一种可变闪耀角的闪耀光栅和双闪耀光栅制备方法及产品

摘要

本发明公开一种可变闪耀角的闪耀光栅和双闪耀光栅的制备方法及产品，属于图像压印技术领域。具体为：将硬模板上的目标光栅图形转移到软模板，在基片上制备压印胶层；将软模板上的目标光栅图形压印到压印胶层，通过压强大小控制软模板的倾斜度从而控制母闪耀光栅的闪耀角，进而刻蚀得到母闪耀光栅；在母闪耀光栅上沉积硬掩膜层；在硬掩膜层上制备压印胶层；将软模板上的目标光栅图形压印到压印胶层上，通过压强大小来控制软模板的倾斜度从而控制子闪耀光栅的闪耀角，进而刻蚀得到子闪耀光栅，制备得到双闪耀光栅。本发明通过控制转移软模板上图案到基片的过程中的压强，得到具有不同闪耀角的闪耀光栅，保证光栅质量的同时降低了成本。

说明书

技术领域

本发明属于图像压印技术领域，更具体地，涉及一种可变闪耀角的闪 耀光栅和双闪耀光栅的制备方法及产品。

背景技术

光栅作为一种广泛应用的色散光学元器件，它的分光原理是多缝衍射。 光谱的级次越高，分辨本领和色散本领也越大。但是，光强度的分布却是 级次越低光强度越大。特别是对于没有色散的零级占了总能量的很大一部 分，这对于光栅的应用是十分不利的。为了克服这种缺点，研究者发明了 闪耀光栅。闪耀光栅是平面反射光栅，它的刻槽面与光栅面不平行，两者 之间有一个角度。可对某一波长的入射光在指定的方向上产生闪耀，并具 有很高的衍射效率，是光谱仪器中的核心元件。目前闪耀光栅广泛用于传 感、医疗仪器、光谱分光仪器和光电子领域，在“集成光学”领域，硅基二元 闪耀光栅能够应用在平面光波导耦合技术中作为光栅耦合器，闪耀光栅阵 列用于半导体激光器列阵光束整形等等。

由于闪耀光栅槽形特性，使得仅仅在闪耀波长附近有高的衍射效率， 对于其他波长衍射效率分布不均匀。但有些场合，对衍射光栅提出了宽波 段内均匀衍射效率的要求。在闪耀光栅的基础上，双闪耀光栅是在较宽频 段范围具有较好衍射效应的高效器件，可以用在宽波长范围的检测仪器中。 通常闪耀光栅一般用机械刻划、全息干涉法、全息-离子束刻蚀等方法制备。

机械划刻，它是利用精密光学抛光的光栅基底上蒸发或者沉积铝或者 金的金属膜，然后用带有合适角度的金刚石刻刀在其上挤压或抛光形成刻 槽。这种方法制备闪耀光栅耗时长，对工作环境的要求极高，而且制得的 闪耀光栅表面粗糙，槽形误差比较大，容易产生“鬼线”，影响其衍射效 率。

全息干涉法，包括驻波法和傅里叶合成波法，驻波法是将两相干平面 波的干涉曝光条纹记录在平面光刻胶上，然后显影得到三角槽形；傅里叶 合成波法是利用傅里叶级数的分量来合成一个锯齿槽形。

上述两种方法均有条纹的倾斜不够大，槽形结构难以复制和难以控制 定位精度等缺点；

全息离子束刻蚀，这种方法制备闪耀光栅是先用全息干涉产生正弦槽 形的光刻胶光栅，然后将光栅放入离子束刻蚀机中，并保持光栅槽与离子 束（投影）垂直，根据闪耀角的大小调整基片与离子束间的夹角，将正弦 槽形的光刻胶光栅转移到基片上，成为锯齿槽形的闪耀光栅。用这种方法 制备的闪耀光栅高衍射效率的同时，还具有无鬼线、高信噪比、制造周期 短等优点。但因为全息离子束刻蚀的方法也是基于全息干涉曝光条纹制备 光栅掩膜的就免不了和全息干涉法相同的缺点，就是难以精确。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的第一目的在于提供一种闪耀角可变的 闪耀光栅的制备方法，通过控制转移软模板上图案到基片的过程中的压强， 得到具有不同闪耀角的闪耀光栅，保证质量的同时降低了成本。

