

图1为现有技术中光栅的槽型示意图，如图1所示，光栅在几何上表现为一个维度的周期性结构。其结构单元的横截面形状是三角形，这种非对称的槽形可以将尽可能多的入射光能量衍射到某个特定级次中。三角形的底角ω称为第一底角(或反闪耀角)；三角形中的底角θ称为第二底角(或闪耀角)。

制备闪耀光栅的技术主要包括机械刻划、全息离子束刻蚀法、同质掩模法等工艺，各有优缺点如下：

机械刻划法，此工艺用特定形状的金刚石作为刀头，直接对材料进行切削，以获得所需要的光栅槽形。这种工艺难以制造高线密度的光栅，而且制作成本高、周期长，容易产生鬼线和杂散光。

全息离子束刻蚀法，此工艺步骤如下：在基板上旋涂光刻胶后进行全息曝光，显影后得到光刻胶掩模。然后使用离子束倾斜刻蚀光刻胶掩模，利用倾斜的离子束和光刻胶的遮挡作用形成闪耀面。通过改变离子束入射角，实现对光栅闪耀角的调控。这种工艺制作的光栅具有线密度高、杂散光低、无鬼像的优点。缺点是对光刻胶掩模的形状要求极高，因此对匀胶、曝光、显影等过程具有非常高的要求，制作难度较高。

同质掩模法，此工艺是对全息离子束刻蚀法的改进，在得到光刻胶掩模后，先让离子束正入射刻蚀光刻胶掩模，得到对称梯形的同质掩模。然后使用倾斜的离子束刻蚀光栅掩模，利用倾斜的离子束和同质掩模的遮挡作用形成闪耀面。通过改变离子束入射角，控制闪耀角的大小。这种工艺可以解决对光刻胶掩模形状要求高的问题，增大工艺区间，降低工艺难度。

上述加工方法中，机械刻划法难以制备高线密度的光栅，而后两种工艺虽然可以实现高密度光栅的制备，但只能对光栅的闪耀角进行控制，不仅加工自由度仍然受限，而且影响光栅性能。

上述缺陷是本领域技术人员期望克服的。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种闪耀光栅的制备方法，解决现有技术中只能对闪耀光栅的闪耀角的大小进行控制，影响光栅性能的问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明提供一种闪耀光栅的制备方法，包括：

在基材上制作第一掩模；

采用第一入射角对所述第一掩模进行离子束刻蚀，得到第二掩模；

采用第二入射角对所述第二掩模进行离子束刻蚀，得到闪耀光栅。

在本发明的一种示例性实施例中，所述第二掩模的断面为梯形，其中梯形具有第一底角和第二底角。

在本发明的一种示例性实施例中，所述第二掩模的断面为平行四边形，其中平行四边形具有第一底角和第二底角。

在本发明的一种示例性实施例中，通过调节第一入射角来调节闪耀光栅的第一底角或第二底角的角度值。

在本发明的一种示例性实施例中，通过调节所述第二掩模的占宽比，确定所述闪耀光栅的槽型为三角形或梯形，其中所述占宽比为断面呈梯形或平行四边形的第二掩模的上底长度与槽型间距的比值。

在本发明的一种示例性实施例中，所述第二入射角与所述第一入射角的入射方向为同侧，所形成的所述闪耀光栅中第一底角或第二底角其中之一为钝角或直角。

在本发明的一种示例性实施例中，通过调节所述第二入射角来调节所述闪耀光栅的第二底角的角度值。

在本发明的一种示例性实施例中，所述第二入射角与所述第一入射角的入射方向为不同侧，所形成的闪耀光栅中第一底角和第二底角均为锐角。

在本发明的一种示例性实施例中，通过调节所述第二入射角来调节所述闪耀光栅的第一底角的角度值。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明实施例提供的闪耀光栅的制备方法，该方法通过第一次离子束倾斜刻蚀得到第二掩模，通过控制离子束入射角来控制第二掩模的底角，从而控制闪耀光栅的第一底角或第二底角；再通过对第二掩模进行离子束刻蚀得到闪耀光栅，通过控制离子束入射角来控制闪耀光栅的另一底角。因此，可以实现对闪耀光栅的第一底角和第二底角的同时控制，可以提高设计的自由度，有利于对光栅的衍射性能的优化。在制备过程中具有较大的工艺容差区间，可以制得杂散光低、线密度高、无鬼线的闪耀光栅。

