一種基于納米壓印的圖形轉移制備光柵的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光學薄膜微納結構制備技術領域，具體涉及一種基于納米壓印的全新微納圖形轉移制備光柵的方法。
【背景技術】
[0002]光柵是由大量等寬等間距的平行狹縫構成的光學器件，作為一種分光元件，廣泛應用于光譜測量、光計算及光學信息處理等領域中。不僅是分析物質成分、探索宇宙奧秘的必用儀器，同時也推動了物理學、天文學、生物學等學科的協調發展。自從1819年夫瑯和費制成世界上第一塊光柵，光柵制造技術經歷了幾次大的改進，每次大的改進都依賴于技術上的進步和理論上的突破，當今光柵的發展趨勢正朝著高衍射效率、大面積、新品種的方向發展，具有廣闊的應用前景。
[0003]為了進一步優化光柵制備工藝，降低生產成本，簡化制備流程，將光柵產品推廣應用，人們在光柵制備方法和工藝進行了大量的研究。機械式刻劃光柵為應用最早的衍射光柵，主要是利用裝在光柵刻劃機的金剛石等硬刀頭，在事先鍍好金屬涂層的光柵毛坯表面做往復運動，刻成大量平行的、等距的、非常平直的刻槽。制備的光柵精度不高，光柵線密度較大，而且刻劃機對環境要求非常高。利用單色激光的雙光束干涉圖樣直接曝光涂有光刻膠的基片，再經腐蝕顯影、定影和烘干程序后在真空系統中鍍膜獲得的全息光柵以其完全無鬼線、高信噪比、制作周期短、面型較特殊的光柵也能制作等優點被廣泛應用于光柵制備。但在全息曝光過程中，來自光學元件表面的加工痕跡、折射率的不均一、透鏡粘合界面等的雜散光也相干地疊加到主干涉光束中，曝光、顯影后的光柵浮雕圖形上相應疊加有不想要的結構圖形等缺點也推動著光柵制備工藝的進一步發展。利用惰性氣體電離后撞擊材料表面產生的物理濺射效應制備的離子束刻蝕光柵集中了刻劃光柵高衍射效率和全息光柵低雜散光、高信噪比、無鬼線的優點于一身。但由于離子束刻蝕過程中參與了多種物理和化學反應，因而轉移到基底上的微結構圖形是否符合期望值具有不確定性。
[0004]自1995年普林斯頓大學納米中心主任StephenChou提出了納米壓印技術，納米壓印就以其獨特的性能優勢引起了國內外諸多學者的關注，廣泛地應用于半導體加工和光電子器件加工等領域。納米壓印是一種基于膠的流動特性的直接機械接觸式的圖形復制技術。與傳統的光刻技術相比，納米壓印的圖形尺寸不受光學衍射極限的限制，只與模板精度有關，因此具有更高的分辨率，且成本低，重復性好，可控性強等一系列優點。對于納米壓印制作的光柵掩模的圖形轉移，目前還是以離子束刻蝕為主。由于工藝復雜，制備成本高且轉移到基底上的微結構圖形具有不確定性，因此探索一種新的基于納米壓印的微納圖形轉移法制備光柵的方法非常具有意義。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是一種基于納米壓印的圖形轉移制備光柵的方法，該方法制備工藝簡單，生產成本低。
[0006]本發明解決上述技術問題所采用的技術方案是，一種基于納米壓印的圖形轉移制備光柵的方法，其特征在于包括有以下步驟:
1)基片上聚合物的涂布:在光滑潔凈的基片上均勻的旋涂一層聚合物，放入烘箱中烘干備用；
2)壓模模板的制備:將壓模毛坯材料加工成所需光柵幾何結構的壓模模板；
3)壓印過程:把涂敷聚合物的基片及壓模模板安裝到壓印機的兩個壓印盤上，加熱到聚合物玻璃態相變點溫度附近時，加壓(壓力為4X106Pa)，使聚合物充滿壓模圖案，然后進行冷卻；當溫度降到相變點附近時，將壓模模板與基片分開；當溫度降到室溫時，將基片烘干后即得到聚合物掩模槽型；
4)微納圖形轉移:直接利用電子束蒸發法將所需光柵脊材料填充進聚合物掩模槽型中，利用光控膜厚技術監控沉積厚度，再用有機溶劑溶解聚合物花紋，形成與掩模互補的光柵結構，得到基于納米壓印的圖形轉移制備的光柵。
[0007]按上述方案，步驟1)所述基片(納米壓印術制作納米器件所用的基片)是各種光學玻璃或鍍膜玻璃，與通常光刻工藝所用的類似，可以是Si片、光學玻璃、鍍有介質或金屬膜層的光學玻璃等。
[0008]按上述方案，步驟1)所述的聚合物為熱壓印材料(各種熱壓印光刻膠)，通常為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等中的一種。
[0009]按上述方案，步驟1)所述的聚合物旋涂厚度為300-450nm。
[0010]按上述方案，步驟2)所述的壓模毛坯材料通常用S1、Si02、氮化硅、金剛石或熔融石英等。壓模通常選擇強度高、不易磨損、熱變形小的材料作為壓模材料。
