CN1168981A - 一种在紫外吸收材料表面制作光栅的方法及其制品 - Google Patents
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Abstract
一种在紫外吸收材料表面制作光栅的方法，它是用准分子激光脉冲的干涉条纹直接作用于紫外吸收材料表面，使表面刻蚀出周期结构，制作出光栅。本方法制作的光栅，原子力显微镜表明，有波纹形的表面，有良好的周期性，刻蚀深度均匀，刻槽光滑，用本方法便于工业化制作光栅滤波器、光栅耦合器、光栅透镜或分布反馈Bragg光栅。
Description
本发明涉及一种在紫外吸收材料(有机和无机)表面制作光栅的方法及其制品。该方法可用于制作集成光学中的许多光栅器件；特别是用来制作分布反馈光波导激光器中的Bragg光栅。
尽管光刻中采用的‘两步法’过程(先制作模板，后将模板图样通过曝光腐蚀等过程后转移到样品上)可以制作集成光学所需的大部分图形，但是，模板的复制精度受到紫外光源波长衍射分辨率的影响，特别是半导体材料中制作反射光栅很不合适。因此，一次形成的方法更为有效。通常有两种技术被广泛采用，第一种是用电子束光刻将光栅直接刻在镀有一层电抗蚀膜的基片上，然后通过显影并利用湿刻的各向异性将图形转换到基片上(参见T.Fuj ita，et al，Opt.Lett.，7，1982：578)。在第二种方法中，不用模板，而采用相干的紫外激光对光敏抗蚀剂曝光。由于两束相干的光波可以产生干涉条纹，所以可以将下涉条纹直接刻在光敏抗蚀剂上，这一方法又称作全息曝光技术(参见W.W.Hg et al，IEEE Trans.Electron Devices，ED-25，1978：1193)。
可以看出，无论采用哪种方法，都必须完成对光敏抗蚀剂的曝光和对样品的刻蚀处理。由于这一过程从工艺上讲比较复杂，不能直接在样品表面获得有效的光栅条纹，所以很难实现大规模的光栅制作。
本发明的目的是提供一种有效的直接在紫外吸收材料表面刻蚀光栅的方法，使光栅制作更为简洁，从而有利于工业化生产。其制品表面更光洁，周期性更好。
本发明的技术解决方案如下：
本发明的在紫外吸收材料表面制作光栅的方法是用准分子激光脉冲的干涉条纹直接在紫外吸收材料表面制作光栅结构，即用相干的准分子结构激光脉冲形成的能量条纹轰击紫外吸收材料表面，直接刻蚀出周期的光栅结构。
准分子激光脉冲的干涉条纹可以用准分子激光脉冲透过位相光栅模板获得。
准分子激光透过光栅模板后由+1级和-1级，或-1级与0级衍射形成的周期能量分布的干涉条纹。当激光束垂直入射到模板上时，由±1级衍射光干涉形成的条纹周期为模板的一半(见图1，Λ’＝Λ/2)；当激光束以角度θ＝sin-1(λ/24)入射到模板上时，由-1级和0级衍射光相干形成周期与模板周期相同的条纹(见图2，Λ’＝Λ)。
准分子激光脉冲的干涉条纹也可以用两束相干的准分子激光脉冲以角度2α形成，干涉条纹周期为Λ＝λ/2sinα(见图3)。
使用准分子激光光栅模板可以提供高质量的干涉光束，同时这种方法简洁可靠，有利于工业化制作。但由于模板的周期受到光刻极限的限制，要获得极小的周期很困难，所以使用高质量的双光束干涉方法可以解决小周期光栅的制作问题。图4给出了一个典型的获取双光束干涉的光学系统。
位相光栅模板的制作是采用半导体工艺中常用的电子束光刻技术完成的。模板材料采用高质量的石英玻璃，以便对紫外激光有高的透过率。模板的周期和深度是根据要求设计的。按照位相光栅衍射理论，激光透过光栅后衍射级的能量分布由入射角度和光栅深度决定，当激光垂直入射到模板上时，要使能量主要分布在±1级衍射光上(0级光被抵消)，则光栅深度(h)应为：
h＝λ/2(n-1)≈270nm其中λ是紫外激光波长，n为模板的折射率。这时±1级衍射光干涉条纹周期(Λ)为模板周期(Λ)的一半，所以模板的周期Λ＝2Λ’。当激光以角度θ＝sin-1(λ/2Λ)入射到模板上时，由于0级光不能抵消，所以由0级和-1级光干涉形成的条纹周期为Λ’＝Λ。尽管模板的制作比较复杂而且要实现小周期(＜500nm)也比较困难，但是由模板形成的激光干涉条纹质量高且模板可以反复使用，光路简洁，易于实现，所以具有重要的实用价值。
本发明的光栅制作方法可以在无机紫外吸收晶体材料，如LiTaO3(LT)，ZnO，SrTi等表面上刻蚀光栅，也可以在有机高分子材料，如聚酰亚胺等表面上刻蚀光栅。
用本发明的光栅制作方法制作的光栅具有周期性好，表面成波纹形，且深度均匀，刻槽光滑等特点。
用本发明的光栅制作方法可以制作出耦合效率高的具有高质量光栅波纹面的光栅耦合器，光栅滤波器，光栅透镜(变周期光栅)或集成化光波导激光器中的分布反馈Bragg光栅。
