CN1236331C - 一种用于偏振分束/合束的纳米级光栅及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于偏振分束/合束的纳米级光栅及其制作方法，其纳米级光栅的金属栅条位于沟槽底部，并在光栅结构的上层沉积一层与衬底同质的保护膜。纳米级光栅的制作方法包括以下步骤：(1)首先用同步辐射X射线光刻方法制作基本纳米光栅；(2)在纳光光栅表面均匀镀制具有高反射性的金属膜；(3)用离子束倾斜刻蚀方法去掉光栅脊背上的金属膜；(4)用沉积方法将与衬底同质的材料覆盖在光栅表面。先采用倾斜角度的方法将材料沉积在光栅脊背上搭桥，再将沉积材料覆盖在光栅表面。使金属光栅具有较理想的坚固表面和可靠的保护覆盖层。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于偏振分束/合束的纳米级光栅及其制作方法，具体涉及一种利用纳米级人工光学晶体材料制作微光学器件，特别是用于偏振分束/合束纳米级光栅的设计和制作方法。
背景技术
在2002年美国NFOEC会议上NanoOpto公司演示了采用纳米级人工光学晶体材料制作的光偏振分束器/合束器，其性能已达到甚至优于采用传统双折射材料制作的器件。受到光通信器件行业的普遍关注。其纳米光学晶体材料样品已进入许多大型光器件厂商的实验室。
采用纳米级人工光学晶体制作光通信用偏振分束/合束器只是纳米光学晶体的一个简单应用。利用它表面的纳米级光栅将P偏振光和S偏振光分开或合并的功能，还可以用来构成光开关、电控可调光衰减器、Interleaver、光循环器等各种光通信系统的基本元器件。对于可见光和近红外光而言，当光栅的加工能力从微米量级提高到纳米量级时，以往人们熟悉的光衍射效应这时完全消失。这种纳米级光栅对入射光波长不敏感，却对入射光的偏振态十分敏感，它的第一个应用是可以作为一种人造双折射晶体材料，对于两种偏振光的折射率可以写为：
IE模 nte 2＝fn1 2+(1-f)n2 2
TM模 ntm 2＝n1 2n2 2/[fn2 2+(1-f)n1 2]
其中n1是光栅衬底材料的折射率，n2是光栅间隙中填充材料的折射率，可以是空气或者是真空。f是光栅填充因子，定义为f＝t/a。与传统的天然双折射晶体相比，这种人工晶体可以直接拿来做零级的波片，如1/4或1/2波片等等。对波长的不敏感性使它特别适合于用来构造宽带的光通信器件。对上述人工晶体材料稍加改造，可以制成一种直接将两种偏振态分离开或者合并的光学元件。
用光栅做偏振光分波和合波器在国外已经有报道，以前已有的美国专利包括6243199、6288840、6122103。到目前为止，国内外报道的结构主要是金属膜栅条位于光栅脊背的顶部。如美国专利6122103就是这种结构，见图1所示，光栅脊背上的金属栅条对TM模起反射作用。引入金属栅条后会造成人工材料的表面脆弱。以前虽然已有人尝试在光栅上覆盖保护膜，如美国专利6288840。但保护膜在金属栅上附着太差，实际上很难实现。因此如何保护纳米光栅的表面实际上是实现纳米光栅实用化的一个关键。
在具体实现纳米级光栅的方案上，以前纳米级光栅的制作方法主要有深紫外全息曝光，电子束曝光法和Nanoimprint技术，包括的美国专利有5772905。但上述方法制作出来的光栅要么面积较小，要么光栅的线宽不够细。因此如何突破线宽上的限制，实现纳米量级的微细加工，同时获得大面积尺寸，也是摆在纳米光栅实用化过程中的一个主要障碍。
发明内容
