具有法布里珀罗腔的闪耀光栅及其制造方法

摘要

本申请公开了一种具有法布里珀罗腔的闪耀光栅。该闪耀光栅包括：光栅衬底、法布里珀罗腔和多个栅条。多个栅条设置在所述光栅衬底的上表面上并彼此平行且间隔开。法布里珀罗腔设置在所述光栅衬底的上表面上且所述法布里珀罗腔腔沿所述多个栅条方向的长度小于所述多个栅条的长度。本发明的具有法布里珀罗腔的闪耀光栅，能够增强衍射光强，增强光信号。

说明书

技术领域

本发明涉及具有法布里珀罗腔的闪耀光栅及其制造方法。

背景技术

目前，常用的制备光栅结构的方法包括激光雕刻方法、纳米压印方法以及机械刻划方法。这些方法仅能够完成二维光栅结构的制备，而无法制备三维的光栅结构，且制备形成的二维光栅结构的尺寸精度较低。因此本领域需要一种形成光栅结构的方法，特别是一种取代传统的雕刻和压印的光栅形成技术，实现高精度的光栅加工。此外，目前的闪耀光栅衍射强度不足，需要一种衍射强度更高的闪耀光栅。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有法布里珀罗腔的闪耀光栅及其制造方法，该闪耀光栅具有更高的衍射强度，其制造方法能够高效且高精度地在光栅衬底上加工具有法布里珀罗腔的闪耀光栅。

具体地，本发明提供一种光栅衬底；

光栅衬底；

多个栅条，所述多个栅条设置在所述光栅衬底的上表面上并彼此平行且间隔开；

法布里珀罗腔，所述法布里珀罗腔设置在所述光栅衬底的上表面上且所述法布里珀罗腔腔沿所述多个栅条方向的长度小于所述多个栅条的长度。

在一优选实施例中，所述多个栅条为三棱柱条。

在一优选实施例中，所述三棱柱条的两侧具有不同的倾斜角。

本发明还提供一种形成具有法布里珀罗腔的闪耀光栅的方法，包括以下步骤：

提供光栅衬底，在所述光栅衬底的上表面内设有牺牲层，所述牺牲层内嵌在所述上表面内，在所述光栅衬底上方还设有表层，所述牺牲层沿第一方向的长度小于所述表层的长度；

在所述表层上沿所述第一方向形成多个沟槽，所述多个沟槽沿高度方向宽度相同且彼此等距离间隔开；

用倾斜的离子束轰击所述多个沟槽的一侧；

通过蚀刻去除所述牺牲层。

在一优选实施例中，所述光栅衬底由硅制成。

在一优选实施例中，所述牺牲层由二氧化硅制成。

在一优选实施例中，所述表层由硅制成。

在一优选实施例中，用倾斜离子束轰击所述多个沟槽一侧的步骤使得由于所述离子束轰击所形成的斜面与相邻沟槽的另一侧相交。

在一优选实施例中，还包括用另一倾斜离子束轰击所述沟槽的另一侧，使得由于所述另一倾斜离子束轰击所形成的斜面与由于所述倾斜离子束轰击形成的斜面相交。

在一优选实施例中，在表层上形成多个沟槽包括以下步骤：

提供探针，所述探针位于所述表层硅上方；

加热所述探针至能将所述表层汽化的温度，并将所述探针靠近所述表层；

在所述表层上方移动所述探针以将所述表层的一部分汽化，从而在所述表层上形成所述多个沟槽。

根据本发明的具有法布里珀罗腔的闪耀光栅，能够增强衍射光强，增强光信号。根据本发明的方法，能够进行具有法布里珀罗腔的闪耀光栅的高集成度、高精度的制备，并能够实现衍射光栅衍射角的高精度制备。