本发明方法的特点是利用高能量的准分子激光脉冲有效地直接在紫外吸收材料表面刻蚀光栅。该方法简洁可靠，原子力显微镜表明，制作的光栅具有波纹形的表面以及良好的周期性和表面光洁度；X射线衍射表明组成光栅的晶体薄层仍维持原来的单晶结构；光波耦合特性表明，光栅同样具有较好的光学性能。
图1是准分子激光束垂直入射到模板上制作光栅的示意图；
图2是准分子激光束以角度θ＝sin-1(λ/2Λ)入射到模板上制作光栅的示意图；
图3是两束相干的激光脉冲以角度2α形成干涉条纹制作光栅的示意图；
图4是获得双光束干涉的典型光路系统示意图；
图5是用模板刻蚀光栅的装置示意图；
图6是LN单晶基片上刻蚀光栅的原子力显微镜照片。
以下通过实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：用光栅模板在LN，LT单晶薄片表面刻蚀周期结构
使用的刻蚀光学系统由KrF准分子激光器I，柱面透镜1，反射镜2和位相光栅模板3组成，它们依次如图5排列在光路上。KrF准分子激光器I的激光波长为248nm，脉冲宽度为30ns。矩形(7mm×22mm)激光束经柱面透镜1对其长边压缩，形成近似方形的光斑(7mm×7mm)，通过反射镜2后直接照射到模板3上。模板3与样品5之间放置一厚为0.5mm的光栏4。该模板3是用电子束刻蚀制成的，光栅周期为2μm，深度为270nm(模板光栅的周期和深度可根据要求设计)。当248nm的准分子激光垂直透过该光栅后由于0级衍射相互抵消(＜5％)，使主要的能量分布在±1级衍射光上(＞90％)，因此，由±1级光干涉形成的条纹质量较好，且能量集中，可以用来对紫外吸收材料表面进行条纹加工。如果0级光不能抵消，则可让激光束以一定角度入射到模板上，使0级和+1(或-1)级干涉，可以获得与模板周期一致的干涉条纹。通过控制激光脉冲的能量和焦距的位置，采用一个激光脉冲即可将放置在模板下的样品(LN和LT)表面刻出良好的光栅结构。图6是LN表面光栅的原子力显微镜照片，可以看出，光栅具有良好的周期性和较高的表面光洁度，光栅呈光滑的波纹状。光栅的X-ray分析结果表明，光栅的晶体结构仍然为良好的单晶，说明LN单晶在激光的照射下，融化形成光栅后再结晶时没有发生结构的变化，光栅将保持原有材料的各种物理性质。LT光栅的刻蚀结果与LN相似，在此不另外附图说明了。实施例2：用双光束干涉在LN，LT单晶薄片表面刻蚀周期结构。
使用的刻蚀光学系统由KrF准分子激光器I，柱面透镜1，半透半反镜6，全反镜7、8组成。它们依次如图4排列在光路上，KrF准分子激光器I发射出准分子激光，经柱面透镜1，对其长边压缩，形成近似方形的光斑，再经过半透半反镜6，使其变成两束光，半透半反镜是由石英上镀半透半反膜制成，与准分子激光入射方向成45°角度放置。两束准分子光束由全反镜7、8调整角度使其成2α，并形成干涉条纹，照射在样品5上，在样品(LN或LT)薄片表面刻蚀出周期结构，形成光栅。制作出的LN和LT光栅与实施例1的结果相似。实施例3：ZnO，SiTi单晶薄片和波导表面周期结构的刻蚀
采用与实施例1同样的系统，将抛光的ZnO，SrTi样品薄片或波导放置在图5所示的模板下面，采用单个激光脉冲刻蚀，在ZnO，SiTi样品表面同样制作出了光栅结构。实施例4：LN和LT平面和条形光栅耦合器的制作
在本实施例中，用实施例1的光学系统，先将光栅刻蚀到具有光学表面光洁度的LN或LT单晶表层，然后通过Ti扩散技术(Ti-diffused，参阅J.L.Jackel，et al.，Appl.Phys.Lett.38，1981：509)或质子交换技术(proton exchange technique，参阅J.L.Jackel，et al.，Appl.Phys.Lett.41，1982：607)在样品薄片表面(或沿与光栅条纹垂直的方向)制作出LN或LT平面(或条形)光波导。这样，高质量的平面(或条形)光栅耦合器便制成了。实施例5：LN和LT平面及条形波导中Bragg光栅的制作
集成光学中Bragg光栅的应用十分广泛，它不仅可用作光学滤波器，模式转换器，还可作为分布反馈激光器的谐振腔反射镜。因此，Bragg光栅的制作技术非常重要。J.Sochtig等报导的掺杂LN平面光波导分布反馈激光器中的Bragg光栅是采用半导体中光刻技术完成的。其制作过程复杂，成本高(见J.Sochtig，et al.，Elect ron.Lett.，31，1995：551)。采用本发明可以简化制作过程，提高制作效率，而且光栅具有较高的质量和表面光洁度。具体制作过程是：先制作出掺杂的LN条形光波导，然后采用实施例1的光学系统，用单个激光脉冲在波导的特定位置制作出Bragg光栅。模板的周期是根据Bragg反射波长的要求而设计的。当然，也可采用双光束干涉的方法进行光栅制作。实施例6：变周期光栅的制作