本发明为了克服现有技术存在的上述不足，采用同步辐射光源制作一种具有偏振光分波及合波功能的新型纳米级光栅。使纳米级光栅在大面积及线宽上均有所突破；并对纳米级光栅的结构进行改进，克服纳米级光栅在实用化过程中表面脆弱的障碍。
本发明的技术方案：本发明的用于偏振分束/合束的纳米级光栅，它由基本纳米光栅、金属栅条、保护膜依次组成，其金属栅条位于沟槽底部，并在光栅结构的上层沉积一层与基本纳米光栅同材料的保护膜。
制作用于偏振分束/合束的纳米级光栅的方法，包括以下步骤：
(1)首先用同步辐射X射线光刻方法制作基本纳米光栅；
(2)在纳光光栅表面均匀镀制具有高反射性的金属膜；
(3)去掉光栅脊背上的金属膜，使金属栅条位于沟槽底部；
(4)用沉积方法将与基本纳米光栅相同的材料覆盖在光栅表面，形成保护膜。
所述的纳米级光栅的制作方法，去掉光栅脊背上的金属膜是用离子束倾斜刻蚀方法去掉光栅脊背上的金属膜，即离子束直射方向与光栅表面不垂直，光栅倾斜的角度以避开离子束对沟槽底部金属膜的直射为准。
所述的沉积保护膜具体方法是：
(1)光栅以右倾斜角度放置，将与基本纳米光栅相同的材料沉积在光栅脊背一侧上端表面；
(2)再将光栅左倾斜放置，将与基本纳米光栅相同的材料沉积在光栅脊背另一侧上端表面，直到两端的沉积物相连；
(3)最后将光栅沉积角度扳正，即沉积方向与光栅表面垂直，沉积材料覆盖在光栅表面。
所述的纳米级光栅的金属膜是多层膜结构，即金属膜是两层或两层以上。
所述的纳米级光栅的制作方法，金属膜材料是Au-Cr薄膜，在Au膜下面先做Cr膜。
本发明的优点：新型结构的光栅具有较理想的坚固表面，可以经受一般酸、碱、有机溶剂擦洗，也可以用一般光学胶和其他光学部件粘接。它将克服纳米光栅在实用化过程中的一个主要障碍，即表面十分脆弱的问题。从而充分发挥该人工光学材料的效能，大大提高工作效率。
附图说明
图1是基本的纳米光栅结构；
图2-6是本发明实现这种新型纳米光栅的制作工艺流程示意图；
图2是采用同步辐射X射线光刻工艺实现的基本纳米光栅；
图3是在纳光光栅表面均匀镀制具有高反射性的金属膜；
图4用离子束倾斜刻蚀方法去掉光栅脊背上的金属膜；
图5去掉光栅脊背上的金属膜后的纳米光栅；
图6用沉积方法将与衬底同质的材料覆盖在光栅表面；即本发明的纳米光栅。
图7-9采用倾斜角度的方法将光栅脊背上的“桥”搭通及沉积光栅表面保护层过程示意图；
图7将光栅以右倾斜角度放置，将与衬底同质的材料沉积在光栅脊背一侧上端表面；
图8将光栅左倾斜放置，将材料沉积在光栅脊背另一侧上端表面，直到两端的沉积物相连；
图9将沉积角度扳正，沉积材料覆盖在光栅表面。
具体实施方式
本发明的主要技术基础是采用同步辐射X射线光刻工艺实现普通纳米级光栅结构。利用X射线光刻获得纳米微结构在实验室中已具有较为成熟的工艺基础，但在实用化过程中，大面积、均匀性的要求对光刻工艺提出了新的要求。通过改进光刻步进装置、深入研究光刻工艺，可以实现大面积纳米光栅的制作并保证微结构的均匀性。相对于目前采用的深紫外激光全息曝光法，其线宽可以从200nm左右改进至100nm左右。相对于电子束曝光法，在材料的面积尺寸上可以从毫米量级扩大到10厘米量级。我们采用同步辐射光源制作纳米光栅，在纳米光栅的大面积及线宽上均有重大突破。
图1是传统普通纳米光栅结构，它由基本纳米光栅1、脊背上的金属栅条1-3，1-2是光栅的脊背。
本发明的纳米光栅结构如图6：为了克服纳米光栅在实用中的表面脆弱的缺点，提出一种新结构。它的关键在于：纳米级光栅的金属栅条2-1位于沟槽底部，并在光栅结构的上层沉积一层与基本纳米光栅1衬底同质的保护膜4。
