CN117148483A - 斜齿光栅的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种斜齿光栅的制备方法，包括以下步骤：S1，选择石英玻璃作为基底，并利用电子束蒸镀技术在基底表面沉积一层薄膜材料；S2，在薄膜材料表面上形成种子层图案，其中种子层图案为若干周期性间隔设置的线条；S3，利用倾斜角沉积技术，在已形成的种子层上沉积一层具有斜齿结构的材料，以此作为掩模；S4，倾斜样台，并对样品进行离子束刻蚀，通过控制倾斜角度，使离子束与斜齿结构掩模平行入射；S5，去除掩模，得到最终的斜齿光栅结构。该方法实现了纳米尺度斜齿光栅的批量制备，并显著降低了制造成本。
Description
技术领域
本发明属于光学元件技术领域，尤其是涉及斜齿光栅的制备方法。
背景技术
斜齿光栅是一种具有周期性空间结构的高性能光学元件，其主要功能是将光线有效地耦合到光学光导中。与传统的衍射光栅不同，斜齿光栅的凹槽是以特定角度倾斜且相互平行排列的，这个角度被称为斜角。斜齿光栅在光谱学、激光束引导和电信等多个领域具有广泛的应用。其中，在虚拟现实（VR）和增强现实（AR）领域，斜齿光栅的应用尤为重要。AR技术通过将计算机生成的虚拟信息叠加到真实世界场景中，改善了人们与真实和数字世界的互动方式。这创造了超越现实的感官体验，具有巨大的未来应用和市场潜力。基于光栅衍射的衍射光学波导通常由图像显示源、投影对准系统和带有输入耦合和输出耦合光栅的平面波导组成。图像显示源产生的光经过投影对准系统的整流，然后通过光栅耦合到光波导中。当光到达输出耦合光栅时，它沿着波导传播并从波导中衍射出来，进入人眼中。同时，现实世界的光也可以进入人眼，从而产生将虚拟信息叠加在真实世界上的效果。
随着技术的进步，斜齿光栅的加工方法也得到了改进。最初，光栅的制造是通过在玻璃平面上使用金刚石刀进行机械划槽来实现的。然而，近几十年以来，集成电路制造业和微纳加工技术的进步促使出现了新的加工方法，可以制造出线密度更高、图案更复杂的衍射光栅。
目前，制造斜齿光栅的方法主要包括应用法拉第笼进行反应离子刻蚀以及应用离子束刻蚀和反应离子束刻蚀。然而，应用法拉第笼进行反应离子刻蚀的方法需要特定的设备，并且仅适用于小范围的斜齿光栅批量加工。另一方面，应用离子束刻蚀结合反应离子束刻蚀可以实现大范围的斜齿光栅结构加工，但操作十分复杂。
尽管这两种方法在制造传统材料光栅（如二氧化硅，折射率n=1.5）时被广泛应用，但由于刻蚀方法的局限性，难以应用于某些特殊材料。近年来，纳米压印方法被提出用于大规模制造高折射率斜齿光栅。该方法通过在树脂中填充高折射率材料纳米颗粒（如二氧化钛，TiO2）来实现高折射率，进而进行批量生产。然而，该方案中纳米颗粒的填充程度需要严格控制，而且压印模板的使用寿命有限，图案转移过程可能存在一定的缺陷。
申请人申请的公告号为CN115598755A的专利文献公开了一种高折射率斜齿光栅的制备方法，包括：S1，在光栅衬底上形成种子层图案，种子层图案图案为若干周期性间隔设置的线条；S2，在种子层图案上利用掠射角沉积技术沉积一层斜齿光栅结构材料。步骤S1具体包括：a101，在光栅衬底上旋涂一层电子束抗蚀剂；a102，利用电子束曝光在电子束抗蚀剂层上形成设计图案；a103，曝光结束后在室温下进行显影；a104，利用反应离子刻蚀将电子束抗蚀剂层上的设计图案转移至光栅衬底，形成种子层图案；a105，利用等离子体去除残余的电子束抗蚀剂。步骤S1具体包括：b101，在光栅衬底上旋涂一层压印材料；b102，利用压印模板对压印材料进行纳米压印，形成若干周期间隔设置的线条；b103，利用等离子体去除压印材料，直到线条之间的压印材料被去除,得到压印图案；b104，利用反应离子刻蚀将压印图案上的设计图案转移至光栅衬底，形成种子层图案；b105，利用等离子体去除残余的压印材料。
该申请将倾斜角沉积技术（GLAD）用于高折射率斜齿光栅的制造。解决了应用法拉第笼进行反应离子刻蚀以及应用离子束刻蚀和反应离子束刻蚀实现斜齿光栅结构的斜齿光栅制造方法难以应用于某些特殊材料，应用纳米压印方法制造特殊材料斜齿光栅结构的斜齿光栅制造方法纳米颗粒填充的程度需要严格控制、且压印模板也有相应的使用寿命、图案转移过程中可能存在一定的缺陷的技术问题。同时，由于该工艺直接使用相应的蒸镀材料进行沉积而非进行纳米颗粒植入，因此不用担心影响材料的散射率。
为进一步提高斜齿光栅的折射率，本发明对上述技术方案作出了改进。
发明内容
本发明旨在为进一步提高斜齿光栅的折射率，提供一种斜齿光栅的制备方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
斜齿光栅的制备方法，包括以下步骤：