[0011]按上述方案，步驟3)所述的聚合物玻璃態相變點溫度附近通常是比相變點高‘Ο-ι 00°C ο
[0012]按上述方案，步驟4)所述的光柵脊材料為各種常用光柵層介質材料或金屬材料，可為Si02、Hf02或其他介質材料，也可以是Au、Al等金屬材料。
[0013]納米壓印術在壓印時涉及到壓模與基片表面聚合物薄膜的物理接觸，在接觸和分離過程中壓模的變形和磨損就成了影響圖案復制的嚴重問題，因此壓模必需有足夠的強度，并且在多次壓印中保證其耐用性。壓模通常用S1、Si02、氮化硅、金剛石等材料制成。這些材料具有很多優良的性質:壓縮強度、大抗拉強度可以減少壓模的變形和磨損;高熱導率和低熱膨脹系數，使得在加熱過程中壓模的熱變形很小。另外，重復的壓印制作會污染壓模，需要用強酸和有機溶劑來清潔壓模，這就要求制作壓模的材料是抗腐蝕的惰性材料。
[0014]按上述方案，步驟4)所述的溶解聚合物的有機溶劑可以是二氯乙烷、氯仿、丙酮、冰醋酸、二氧六環、四氫呋喃等中的一種，視所采用的聚合物而定。
[0015]按上述方案，所述的微納圖形轉移中，電子束蒸發沉積光柵脊材料的高度可以小于或等于聚合物掩模槽型高度，其沉積厚度可以根據所需光柵脊高度而定。經有機溶劑洗去聚合物光刻膠掩模后，需再次進行烘干處理，工藝條件和上述方案，步驟1)所述烘烤工藝一樣，最后獲得與掩模結構互補的光柵微納結構圖形。
[0016]本發明基本概念是將堅硬的壓模毛坯加工成一個壓模;然后在基片上旋涂一層聚合物薄膜，將其放入壓印機加熱、加壓，然后降低溫度到聚合物玻璃化溫度以下，將壓模與聚合物層相分離，形成光柵掩膜;最后再利用電子束蒸發光柵層材料的方法直接將所需光柵脊材料填充進掩模槽中，然后用有機溶劑溶解聚合物圖形結構，形成與掩模結構互補的光柵結構。此微納圖形轉移法省去了傳統的納米壓印后的離子束刻蝕過程，簡化了制作工藝，節約成本，具有光柵脊沉積高度可調節和重復性高的優點，為光柵制備提供新的可能。
[0017]本發明的有益效果是:優化光柵制備工藝，降低生產成本，省去了納米壓印后光柵掩模圖形轉移的離子束刻蝕，僅用電子束蒸發光柵脊材料填充掩模以獲得所需光柵結構，為微納圖形轉移提供了新方法，同時降低光柵制備成本，制備方法簡單，易于工業化生產等優點。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明實施例步驟3)的納米壓印過程流程圖。
[0019]圖2是本發明實施例步驟4)微納圖形轉移過程流程圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結合實施例對本發明的技術方案做進一步說明。
[0021]實施例1
步驟1):取一上表面潔凈光滑的基片作為旋涂聚合物光刻膠的基底，基片材料可以是K9玻璃或熔融石英，基片形狀可以是圓片或方形片。本實施例使用的是直徑為30mm的圓形K9玻璃作為基底，用丙酮在預涂聚合物面仔細擦拭三遍，待丙酮自然揮發干燥后，放入德國Karl Suss公司CT62型甩膠臺中心。開啟液壓氮氣吸住平臺上的基片，向基片中心滴入3滴聚合物(PMMA)溶劑，設置轉速為3500r/min，時間為30s，此設置下旋涂的聚合物薄膜厚度在350nm左右。合上旋轉蓋，開啟旋轉臺。待用膠結束后取出基片，放入德國Heraeus公司的烘箱中進行烘干，設置烘箱溫度為90°C，烘烤時間為30min，待烘干結束后取出旋涂好聚合物(PMMA)的K9基片。
[0022]步驟2):選取表面潔凈光滑lOmmxlOmm的矩形熔融石英作為壓模模板材料，用丙酮在預刻蝕光柵的表面仔細擦拭三遍，待丙酮自然揮發干燥后放入甩膠臺，滴入3滴光刻膠溶劑，設置轉速為3500r/min，時間為30s。待甩膠結束后取出熔融石英放入烘箱中烘干，設置烘箱溫度為90°C，烘烤時間為30min。待烘干結束后取出旋涂好光刻膠的熔融石英，采用100keV高能量的電子束曝光，經顯影干燥后放入JBX5000LS型電子束光刻機中進行刻蝕。根據所需槽型深度和占寬比要求設置相應工藝參數，待刻蝕完畢后取出樣品放入有機溶劑丙酮中洗去表面殘余光刻膠，烘干后得到壓模模板。
[0023]步驟3):利用步驟1)制備的旋涂有聚合物(PMMA)的K9基片和步驟2)制備的壓模模板進行納米壓印的壓印過程。將旋涂后的基片及壓模模板(圖1中的模具)安裝到壓印機的兩個壓印盤上。壓印的操作程序如圖1所示。把所放基片及壓模模板加熱到聚合