由于变周期光栅可以将光束会聚，因此可以用作集成光学中的光栅透镜。应用本发明同样可以制作变周期光栅，方法是先根据要求制作出变周期模板，然后采用实施例1的光学系统将模板图样复到基片上。实施例7：聚酰亚胺等有机薄膜材料表面的光栅制作
用本发明同样可以在一些紫外吸收的有机材料表面刻蚀出有效的光栅结构，本实施例便是采用与实施例1同样的光学系统，在聚合物聚酰亚胺薄膜表面用单个准分子激光脉冲刻蚀出了光栅结构。光栅在光学显微镜和原子力显微镜下同样具有良好的周期性和均匀性。目前，许多具有强光学非线性现象的有机材料被用来作为集成光学中实现光学非线性效应的材料，用本发明对其进行有效的加工(如制作聚合物光栅等)使得它们具有更大的应用价值。实施例8：紫外吸收的半导体材料表面光栅的刻蚀
许多半导体材料具有紫外吸收特性(如非晶硅，单晶和多晶硅等)，所以同样可以利用本发明在半导体表面进行光栅的制作。采用与实施例1同样的光学系统，将表面抛光的非晶硅等材料放在图5的样品位置，用单个准分子激光脉冲进行刻蚀，制作出紫外吸收的半导体材料光栅结构。
Claims (6)
1.一种在紫外吸收材料表面制作光栅的方法，其特征是用准分子激光脉冲的干涉条纹直接作用于紫外吸收材料表面，制作出光栅结构。
2.根据权利要求1所述的制作光栅的方法，其特征是准分子激光脉冲的干涉条纹用准分子激光脉冲透过位相光栅模板获得。
3.根据权利要求1所述的制作光栅的方法，其特征是准分子激光脉冲的干涉条纹用两束相干的准分子激光脉冲获得。
4.根据权利要求1所述的制作光栅的方法，其特征是紫外吸收材料是无机紫外吸收晶体材料。
5.根据权利要求1所述的制作光栅的方法，其特征是紫外吸收材料是有机高分子材料。
6.根据权利要求1所述的制作光栅方法制作的制品，其特征是刻蚀表面成波纹形的、刻蚀深度均匀、刻槽光滑的光栅滤波器、光栅耦合器、光栅透镜或分布反馈Bragg光栅。
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|---|---|
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100371741C (zh) * | 2005-11-17 | 2008-02-27 | 苏州大学 | 衍射光变图像的高速激光直写方法和系统 |
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| CN101267258B (zh) * | 2008-02-28 | 2012-11-07 | 上海理工大学 | 基于信号时域压缩的双路光信号段切换加密系统 |
| CN104775161A (zh) * | 2015-03-04 | 2015-07-15 | 信利（惠州）智能显示有限公司 | 激光晶化光路系统、低温多晶硅薄膜及其制备方法 |
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1996
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Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100498878C (zh) * | 2003-12-19 | 2009-06-10 | 中国科学院光电技术研究所 | 亚波长光栅导模共振防伪商标及其制作方法 |
| CN100371741C (zh) * | 2005-11-17 | 2008-02-27 | 苏州大学 | 衍射光变图像的高速激光直写方法和系统 |
| CN101267258B (zh) * | 2008-02-28 | 2012-11-07 | 上海理工大学 | 基于信号时域压缩的双路光信号段切换加密系统 |
| CN101975976A (zh) * | 2010-08-30 | 2011-02-16 | 北京工业大学 | 基于金属纳米颗粒的光子晶体微纳结构直写方法 |
| CN101975976B (zh) * | 2010-08-30 | 2015-03-04 | 北京工业大学 | 基于金属纳米颗粒的光子晶体微纳结构直写方法 |
| CN104775161A (zh) * | 2015-03-04 | 2015-07-15 | 信利（惠州）智能显示有限公司 | 激光晶化光路系统、低温多晶硅薄膜及其制备方法 |
| CN104775161B (zh) * | 2015-03-04 | 2017-10-13 | 信利（惠州）智能显示有限公司 | 激光晶化光路系统、低温多晶硅薄膜及其制备方法 |
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