附图说明

图1为现有技术中光栅的槽型示意图；

图2为本发明实施例中提供的一种闪耀光栅的制备方法的步骤流程图；

图3为本发明实施例提供的制备方法的工艺过程示意图；

图4为本发明提供的闪耀光栅的制备方法中使用的刻蚀系统示意图；

图5为本发明提供的闪耀光栅的制备方法中第一次离子束刻蚀后的第二掩模槽形示意图掩模槽形示意图；

图6为本发明一实施例中两次倾斜刻蚀的入射角为同侧时得到的闪耀光栅槽形示意图；

图7为本发明一实施例中两次倾斜刻蚀的入射角为不同侧时得到的闪耀光栅槽形示意图；

图8为本发明另一实施例中提供的两次倾斜刻蚀的入射角为同侧时得到的梯形闪耀光栅槽形示意图；

图9为本发明另一实施例中提供的两次倾斜刻蚀的入射角为不同侧时得到的梯形闪耀光栅槽形示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

全息离子束刻蚀法、同质掩模法只能对光栅的闪耀角进行控制，无法实现闪耀角和反闪耀角的同时控制。在光栅的设计和应用中，如果能做到对槽形两个底角的同时控制，可以提高设计的自由度，对光栅的衍射性能的优化具有非常重要的意义。

针对现有全息离子束刻蚀工艺无法实现对闪耀光栅第一底角和第二底角同时控制的困境，本发明提出一种新的闪耀光栅的制备方法，这种工艺方式可以对第一底角和第二底角进行同时控制。

图2为本发明实施例中提供的一种闪耀光栅的制备方法的步骤流程图，如图2所示，该闪耀光栅的制备方法包括以下步骤：

如图2所示，在步骤S101中，在基材上制作第一掩模；

如图2所示，在步骤S102中，采用第一入射角对所述第一掩模进行离子束刻蚀，得到第二掩模；

如图2所示，在步骤S103中，采用第二入射角对所述第二掩模进行离子束刻蚀，得到闪耀光栅。

基于上述制备方法，通过第一次离子束刻蚀得到第二掩模，通过控制离子束入射角来控制第二掩模的底角，从而控制闪耀光栅的某一底角(第一底角或第二底角)，再通过对第二掩模进行离子束刻蚀得到闪耀光栅，通过控制离子束入射角来控制闪耀光栅的另一底角。

以下对图2所示制备方法进行详细介绍：

在步骤S101中，在基材上制作第一掩模。一种可能的制作方式为：在基材上进行涂胶、曝光和显影，具体步骤如下所述。

在基材进行涂胶之前进行表面清洁，利用溶液在一定条件下进行清洁，去除基板表面残留的杂质，例如，可以在90℃恒温条件下利用溶液进行超声处理，清洁时长为2小时。

在清洁后的基板表面，旋涂厚度合适的光刻胶，并进行曝光，所采用的曝光方式可以是全息干涉曝光、掩模板曝光、激光直写、电子束曝光等所有可能的曝光方式中的任意一种。曝光的光强与时间需要准确控制，这对显影后得到的第一掩模的占宽比和形状非常重要。

在本发明的一种示例性实施例中，所采用的曝光方式为全息干涉曝光。采用全息干涉曝光法制作光栅时，使用两束具有一定波长和夹角的光在光刻胶上形成干涉条纹，光刻胶可以记录干涉条纹的明暗信息。这种方法设备简单，成本低。使用掩模板曝光或电子束曝光等可以产生直明暗相间曝光条纹的曝光技术也可以用来对光刻胶进行曝光。曝光后的样品放入显影液中进行显影，得到光刻胶掩模。

在步骤S102中，采用第一入射角对所述第一掩模进行离子束刻蚀，得到第二掩模。

在本发明的一种示例性实施例中，该步骤中的离子束刻蚀为倾斜刻蚀，所述第二掩模的断面为梯形，其中梯形具有第一底角和第二底角。

在本发明的另一种示例性实施例中，所述第二掩模的断面还可以为平行四边形，其中平行四边形具有第一底角和第二底角。

在本发明的一种示例性实施例中，通过调节第一入射角来调节闪耀光栅的第一底角或第二底角的角度值；所述闪耀光栅的第一底角与第一入射角的角度近似相等。

在本发明的一种示例性实施例中，加工过程中还可以根据需要，通过在线监测的方式等对光刻胶的占宽比进行精确控制，进而可以调节所述第二掩模的占宽比，该占宽比可以决定所制作闪耀光栅的槽型为三角形或梯形，其中所述占宽比为断面呈梯形或平行四边形的所述第二掩模的上底长度与槽型间距的比值。该步骤中通过第一次离子束倾斜刻蚀得到的第二掩模的某一底角近似等于闪耀光栅的某一底角。