附图说明

图1为根据本发明方法形成的闪耀光栅的俯视示意图；

图2为根据本发明方法形成的闪耀光栅的主剖视图；

图3为探针位于表层硅上方的示意图；

图4为通过探针在表层硅形成的多个沟槽的示意图；

图5为通过探针在表层硅以及二氧化硅层形成多个沟槽的示意图；

图6为使用离子束轰击多个沟槽以形成闪耀光栅的示意图；

图7为使用离子束轰击之后形成闪耀光栅的示意图；

图8A为探针结构示意图；

图8B为探针尖端的放大示意图；

图9为探针的支撑臂的第一实施例的示意图；

图10为探针的支撑臂的第二实施例的示意图；

图11为探针的支撑臂的第三实施例的示意图；

图12为探针的支撑臂的第四实施例的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的阐述了某些具体细节以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员将认识到可在无这些具体细节中的一个或多个细节的情况来实践实施例。在其它情形下，与本申请相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述从而避免不必要地混淆实施例的描述。

除非语境有其它需要，在整个说明书和权利要求中，词语“包括”和其变型，诸如“包含”和“具有”应被理解为开放的、包含的含义，即应解释为“包括，但不限于”。

在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例。另外，特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。

如该说明书和所附权利要求中所用的单数形式“一”和“所述”包括复数指代物，除非文中清楚地另外规定。应当指出的是术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用，除非文中清楚地另外规定。

在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。

本发明提供一种具有法布里珀罗腔的闪耀光栅及其制作方法。参见图1，示出了根据本发明的具有法布里珀罗腔的闪耀光栅的俯视图。该光栅包括光栅衬底1和光栅衬底1上的光栅刻线。图2中示出其主剖视图。图1中所示光栅衬底1呈长方形，但应理解，光栅衬底1也可呈三角形、椭圆形或其他不规则形状。光栅衬底1可以是硅片、玻璃片或陶瓷片等。在光栅衬底1的上表面设置有法布里珀罗腔2，在光栅衬底1的上表面上还设有多个栅条3，多个栅条3彼此平行且间隔开。其中法布里珀罗腔沿多个栅条3方向的长度小于多个栅条3的长度，从而多个栅条3悬伸在法布里珀罗腔2的上方。当光照射到闪耀光栅上时，光投射到法布里珀罗腔2内，再反射到入射方向，使得光的反射率能够达到90％以上。

较佳地，多个栅条3为三棱柱条。其中三棱柱的一个侧面位于光栅衬底的上表面。三棱柱条的另外两侧可以具有相同的倾斜角度，从而三棱柱条的横截面为等腰三角形。三棱柱条的另外两侧也可以具有不同的倾斜角度，从而三棱柱条的横截面为非对称三角形。

本发明还提供一种形成上述具有法布里珀罗腔的闪耀光栅的方法。

首先，提供光栅衬底1，该光栅衬底1较佳地由硅制成，在该光栅衬底1的上表面内设有牺牲层7，该牺牲层7内嵌在光栅衬底1的上表面内，此外，在光栅衬底1上方，即在牺牲层7上方还设有表层8。牺牲层7较佳地由二氧化硅制成。表层8较佳地由硅制成。其中牺牲层7沿着光栅衬底1上表面上的第一方向的长度小于表层的长度。接着在表层8上沿着第一方向形成多个沟槽，多个沟槽沿着高度方向的宽度相同且彼此等距离间隔开。应理解，多个沟槽也可形成在表层8和牺牲层7内，即多个沟槽的深度为表层8和牺牲层7的总厚度。

然后用倾斜的离子束10轰击多个沟槽的一侧。在一实施例中，用倾斜离子束10轰击多个衬底沟槽的一侧直至由于离子束轰击所形成的斜面与相邻衬底沟槽的另一侧相交，由此将两个沟槽之间的矩形条形成棱镜条，从而形成闪耀光栅，如图6所示。