针对现有技术的缺陷，本发明的第二目的在于提供一种闪耀角可变的 双闪耀光栅的制备方法，通过控制转移软模板上图案到基片的过程中的压 强，得到具有不同闪耀角的闪耀光栅，保证质量的同时降低了成本。

本发明的第三目的在于提供一种按照上述方法制备得到的闪耀光栅和 双闪耀光栅。

一种闪耀光栅制备方法，包括以下步骤：

（1）将硬模板上的目标光栅图形转移到软模板上，同时在基片上制备 压印胶层；

（2）将软模板上的目标光栅图形压印到压印胶层上，压印过程中通过 压强大小来控制软模板的倾斜度从而控制闪耀角；

（3）对形成目标光栅图形的压印胶层进行刻蚀得到闪耀光栅。

进一步地，所述压印胶层的厚度小于目标光栅图形的深度。

进一步地，所述软模板的材料为聚二甲基硅氧烷PDMS或者聚甲基丙 烯酸甲酯PMMA。

一种双闪耀光栅制备方法，包括以下步骤：

（1）将硬模板上的目标光栅图形转移到软模板上，同时在基片上制备 第一压印胶层；

（2）将软模板上的目标光栅图形压印到第一压印胶层上，压印过程中 通过压强大小来控制软模板的倾斜度从而控制母闪耀光栅的闪耀角；

（3）对形成目标光栅图形的压印胶层进行刻蚀得到母闪耀光栅；

（4）在母闪耀光栅上沉积硬掩膜层；

（5）在硬掩膜层上制备第二压印胶层；

（6）将软模板上的目标光栅图形压印到第二压印胶层上，压印过程中 通过压强大小来控制软模板的倾斜度从而控制子闪耀光栅的闪耀角；

（7）对形成目标光栅图形的第二压印胶层和硬掩膜层进行刻蚀得到子 闪耀光栅，从而制备得到双闪耀光栅。

进一步地，所述步骤（3）具体为：

（31）以压印胶层上所形成的光栅图形为掩膜，利用干法刻蚀工艺对所 述压印胶层执行刻蚀，由此去除多余的压印胶并露出基片表面；本步骤中 干法刻蚀工艺的具体工艺参数为：采用六氟化硫和氧气的混合气体作为刻 蚀气体，六氟化硫流量为1sccm～50sccm，氧气流量为10sccm～50sccm，用 于给混合气体离子加速的离子源的射频功率为0W～200W，刻蚀机内部腔 压为20mTorr，刻蚀速度为0.5nm/s～5nm/s；

（32）继续以光栅图形为掩膜，进行干法刻蚀，由此在基片上形成所需 要的闪耀光栅图形；本步骤中干法刻蚀工艺的具体工艺参数为：采用甲烷 和氢气的混合气体作为刻蚀气体，甲烷流量为1sccm～50sccm，氢气的流量 为10sccm～200sccm，用于给混合气体离子加速的离子源的射频功率为0W ～200W，刻蚀机内部腔压为20mTorr，刻蚀速度为2nm/min～50nm/min；

所述步骤（7）具体为：

（71）以第二压印胶层上所形成的光栅图形为掩膜，采用干法刻蚀工艺 对第二压印胶层执行刻蚀处理，由此去除多余的压印胶层并露出硬掩膜表 面；本步骤与步骤（31）的干法刻蚀工艺参数相同；

（72）继续以步骤（71）中形成的压印胶的光栅图形为掩膜，进行干法 刻蚀，由此在硬掩膜上形成所需要的闪耀光栅图形；本步骤中干法刻蚀工 艺的具体工艺参数为：采用三氟甲烷和氧气的混合气体作为刻蚀气体，三 氟甲烷的流量为1sccm～300sccm，氧气流量10sccm～50sccm，用于给混合 气体离子加速的离子源的射频功率为0W～200W，刻蚀机内部腔压为 20mTorr，刻蚀速度为2nm/min～10nm/min；