S1，选择石英玻璃作为基底，在基底表面使用电子束蒸镀技术沉积一薄膜材料；
S2，在薄膜材料上形成种子层图案，种子层图案图案为若干周期性间隔设置的线条；
S3，利用倾斜角沉积技术，在形成的种子层上沉积一层具有斜齿结构的材料作为掩模；
S4，倾斜样台，并进行离子束刻蚀，通过控制倾斜角度，使离子束与斜齿结构掩模平行入射；
S5，去除掩模，得到最终的斜齿光栅。
作为一种优选的技术方案，步骤S2具体包括：
A201，在薄膜材料上旋涂一层电子束抗蚀剂；
A202，利用电子束曝光在电子束抗蚀剂层上形成设计图案；
A203，曝光结束后在显影液里进行显影；
A204，通过电子束蒸镀技术沉积一层种子层材料，并在有机溶剂中进行剥离，形成种子层图案。
作为一种优选的技术方案，步骤S2具体包括：
B201，在薄膜材料上旋涂一层压印材料；
B202，利用压印模板对压印材料进行纳米压印，形成若干周期性间隔设置的线条；
B203，利用等离子体去除压印材料，直到线条之间的压印材料被去除，得到压印图案；
B204，通过电子束蒸镀技术沉积一层种子层材料，并在有机溶剂中进行剥离，形成种子层图案。
作为一种优选的技术方案，步骤S2中，所述薄膜材料为TiO2薄膜。
作为一种优选的技术方案，步骤S2中，所述薄膜材料为HfO2/SiO2薄膜，薄膜材料中SiO2占比为12%-16%。
作为一种优选的技术方案，步骤A201中，电子束抗蚀剂为ZEP520A电子束抗蚀剂，并在热板上以160-180℃烘烤3-5分钟。
作为一种优选的技术方案，所述种子层材料为Cr。
作为一种优选的技术方案，所述压印材料为聚苯乙烯。
采用上述技术方案后，本发明具有如下优点：
本发明首先在衬底上沉光栅材料薄膜，并通过光刻和随后的蒸镀和剥离步骤形成种子层图案。然后，借助倾斜角沉积技术，将规则的斜齿结构作为掩模进行沉积。最后，利用具有倾斜角度的离子束刻蚀对光栅材料进行加工，形成斜齿光栅结构。
本发明提出了一种结合光刻、倾斜角沉积和离子束刻蚀的新型制备斜齿光栅的方法。该方法实现了纳米尺度斜齿光栅的批量制备，并显著降低了制造成本。在本技术方案中，首先应用光刻技术制备种子层图案。如果要获得更高的精确度，可以采用电子束光刻或纳米压印技术，以确保沉积得到的图案的均匀性。
附图说明
图1为实施例1的一种斜齿光栅的制备方法的步骤流程图；
图2为实施例2的一种斜齿光栅的制备方法的步骤流程图；
图中：
1-石英玻璃；2-TiO2薄膜；3-电子束抗蚀剂；4-电子束；5-Cr种子层；6-Cr蒸镀源；7-蒸镀角度；8-斜齿Cr结构；9-离子束；10-离子束刻蚀倾角；11-HfO2/SiO2薄膜；12-聚苯乙烯；13-压印模板。
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。
实施例1
实施例1提供一种斜齿光栅的制备方法，具体是用于制备TiO（n=2.3）斜齿光栅，如图1所示，具体步骤包括：
1.如图1a所示，选择石英玻璃1作为基底。
2.如图1a所示，在基底上使用电子束蒸镀技术沉积一层TiO薄膜2。薄膜的厚度由蒸镀速率和蒸镀时间确定。
3. 如图1a所示，在TiO薄膜2上旋涂一层ZEP520A（1:1苯甲醚稀释）电子束抗蚀剂3，并在热板上以180℃烘烤3分钟。
4. 如图1a、1b所示，利用电子束4曝光，曝光剂量为350μC/cm2，在TiO薄膜2上形成设计图案。在此实施例中，ZEP520A设计图案的尺寸为250nm宽，周期为400nm。
5.将样品浸没于室温下的ZED-N50显影液中，进行显影90秒。完成显影后，用去离子水冲洗并吹干。
6.如图1c、1d所示，通过电子束蒸镀技术沉积一层30nm厚的金属Cr，并在有机溶剂中进行剥离，形成Cr种子层5。
7.如图1e所示，利用倾斜角沉积（GLAD）技术在Cr种子层5上方沉积Cr。通过电子束将Cr蒸镀源6沉积在Cr种子层5上方，蒸镀角度7为85°。通过此步骤得到周期为400nm，倾角约为55°的斜齿Cr结构8。
8.如图1f所示，将样品倾斜，使得离子束9与斜齿Cr结构8平行入射，并进行离子束刻蚀。离子束刻蚀倾角10也为55°，以确保离子束9平行于斜齿Cr结构8入射。
9.如图1g所示，在Cr刻蚀剂中去除剩余的Cr掩模，得到周期为400nm，倾斜角为约55°，占空比为约0.375的TiO斜齿光栅结构。
按照本实施例实施可实现斜齿光栅的批量制备。
实施例2
实施例2提供一种斜齿光栅的制备方法，具体是用于制备HfO/SiO (n=1.9)斜齿光栅，如图2所示，具体步骤包括：
1.如图2a所示，选择石英玻璃1作为基底。