在另一实施例中，还可用另一倾斜的离子束(未示出)轰击多个衬底沟槽的另一侧，直至由于该另一倾斜离子束轰击所形成的斜面与由于前述倾斜离子束10轰击形成的斜面相交，由此将两个沟槽之间的矩形条形成棱镜条，从而形成闪耀光栅。在该情况下，前述倾斜离子束10与另一倾斜的离子束的倾斜角度可彼此不同，由此能够形成非对称结构的闪耀光栅。

倾斜离子束10由离子束源9提供。较佳地，由多个离子束源9提供多个倾斜离子束10，该多个倾斜离子束10的组合轰击面能够覆盖多个衬底沟槽，从而能够在一次轰击过程中高效地形成闪耀光栅。

在形成闪耀光栅之后，用例如化学溶液蚀刻牺牲层7，将牺牲层7去除，从而形成位于光栅3下方的法布里珀罗腔2。

在上述方法中，在表层上形成多个沟槽是通过探针4加热扫描表层8，从而将表层8的一部分汽化而实现的。如图8A所示，探针4包括悬臂部分41和位于悬臂部分41末端并从悬臂部分41突出的尖端42。如图3所示，将用于扫描汽化的探针4置于光栅衬底1的表层8上方，然后将探针4的尖端42靠近表层8。

然后加热探针4，具体是加热探针4的尖端42，将其加热至能将表层8汽化的温度。具体地，将尖端42加热至表层8上表面的材料能够汽化的温度。对于不同结构的表层，该加热温度也不相同。探针4的加热温度可高达1000℃。当探针4的尖端42被加热至使得表层8能够汽化的温度时，将探针4，具体是尖端42在表层8上方移动。尖端42在表层8上方移动的方式类似于扫描式移动，其移动根据预定的图形通过控制系统进行。控制系统能够接收图纸输入，并将其转换为相应的动作信号，从而引导探针进行扫描式移动。在尖端42扫描经过之处，表层8汽化，从而在表层8上形成三维图形。具体地，是的尖端42在表层8移动至预定的竖直位置，并在该竖直位置所在的水平平面内水平移动。在进行完一个竖直位置的水平平面内的扫描移动之后，尖端42移动至下一竖直位置，并在该下一竖直位置所在的水平平面内水平移动，如此重复，直至将预定的三维图形形成在表层8上。由于尖端42的移动几乎没有阻力，通过精确控制，尖端42从一个竖直位置到下一竖直位置之间的距离可达到1纳米。

通过上述方法能够在表层8上形成多个沟槽(见图4)。在表层8是硅的情况下，可在表层8上形成钝化层，用探针4在钝化层上形成沟槽，再通过化学溶液腐蚀等将多个沟槽转移至表层8，从而在表层8上形成多个沟槽。但应理解，本发明并不限于用探针4加热从而将表层8汽化来形成多个沟槽，也可用其他方式，例如激光雕刻等形成上述多个沟槽而不脱离本发明的范围。

如图8A所示，上述探针4包括悬臂部分41和位于悬臂部分41末端并从悬臂部分41突出的尖端42。图8B中还示出了尖端42的放大图。其中尖端42包括底座421，该底座421与悬臂部分41一体形成或固定连接至悬臂部分41。在该底座421内设有多个电极425。各支撑臂423从底座421延伸并在远离底座421的端部连接至针尖部422。支撑臂422由耐高温材料制成，在支撑臂422内部可设置导线，用于连接针尖部422与底座421内的电极。较佳地，支撑臂422呈弯曲形状，从而防止支撑臂422由于触碰或高温而折断。多个电极425包括多个加热电极以及至少一个感温电极。尖端42通过各加热电极加热到所需的预定温度。感温电极用于感测尖端42的温度。感测电极可以是例如热电偶，通过测量随温度变化的电阻来确定感测电极的温度。

尖端42的温度控制通过控制器，例如PID控制(比例-积分-微分控制)来实现。为探针4提供控制器，通过感测电极测得尖端42的温度，并由控制器将测得的温度与预定温度比较，当测得的温度与预定温度之差达到一定数值时，则通过增加或减少工作的加热电极的数量、增大或降低加热电极的功率、以及启动或者停止各加热电极的工作来调节尖端42的温度。在各个加热电极功率不同的情况下，还可根据需要选择不同的加热电极组合来减少或增加正在运行的所述加热电极的总功率以调节尖端42的温度。