这种结构纳米级光栅的具体制作过程为：基本纳米光栅可以通过同步辐射X射线光刻方法制作；在基本纳米光栅1表面均匀镀上金属反射膜；利用离子束倾斜刻蚀或机械抛光等具有去除功能的方法去掉脊背1-2上的金属反射膜2-2；然后利用溅射或电子束蒸发或其他薄膜沉积方法，将与基本纳米光栅1相同的材料覆盖在光栅表面，形成保护膜4。
具体方法如图2-6，包括以下步骤：
(1)首先是用同步辐射X射线光刻方法制作基本纳米光栅，如图2：基本纳米光栅1、沟槽底部1-1，1-2是光栅的脊背；
(2)如图3：在基本纳光光栅1表面均匀镀制具有高反射性的金属膜2，金属材料可以是Au-Cr薄膜或者其它的金属多层膜，金属膜的结构可以是两层或两层以上，在Au膜下面先做Cr膜。之所以在Au膜下面先做Cr膜，是因为Cr膜和一般介质衬底材料附着较好。
(3)机械抛光或离子束倾斜刻蚀方法去掉光栅脊背上的金属膜2-2，如图4：由等离子体产生的离子束与被刻蚀材料间发生物理、化学反应，进行的微细加工过程叫离子束刻蚀，若调整衬底与离子束之间倾角进行微细加工，叫倾斜离子束刻蚀。即离子束直射方向与光栅表面不垂直，光栅倾斜的角度以避开离子束对沟槽底部金属膜的直射为准。刻蚀后的光栅如图5：纳米级光栅的金属栅条2-1位于沟槽底部，1-2是光栅的脊背。
(4)用倾斜沉积方法将与衬底同质的材料覆盖在光栅表面。图6即是本发明的纳米级光栅：基本纳米光栅1，位于沟槽底部的金属栅条2-1，光栅表面保护膜4。
沉积方法步骤如下：
(1)如图7：将刻蚀后的光栅以右倾斜角度放置，采用倾斜角度的沉积方法将与衬底同质的材料沉积在光栅脊背一侧上端表面4-1，3是沉积方向。
(2)如图8：再将光栅左倾斜放置，3是沉积方向，仍采用倾斜角度的方法将材料沉积在光栅脊背另一侧上端表面4-2，使光栅脊背上的“桥”搭通；
(3)如图9：最后将沉光栅扳正，沉积方向3垂直于光栅表面，光栅继续将材料沉积在光栅表面，直到有足够厚度的保护层4。
Claims (6)
1.一种用于偏振分束/合束的纳米级光栅，它由基本纳米光栅、金属栅条、保护膜依次组成，其特征在于；纳米级光栅的金属栅条位于沟槽底部，并在光栅结构的上层沉积一层与基本纳米光栅同材料的保护膜。
2.一种用于偏振分束/合束的纳米级光栅的制作方法，包括基本纳米光栅制作、镀膜、制作金属栅条、沉积保护层，其特征在于包括以下步骤：
(1)首先用同步辐射X射线光刻方法制作基本纳米光栅；
(2)在纳光光栅表面均匀镀制具有高反射性的金属膜；
(3)去掉光栅脊背上的金属膜；
(4)用沉积方法将与基本纳米光栅相同的材料覆盖在光栅表面。
3.根据权利要求2所述的纳米级光栅的制作方法，其特征在于：去掉光栅脊背上的金属膜是用离子束倾斜刻蚀方法去掉光栅脊背上的金属膜，即离子束直射方向与光栅表面不垂直，光栅倾斜的角度以避开离子束对沟槽底部金属膜的直射为准。
4.根据权利要求2或3所述的纳米级光栅的制作方法，其特征在于沉积具体方法是：
(1)光栅以右倾斜角度放置，将与基本纳米光栅相同的材料沉积在光栅脊背一侧上端表面；
(2)再将光栅左倾斜放置，将与基本纳米光栅相同的材料沉积在光栅脊背另一侧上端表面，直到两端的沉积物相连；
(3)最后将光栅沉积角度扳正，即沉积方向与光栅表面垂直，沉积材料覆盖在光栅表面。
5、根据权利要求2或3所述的纳米级光栅的制作方法，其特征在于金属膜的结构是多层膜，即金属膜是两层或两层以上。
6、根据权利要求2或3所述的纳米级光栅的制作方法，其特征在于金属膜材料是Au-Cr薄膜，在Au膜下面先作Cr膜。
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