（73）继续以步骤（72）中形成的硬掩膜的光栅图形为掩膜，进行干法 刻蚀，由此在基片上形成所需要的光栅图形；本步骤与步骤（32）的干法 刻蚀工艺参数相同。

进一步地，所述硬掩膜层采用二氧化硅。

总体而言，本发明提供的制备闪耀光栅和双闪耀光栅的方法与现有的 制备方法相比，主要具备以下优点：

1、本发明继承了纳米压印光刻技术高精度，低成本、高产出的优点。 本发明的核心在于通过控制转移软模板上的图形到基片过程中的压强，可 以用同一周期光栅硬模板，制得不同闪耀角的闪耀光栅和双闪耀光栅。纳 米压印光刻技术的成本很大一部分源于硬模板的制备，而本发明的提供同 一硬模板的不同应用的方法，进一步降低了纳米压印光刻技术的成本。

2、本发明采用软模板将光栅图形转移到压印胶层，由于软模板自身弹 性和具有自清洁功能等特点，不仅提高了压印光栅质量，同时也延长了硬 模板使用寿命，降低了压印的成本。

3、本发明用压印的方法转移硬模板上的图形，能够充分利用反应离子 束刻蚀，这种刻蚀方向性好，刻蚀精度高，可刻蚀任何材料，包括化学活 性很差的材料。因此可以制备在硅，磷化铟等半导体材料和聚合物材料上， 制得的闪耀光栅和双闪耀光栅和CMOS工艺兼容，能够广泛用于下一代互 联技术-光互连，“集成光学”中等。

附图说明

图1是制备软模板的流程示意图；

图2转移软模板上的图形到压印胶层的示意图；

图3是沉积硬掩膜层后，转移软模板上的图形到压印胶层的示意图；

图4是执行二次压印操作后的，干法刻蚀处理的流程图；

图5为本发明制备方法流程图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

101-硬模板102-无图形的软模板103-有图形的软模板111-基片112- 硬掩膜层113-压印胶层114-干法刻蚀处理过有光栅图形的基片115-沉积 的硬掩膜层116-刻蚀过的硬掩膜层117-被再次刻蚀的基片

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图5，本发明制备方法，包括以下步骤：

（1）软、硬模板的准备及基片清洗和压印胶旋涂步骤：

图1是用于显示制备软模板的流程示意图。首先根据所需要的指定周 期和深度的目标光栅图形，利用电子束曝光技术制备硬模板，然后利用如 图1所示的流程将硬模板上的光栅图形转移到软模板上，即将硬模板101 上的图形转移到无图形的软模板102上，这是热压印的过程，最终降温固 化，形成有图形的软模板103。

软模板由PDMS（聚二甲基硅氧烷）或者PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯） 材料构成。将软模板的材料选择为PDMS或者是PMMA，首先其具有耐高 温的特点，能够保证在压印胶的玻璃化温度（无定型聚合物大分子链段自 由运动的最低温度）以上一定范围内，软模板仍处于一种固态的状态，保 证软模板上图形的真实性；其次其透明性好，不会影响转移其上的图形到 基片的紫外曝光过程；再者，其具有弹性的特点，能够充分保证压印图形 的充分填充以及基片表面缺陷的包容。这些优点使其适合作为纳米压印过 程中的软模板制备和使用。

另外，对基片111进行清洗和干燥处理后，旋涂压印胶并烘干，完全 去除压印胶中的水分，构成转移光栅图形所需要的压印胶层。

（2）纳米图形的转移步骤：

图2是用于显示转移软模板上的图形到压印胶层上的流程，转移有图 形的软模板103上的图形到硬掩膜层112上，中间通过紫外曝光固化，最 终转移图形，形成具有光栅图形的压印胶层113。这里，将步骤（1）中制 得的软模板放置到步骤（2）中旋涂的压印胶上，加温加压将软模板上的图 形转移到压印胶上。在压印胶厚度一定时，施加的压强过高，软模板受压 发生倾斜，利用压印过程中发生了倾斜的软模板最终得到闪耀光栅的压印 胶掩膜。压强越高，软模板倾斜的越严重，相应的得到的闪耀光栅的闪耀 角越大。因此，利用同一图形特征的软模板，只需控制压印过程中的压强， 就能够得到具有不同闪耀角的闪耀光栅。优选地，压印胶层的厚度小于目 标光栅图形的深度，在压印过程中，软模板慢慢进入压印胶层，由于压印 胶层的厚度小于目标光栅图形的深度，光栅图形会受到底部基片的阻挡力， 其与压强配合作用调整软模板的倾斜度。