图9-12中示出了对探针4进行精确定位的结构。具体地，如图9所示，探针4由支架6支撑。支架6可构造成能够对探针4的悬臂部分进行支撑的任何结构。在图示实施例中，支架6为大致竖直延伸的支撑杆。悬臂部分的一端固定至支架6并从支架6水平延伸，尖端42设置在悬臂部分的远离支架6的一端。在该实施例中，悬臂部分包括悬臂支撑部412和悬臂驱动部413。悬臂驱动部413的远离支架6的末端设有尖端42。悬臂驱动部413与悬臂支撑部412沿竖直方向彼此紧邻并间隔开。如图7所示，在悬臂支撑部412的下侧设有电磁片416，而在悬臂驱动部413设置在悬臂支撑部412下方且在其上侧与电磁片416相应的位置设有电磁片71。在需要将悬臂支撑部412下移从而将尖端42下移时，可对电磁片416和71通电，使两者磁性相反，通过电磁片416与71之间的吸引力而使悬臂支撑部412下移，从而带动尖端42下移。在需要将悬臂支撑部412上移从而将尖端42上移时，可对电磁片416和71通电，使两者磁性相同，通过电磁片416与71之间的排斥力而使悬臂支撑部412上移，从而带动尖端42上移。在所示实施例中，悬臂驱动部413设置在悬臂支撑部412的下方，但应理解，也可将悬臂驱动部413设置在悬臂支撑部412的上方。在该情况下，则在悬臂支撑部412的上侧和悬臂驱动部413的下侧的彼此相对位置设置电磁片416和71。

此外，可在悬臂支撑部412和悬臂驱动部413上设置一组以上的电磁片。例如在图10中所示的，在悬臂支撑部412上侧和悬臂驱动部413的下侧各设置有三组电磁片。

此外，还应理解，也可将每组电磁片416和71中的一个设置为永磁体片，而另一个为电磁片。

采用上述方式来实现尖端42沿竖直方向的位移，能够通过精确调整通往电磁片的电流来调整悬臂支撑部412与悬臂驱动部413之间吸引力或排斥力的大小，从而使得尖端42沿竖直方向的位移精度能够显著提高，甚至达到1纳米至几纳米。

图11示出了另一实施例。在该实施例中，在悬臂部分上设有沿其长度布置的一个应变段417。该应变段417由多层复合材料制成。多层复合材料中的各层具有不同的热膨胀系数，当温度变化时，各层材料发生不同程度的膨胀或收缩变形。例如，应变段417可由两种不同材料层复合而成。通过控制应变段417的温度，使得应变段417发生向上或向下的弯曲，由此带动悬臂部分整体上移或下移，进而带动实现尖端42上移或下移。此外，可在悬臂部分上设置一个以上的应变段417。例如在图12中示出的，悬臂部分上设置有三个应变段417。

通过采用上述方式来实现尖端42沿竖直方向的位移，可通过控精确制应变段417的温度变化来控制应变段417的弯曲，从而使得尖端42沿竖直方向的位移精度能够显著提高，甚至达到1纳米至几纳米。

上述实施例中示出了采用电磁片和应变段来实现悬臂部分上的尖端42沿竖直方向移动的实施例。但应理解，也可在悬臂部分上组合采用电磁片和应变段来实现悬臂部分的上移和下移。

以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，若需要，能修改实施例的方面来采用各种专利、申请和出版物的方面、特征和构思来提供另外的实施例。

考虑到上文的详细描述，能对实施例做出这些和其它变化。一般而言，在权利要求中，所用的术语不应被认为限制在说明书和权利要求中公开的具体实施例，而是应被理解为包括所有可能的实施例连同这些权利要求所享有的全部等同范围。