单层亚波长金属光栅的剥离工艺及性能分析

摘要

随着微纳加工工艺不断发展，亚波长金属光栅的特征尺寸逐渐降低，其应用领域也随之从远红外光谱领域拓展到了近红外和可见光光谱领域。多方向金属纳米光栅阵列作为偏振器件和光电探测器等设备相结合，组成的偏振角度测试样机可以利用天空的偏振光方位角进行导航。现今，该导航方式已经成为一种新兴的导航方法，不易受干扰、无积累误差等优点使其成为国内外研究的热点。本文致力于采用先进的微纳加工工艺制作出可以用于偏振角度测量的多方向单层亚波长金属光栅阵列，并将其作为感光元件应用于课题组制作的导航传感器样机中进行相关的测试。
　　本文首先利用等效布拉格腔体模型，讨论了TM偏振光和TE偏振光下亚波长金属光栅透射性能的异同。借助时域有限差分方法(FDTD)，分析了介质层的添加对金属光栅透射性能的影响，研究了透射增强现象随光栅金属层高度和入射光波长增加的变化趋势。证明了TE偏振光与TM偏振光相同，均可以在亚波长范围内出现透射异常的现象，并且介质层的添加是TE偏振光通过亚波长金属光栅产生透射增强的主要原因。
　　依据课题组对偏振器件的性能要求，设计了一种基于纳米压印工艺和剥离工艺的单层亚波长金属光栅的制作工艺流程。对各工艺步骤进行了详细地分析:讨论了基底清洗对旋涂工艺的影响;通过正交实验得到了合适的ICP刻蚀参数，用于获得侧壁垂直的剥离胶结构;提出了一种间隔超声方法，在提高了剥离工艺的效率的同时避免了长时间大功率超声对光栅结构的破坏。根据优化的工艺流程，本文在石英基底上制作了多方向的金属光栅阵列作为本课题组的偏振光导航传感器的感光元件。传感器样机的原始测角误差在±1.2°以内，经过多项式误差补偿后的测角误差在±0.45°以内。
　　为了提高传感器样机的测角精度，从光栅加工流程角度讨论了提高其偏振性能的办法，提出了一种制作单层金属光栅的改进工艺，将金属光栅在绿光下的透射率从40％提高到70％。利用改进工艺制作出的多方向金属光栅经过传感器样机测试后，得到的测角原始误差在±0.7°以内，经过多项式误差补偿后均小于±0.25°。

目录

声明

摘要

1．绪论

1．1 引言

1．2 亚波长金属光栅

1．2．1 亚波长金属光栅的理论分析

1．2．2 亚波长金属光栅的制作及应用

1．3 选题依据及意义

1．4 本论文主要研究内容

2．介质对亚波长金属光栅透射性能的影响

2．1 等效布拉格腔体模型

2．2 单层亚波长金属光栅的透射性能

2．3 双层亚波长金属光栅的TE透射率

2．4 总结

3．单层亚波长金属光栅的制作

3．1 纳米压印和剥离工艺

3．1．1 纳米压印

3．1．2 剥离工艺

3．2 单层亚波长金属光栅的制作

3．2．1 制备单层亚波长金属光栅的工艺流程

3．2．2 基底的清洗

3．2．3 旋涂以及纳米压印

3．2．4 压印胶和剥离胶的干法刻蚀

3．2．5 基于间隔超声的剥离工艺

3．3 多方向单层金属光栅的测试

3．4 总结

4．多层结构剥离工艺制作单层亚波长金属光栅

4．1 多层结构的剥离工艺

4．1．1 多层结构剥离工艺流程

4．1．2 多层结构剥离工艺中的关键工艺

4．1．3 光栅结构对比以及理论分析

4．2 基于改进工艺的单层亚波长金属光栅测试

4．2．1 测试结果以及角度误差对比

4．3 总结

5．结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