（3）刻蚀步骤：

本步骤是对形成目标光栅图形的压印胶层进行刻蚀得到闪耀光栅，具体 可采用干法刻蚀、湿法腐蚀等。优选干法刻蚀，这是因为比起湿法腐蚀， 干法刻蚀有很强的方向选择性，更适合处理这种类似于倾斜三角的压印胶 的掩膜图形。下面以干法刻蚀为例详细说明本步骤。

（31）以压印胶层上所形成的光栅图形为掩膜，利用干法刻蚀工艺对所 述的压印胶层执行刻蚀处理，由此去除多余的压印胶并露出基片表面；优 选的干法刻蚀工艺的具体工艺参数包括：采用六氟化硫和氧气的混合气体 作为刻蚀气体，六氟化硫流量为1～50sccm，氧气流量为10～50sccm，用于 给混合气体离子加速的离子源的射频功率为0～200W，刻蚀机内部腔压为 20mTorr，刻蚀速度为0.5～5nm/s；结果残留的底胶被去除干净，露出了基 片的表面，同时压印胶的光栅掩膜没有被破坏；

（32）继续以光栅图形为掩膜，进行干法刻蚀工艺，由此在基片上形成 所需要的闪耀光栅图形。优选的干法刻蚀工艺的具体工艺参数包括：采用 甲烷和氢气的混合气体作为刻蚀气体，甲烷流量为1～50sccm，氢气的流量 为10～200sccm，用于给混合气体离子加速的离子源的射频功率为0～200W， 刻蚀机内部腔压为20mTorr，刻蚀速度为2～50nm/min；通过干法刻蚀处理 将压印胶上的光栅图形转移到了基片上，就是类似倾斜三角形的闪耀光栅 图形。

（4）硬掩膜层的形成步骤：

在经过步骤（32）处理后的基片上沉积硬掩膜层。

所述硬掩膜层可选用二氧化硅、氮化硅等。优选二氧化硅，这是因为 二氧化硅能够被氢氟酸缓冲液很容易的去除，处理方便起来比较方便。用 二氧化硅作硬掩膜层，首先其与压印胶的刻蚀选择比在10以上，其次可以 通过用氢氟酸缓冲液漂洗容易去除残余的二氧化硅，进而去除二氧化硅上 的残余的曝光后的压印胶，最终保证光栅表面的洁净。

（5）基片清洗和压印胶旋涂步骤：

清洗经步骤（4）处理的基片，旋涂压印胶，烘干以完全去除其中的水 分，构成光栅图形所需要的相应压印胶层。

（6）纳米图形转移步骤：

利用步骤（1）所制得的软模板在压印胶层上形成所需要的光栅图形； 同样的，这里也可以通过合理控制图形转移过程中的压强，用相同周期的 软模板，得到闪耀角不同的压印胶掩膜，其规律如步骤（2）所述；图3是 用于显示沉积硬掩膜后图形转移过程。沉积硬掩膜层115，旋涂硬掩膜层 112，转移有图形的软模板103上的图形到硬掩膜层112上，中间通过紫外 曝光固化，最终转移图形，形成压印胶层113。

（7）刻蚀步骤：

基于步骤（3）同样的理由，本步骤优选干法刻蚀，下面详细说明。

（71）利用干法刻蚀工艺并以压印胶层上所形成的光栅图形为掩膜对所 述的压印胶层执行刻蚀处理，由此去除多余的压印胶层并露出硬掩膜表面； 步骤（71）和步骤（31）采用相同的干法刻蚀工艺参数；

（72）利用步骤（71）中形成的压印胶的光栅图形结构为掩膜，进行干 法刻蚀处理，由此在硬掩膜上形成所需要的光栅图形；步骤（72）中，优 选的干法刻蚀工艺的具体工艺参数包括：采用三氟甲烷和氧气的混合气体 作为刻蚀气体，三氟甲烷的流量为1～300sccm，氧气流量10～50sccm，用于 给混合气体离子加速的离子源的射频功率为0～200W，刻蚀机内部腔压为 20mTorr，刻蚀速度为2～10nm/min。通过处理将压印胶上的光栅图形转移到 了硬掩膜上，得到了具有闪耀光栅图形的硬掩膜；

（73）利用步骤（72）中形成的硬掩膜的光栅图形结构为掩膜，执行干 法刻蚀处理，由此在基片上形成所需要的光栅图形。优选的，步骤（73） 和步骤（32）采用相同的干法刻蚀工艺参数。