需要说明的是，除本发明实施例之外，其他可以得到第二掩模的方式也可以满足使用要求。该步骤中第二掩模的加工还可以通过倾斜刻蚀铬掩模等金属掩模等方式得到；或者可以通过聚焦离子束技术得到倾斜掩模。任何可以得到S102步骤所述第二掩模的方式都可以满足使用要求。

在步骤S103中，采用第二入射角对所述第二掩模进行离子束刻蚀，得到闪耀光栅。

在本发明的一种示例性实施例中，该步骤中的离子束刻蚀为倾斜刻蚀，所述第二入射角与所述第一入射角的入射方向可以为同侧或不同侧。

当所述第二入射角与所述第一入射角的入射方向为同侧时，所形成的所述闪耀光栅中第一底角或第二底角其中之一为钝角或直角。这种情况下，可以通过调节所述第二入射角来调节所述闪耀光栅的第二底角的角度值。

当所述第二入射角与所述第一入射角的入射方向为不同侧时，所形成的闪耀光栅中第一底角和第二底角均为锐角。这种情况下，通过调节所述第二入射角来调节所述闪耀光栅的第一底角的角度值。

该步骤利用离子束倾斜入射刻蚀第二掩模，得到闪耀光栅，是实现对另一底角控制的关键步骤。离子束倾斜入射的角度需要被精确控制，它直接决定另一底角的大小。

图3为本发明实施例提供的一种可能的制备方法的工艺过程示意图，结合图3对闪耀光栅的制备过程进行介绍：

1)对基板进行清洗处理。一个可能的实施例是：将基板浸没在浓硫酸与双氧水按比例混合的溶液中，进行90℃恒温超声处理，时长为2h。目的是去除基板表面残留的杂质。

2)对基板进行灰化处理。一个可能的实施例是：使用等离子清洗机，以氧气为工作气体对基板进行等离子清洗，目的是改善基板表面亲水性。完成该步骤后的基板如图3(a)所示。

3)对基板进行匀胶处理。使用匀胶设备，在基板上覆盖一层厚度均匀的光刻胶，胶厚在10nm到1000nm之间。涂好胶后的样品放入90℃烘箱中烘烤30分钟。如图3(b)所示。

4)使用全息曝光系统对样品进行曝光。曝光系统种类不同，任意可形成全息干涉场的曝光方式都可以，但是曝光的光强与时间需要精确控制。

5)对基板进行显影处理。将曝光后的样品放入显影液中，经过一定时间后取出。通过控制显影的时间来控制光刻胶掩模的占宽比，显影后的样品如图3(c)所示。

6)对基板进行后烘处理。将显影过后的基板使用烘箱烘烤30min，烘烤温度为90℃。

7)对基板进行灰化处理。使用等离子清洗机对样品进行灰化，去除基板基底残留的光刻胶(即底胶)，并控制光刻胶掩膜的占宽比，得到第一掩模。

8)对第一掩模进行第一次离子束倾斜刻蚀处理。图4为本发明提供的闪耀光栅的制备方法中使用的刻蚀系统示意图，如图4所示，从离子源发出的均匀离子束对光刻胶掩模进行倾斜刻蚀。样品固定在旋转工作台上，通过调节旋转台的角度控制离子束入射角为按照如图3(d)所示的第一次离子束倾斜刻蚀处理，得到第二掩模。图5为本发明提供的闪耀光栅的制备方法中第一次离子束刻蚀后的第二掩模槽形示意图，如图5所示，梯形的左底角α和右底角β由离子束倾斜入射角/>直接控制。工作气体的成分与比例也对左右底角有影响，通常固定气体的成分与比例，调节入射角/>即第一入射角。

需要说明的是，本实施例的图5是以平行四边形的第二掩模为例对加工原理进行介绍，其他形状的第二掩模方法类似，此处不做赘述。

如图5所示，占宽比为断面为平行四边形的第二掩模的上底长度m与与槽型间距d的比值。

9)对第二掩模进行第二次离子束倾斜刻蚀处理。刻蚀系统与第一次相同，通过调制转台的角度调整离子束入射角即第二入射角。两次倾斜刻蚀的入射角可以同侧或不同侧。

第一种情况，如果本次离子束入射方向与第一次离子束入射方向在法线同一侧，过程示意图如图3(e)(f)所示。图6为本发明一实施例中两次倾斜刻蚀的入射角为同侧时得到的闪耀光栅槽形示意图，如图6所示，第一底角(反闪耀角)为ω，由于掩模的材料与基底材料相同，所以ω与第二掩模的底角β近似相等，通过调整入射角来控制β，从而实现对第一底角ω的控制。通过调整第二次刻蚀的离子束入射角/>实现对第二底角(闪耀角)θ的控制。