2.如图2a所示，在基底表面使用电子束蒸镀技术沉积一层HfO/SiO薄膜11。这一步骤通过同步电子束蒸镀HfO和SiO实现，其中选用Hf而非HfO作为蒸镀材料可以减少涂层的缺陷，获得更好的界面。薄膜中HfO和SiO的比例由各自的蒸镀速率控制，其中SiO占比为14%。
3.如图2a所示，在HfO/SiO薄膜表面旋涂一层聚苯乙烯12（Polystyrene），约为200nm厚。
4.如图2a、2b所示，使用准备好的压印模板13进行热纳米压印，压印条件为：温度150℃，压强10bar，时间3分钟。
5.如图2c所示，将样品降温至40℃进行脱模处理，得到结构。
6.如图2d所示，使用氧等离子体去除残余的聚苯乙烯，得到周期为200nm，宽度为150nm的聚苯乙烯图案。
7.如图2e、2f所示，通过电子束蒸镀技术沉积一层30nm厚的金属Cr，并在有机溶剂中进行剥离，形成Cr种子层5。
8.如图2g所示，利用倾斜角沉积（GLAD）技术在Cr种子层5上方沉积Cr。通过电子束将Cr蒸镀源6沉积在Cr种子层5上方，蒸镀角度7为80°。通过此步骤得到周期为200nm，倾角约为50°的斜齿Cr结构8。
9.如图2h所示，将样品倾斜，使得离子束9与斜齿Cr结构8平行入射，并进行离子束刻蚀。离子束刻蚀倾角10也为50°，以确保离子束9平行于斜齿Cr结构8入射。
10.如图2i所示，在Cr刻蚀剂中去除剩余的Cr掩模，得到周期为200nm，倾斜角为约50°，占空比为约0.25的HfO/SiO斜齿光栅结构。
通过该实施例中的工艺流程，可以实现斜齿光栅的批量制备。
对于本领域技术人员而言，很明显本发明并不受限于上述示范性实施例中的具体细节。在不违背本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪个角度来看，示范实例都应该被视为示范性的、非限制性的。本发明的范围由所附权利要求所界定，而不受上述说明的限制。因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式进行了描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案。说明书中的叙述方式仅仅是为了更加清楚的阐述，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体来理解。各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (8)
1.斜齿光栅的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1，选择石英玻璃作为基底，并在基底表面使用电子束蒸镀技术沉积一层薄膜材料；
S2，在薄膜材料上形成种子层图案，种子层图案图案为若干周期性间隔设置的线条；
S3，利用倾斜角沉积技术，在形成的种子层上沉积一层具有斜齿结构的材料作为后续刻蚀的掩模；
S4，倾斜样台，并进行离子束刻蚀，通过控制倾斜角度，使离子束与斜齿结构掩模平行入射；
S5，去除掩模，得到最终的斜齿光栅。
2.根据权利要求1所述的斜齿光栅的制备方法，其特征在于，
步骤S2具体包括：
A201，在薄膜材料上旋涂一层电子束抗蚀剂；
A202，利用电子束曝光在电子束抗蚀剂层上形成设计图案；
A203，曝光结束后在显影液里进行显影；
A204，通过电子束蒸镀技术沉积一层种子层材料，并在有机溶剂中进行剥离，形成种子层图案。
3.根据权利要求1所述的斜齿光栅的制备方法，其特征在于，
步骤S2具体包括：
B201，在薄膜材料上旋涂一层压印材料；
B202，利用压印模板对压印材料进行纳米压印，形成若干周期性间隔设置的线条；
B203，利用等离子体去除压印材料，直到线条之间的压印材料被去除，得到压印图案；
B204，通过电子束蒸镀技术沉积一层种子层材料，并在有机溶剂中进行剥离，形成种子层图案。
4.根据权利要求1所述的斜齿光栅的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述薄膜材料为TiO2薄膜。
5.根据权利要求1所述的斜齿光栅的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述薄膜材料为HfO2/SiO2薄膜，薄膜材料中SiO2占比为12%-16%。
6.根据权利要求2所述的斜齿光栅的制备方法，其特征在于，步骤A201中，电子束抗蚀剂为ZEP520A电子束抗蚀剂，并在热板上以160-180℃烘烤3-5分钟。
7.根据权利要求2或3所述的斜齿光栅的制备方法，其特征在于，所述种子层材料为Cr。
8.根据权利要求3所述的斜齿光栅的制备方法，其特征在于，所述压印材料为聚苯乙烯。
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