图4是执行二次图形转移后的干法刻蚀处理示意图。首先以有图形压 印胶层113作为掩膜，干法刻蚀处理硬掩膜层115，然后以硬掩膜层115为 掩膜干法刻蚀处理有图形的基片114。

为了更清楚的说明本发明，以制备硅基闪耀光栅和双闪耀光栅为例， 说明本发明的具体实施步骤；

首先，用电子束曝光技术制备周期400nm，深度100nm，占空比0.7 的矩形光栅的硬模板。然后将硬模板上的图形转移到软模板上。压印过程 中，设定最高温度在软模板的玻璃化温度以上的一定范围内，软模板的玻 璃化温度为120℃，因此设定压印过程中的最高温度为155℃，最高压强为 40Bar。然后降温固化转移图形到软模板上，最后脱模。

下一步，清洗硅基片，用浓硫酸和双氧水体积比为3:1的配比溶液，加 热到70～80℃，煮15min；然后用去离子水冲洗干净，用氮枪吹干。放置在 120℃热板上烘烤2min，完全去除基片中的水分，冷却至室温。旋涂一层厚 度120nm的压印胶，在95℃的热板烘烤3min，完全去除压印胶中的溶剂。 接着，转移软模板上的图形到压印胶层，压印过程，最高温度设置在压印 胶的玻璃化温度以上，并且处于软模板的玻璃化温度以下。根据压印胶的 厚度和闪耀光栅闪耀角的要求，合理设置压印过程中的最高压强。主要利 用压强的作用使得软模板在转移图形到压印胶的过程中发生一定的倾斜， 不同的压强，软模板的倾斜程度不同，压强越高，软模板倾斜越严重，得 到的闪耀光栅的闪耀角越大。因此利用同一周期的光栅模板，设定不同的 压强可以得到具有不同闪耀角的压印胶的闪耀光栅掩膜。这里压印过程中 的最高压强设为35Bar。然后紫外曝光固化，曝光时间2～3min，撤压，降 温，脱模。

然后，执行反应离子刻蚀处理。用具体工艺参数为， SF₆:O₂=5sccm:100sccm，离子源的射频功率RF=60W，腔压10mTorr，刻蚀 速率35nm/min，刻蚀时间20s，由此去除压印残胶并暴露出硅基片的表面； 之后继续执行反应离子刻蚀工艺，具体工艺参数为 SF₆:C₄F₈=12sccm:15sccm，腔压10mTorr，离子源的射频功率RF=20W，刻 蚀速率为35nm/min，刻蚀时间2min。得到的闪耀光栅的闪耀角大约为28°。

再将刻蚀得到的具有闪耀光栅的基片清洗，方法如上述，不过注意用 去离子水冲洗时不要对准图形区，以免损坏图形。然后吹干，烘烤。用 PECVD沉积一层80nm的二氧化硅作为硬掩膜层，再旋涂一层厚度100nm 的压印胶，在95℃的热板烘烤3min，完全去除压印胶中的溶剂。转移软模 板上的图形到压印胶层，压印过程，最高温度设置在压印胶的玻璃化温度 以上，并且处于软模板的玻璃化温度以下。最高压强设置原则如同上述。 这里设置为25bar，然后紫外曝光固化，曝光时间2～3min，撤压，降温，脱 模。接着执行反应离子刻蚀处理。用具体工艺参数为， SF₆:O₂=5sccm:100sccm，RF=60W，腔压10mTorr，刻蚀速率35nm/min，刻 蚀时间15s，由此去除压印残胶并暴露出二氧化硅硬掩膜层的表面；之后继 续执行反应离子刻蚀工艺，用压印胶层作为掩膜，刻蚀二氧化硅硬掩膜层。 具体工艺参数为CHF₃:O₂=5sccm:20sccm，腔压20mTorr，RF=20W，刻蚀速 率为12～13nm/min，刻蚀时间3min。

然后用二氧化硅硬掩膜层作为掩膜刻蚀硅基片。具体工艺参数为 SF₆:C₄F₈=12sccm:15sccm，腔压10mTorr，RF=20W，刻蚀速率为35nm/min， 刻蚀时间1min。即可以在原闪耀光栅的基础上，得到第一闪耀角为28°第 二闪耀角为15°的双闪耀光栅。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。