第二种情况，如果本次离子束入射方向与第一次离子束入射方向在法线不同侧，过程示意图如图3(g)(h)所示。图7为本发明一实施例中两次倾斜刻蚀的入射角为不同侧时得到的闪耀光栅槽形示意图，如图7所示，第二底角为θ，由于掩模的材料与基底材料相同，所以θ与第二掩模的底角α相等，通过调整入射角来控制α，从而实现对第二底角θ的控制。通过调整第二次刻蚀的离子束入射角/>实现对第一底角ω的控制。

10)对基板进行清洗处理。将刻蚀后的基板使用浓硫酸与双氧水的混和溶液进行超声90℃恒温水浴清洗，时长2h，深度去除光刻胶以及刻蚀溅射在表面的杂质。

上述制备方法中，还可以通过调整第二掩模的占宽比，可以使得闪耀光栅的断面形状从三角形变为梯形，图8为本发明另一实施例中提供的两次倾斜刻蚀的入射角为同侧时得到的梯形闪耀光栅槽形示意图，如图8所示，第一底角为ω；图9为本发明另一实施例中提供的两次倾斜刻蚀的入射角为不同侧时得到的梯形闪耀光栅槽形示意图，如图9所示，第二底角为θ。

综上所述，采用本发明实施例提供的闪耀光栅的制备方法，具有以下效果：

通过第一次离子束倾斜刻蚀得到第二掩模，通过控制第一次离子束入射角来控制第二掩模的底角，从而控制闪耀光栅的某一底角；通过对第二掩模进行离子束倾斜刻蚀得到闪耀光栅，通过第二次控制离子束入射角来控制闪耀光栅的另一底角。因此，可以实现对闪耀光栅的第一底角(反闪耀角)和第二底角(闪耀角)的同时控制，可以提高设计的自由度，有利于对光栅的衍射性能的优化。在制备过程中具有较大的工艺容差区间，可以制得杂散光低、线密度高、无鬼线的闪耀光栅。通过在线监测对光刻胶占宽比的精确控制，决定同质掩模的占宽比，进而可以根据需要控制闪耀光栅的槽形为三角形或梯形。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”，可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”，可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”，可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种闪耀光栅的制备方法，其特征在于，包括：

在基材上制作第一掩模；

采用第一入射角对所述第一掩模进行离子束刻蚀，得到第二掩模；并通过控制所述第一入射角来控制闪耀光栅的第一底角或第二底角的其中之一；

采用第二入射角对所述第二掩模进行离子束刻蚀，得到闪耀光栅；并通过控制所述第二入射角来控制闪耀光栅的所述第一底角或第二底角中的另一个；

所述第二入射角与所述第一入射角的入射方向为同侧，得到的所述闪耀光栅中第一底角或第二底角其中之一为钝角或直角；或者，

所述第二入射角与所述第一入射角的入射方向为不同侧，得到的所述闪耀光栅中第一底角和第二底角均为锐角。

2.如权利要求1所述的闪耀光栅的制备方法，其特征在于，所述第二掩模的断面为梯形，其中梯形具有第一底角和第二底角。

3.如权利要求1所述的闪耀光栅的制备方法，其特征在于，所述第二掩模的断面为平行四边形，其中平行四边形具有第一底角和第二底角。

4.如权利要求2或3所述的闪耀光栅的制备方法，其特征在于，通过调节第一入射角来调节闪耀光栅的第一底角或第二底角的角度值。

5.如权利要求4所述的闪耀光栅的制备方法，其特征在于，通过调节所述第二掩模的占宽比，确定所述闪耀光栅的槽型为三角形或梯形，其中所述占宽比为断面呈梯形或平行四边形的第二掩模的上底长度与槽型间距的比值。

6.如权利要求2或3所述的闪耀光栅的制备方法，其特征在于，当所述第二入射角与所述第一入射角的入射方向为同侧时，所形成的所述闪耀光栅中第一底角或第二底角其中之一为钝角或直角，通过调节所述第二入射角来调节所述闪耀光栅的第二底角的角度值。

7.如权利要求2或3所述的闪耀光栅的制备方法，其特征在于，当所述第二入射角与所述第一入射角的入射方向为不同侧时，所形成的闪耀光栅中第一底角和第二底角均为锐角，通过调节所述第二入射角来调节所述闪耀光栅的第一底角的角度值。