一种高消光比纳米线栅偏振器件及制备方法与流程

本发明属于微纳光学器件、半导体纳米加工，具体为一种高消光比纳米线栅偏振器件及制备方法。

背景技术：

1、目前行业内纳米线栅偏振器件普遍采用传统光刻+单一镀膜+常规干法刻蚀工艺制备，配套硬模多依赖外部采购；线栅结构以金属铝作为偏振功能层，以硅/石英为基底，依靠线栅周期、线宽、深度实现偏振分光功能。常规工艺链路为：外购纳米硬模→电子束蒸发镀膜→纳米压印→单一气体刻蚀→常规清洗，线栅典型设计周期40～400nm、线宽20～200nm、深度50～200nm。

2、目前，现有技术存在的核心缺陷有以下几点：

3、硬模刻蚀性能不足：传统al膜层刻蚀选择比偏低，浅深度硬模无法直接刻蚀出大深度铝线栅结构；硬模刻蚀后易出现结构断线、侧壁粘连问题，硬模使用寿命与结构精度大幅下降。

4、纳米压印工艺缺陷突出：原有压印胶搭配不合理，硬模粘连会导致脱模过程中线栅结构断裂；底胶厚度偏厚时，后续打氧去胶工艺稳定性差；压印后线栅线宽、高度尺寸偏差大，结构一致性差。

5、薄膜沉积质量不佳：制备铝膜层时，膜层致密性差，压印后实际膜厚达不到设计要求，直接影响器件偏振透过率、消光比等核心光学指标。

6、刻蚀与清洗工艺易造成结构损伤：压印胶耐打氧性能差，常规清洗方式无法彻底除胶，易引发线栅飞丝、粘连、断线；单一刻蚀气体组合对线栅轮廓控制能力弱，成品结构形貌不达标。

7、光学性能匹配度差：现有技术对线栅周期、深度、占空比参数组合缺乏系统性仿真与优化，消光比、偏振透过率达不到高端应用标准；线栅角度、材料配比未做针对性设计。

8、硬模采购成本高、交付周期长：外购8寸纳米硬模单价最高达100万元/片，批量采购总价高，交期长达3个月，供应链依赖性强。

9、因此，针对以上问题，提供一种高消光比纳米线栅偏振器件及制备方法。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种高消光比纳米线栅偏振器件及制备方法，解决现有技术中纳米线栅偏振器件存在的硬模刻蚀性能不足、纳米压印工艺缺陷突出、薄膜沉积质量不佳、刻蚀与清洗工艺易造成结构损伤、光学性能匹配度差以及硬模采购成本高和交付周期长等问题。

2、实现上述目的的技术方案是：

3、本发明之一的一种高消光比纳米线栅偏振器件，包括：

4、基底，基底为石英玻璃；

5、功能膜层，功能膜层设置于基底表面，功能膜层为ti过渡层与al偏振功能层的复合结构；

6、线栅核心结构，线栅核心结构形成于所述功能膜层表面；

7、其中，线栅核心结构参数包括：周期、线宽、深度及占空比；

8、占空比为线宽与周期的比值，即：

9、。

10、优选的，功能膜层的ti过渡层的厚度区间为4～10nm，功能膜层的al偏振功能层的厚度区间为100nm～200nm。

11、优选的，线栅核心结构的占空比为0.5，周期为100～110nm，深度为150～200nm。

12、优选的，线栅核心结构的入射角为0±20°，偏振定义为s光与线栅垂直，p光与线栅平行。

13、本发明之二的一种高消光比纳米线栅偏振器件的制备方法，包括：

14、步骤s1，制备匹配的硅基硬模，即石英基底；

15、步骤s2，在石英基底上沉积ti过渡层与al偏振功能层以形成复合功能膜层；

16、步骤s3，在复合功能膜层上涂覆纯有机纳米压印胶，并使用石英基底进行纳米压印，以转移线栅图形；

17、步骤s4，采用多组分混合气体对压印后的al偏振功能层进行干法刻蚀，形成线栅核心结构；

18、步骤s5，对刻蚀后的线栅核心结构进行组合式后清洗，去除残胶。

19、优选的，所述步骤s1中，硅基硬模的制备工艺为：

20、通过混合气体干法刻蚀制备深度为50nm的初代硬模；

21、或者，

22、引入金属掩模层，通过分两步进行金属掩模层刻蚀与介质层刻蚀，制备深度为150nm的二代大深度硬模。

23、优选的，所述步骤s2中，沉积采用磁控溅射方案，通过调控溅射功率、保护气流量、腔体气压和沉积时长来控制膜层厚度与均匀性；

24、或者，

25、沉积采用电子束蒸发方案，依次蒸镀ti过渡层与al偏振层，其中，ti过渡层的厚度区间为4～10nm，al偏振层的厚度区间为100nm～200nm。

26、优选的，所述步骤s3中，纯有机纳米压印胶为ksa08系列压印胶，根据硬模规格采用相应稀释配比与匀胶转速，即：

27、针对初代硬模，压印胶稀释配比为1:4，匀胶转速为3000rpm，平台温度为常温，实现近无底胶状态；

28、针对二代大深度硬模，压印胶稀释配比为1:2，匀胶转速为2000rpm，平台温度为常温，压印压力为低载荷区间。

29、优选的，所述步骤s4中，干法刻蚀通过调整射频功率、偏置电压和反应气体流量配比，区分常规深度刻蚀与大深度加长刻蚀两种工况，并根据目标线栅深度匹配刻蚀反应时长。

30、优选的，所述步骤s5中，组合式后清洗具体包括：

31、首先进行等离子氧化处理，然后进行高温有机碱性药液恒温浸泡，最后进行极性有机溶剂浸泡清洗。

32、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

33、本发明通过二代硅基大深度硬模（深度150nm）、ti/al复合功能膜层及多组分混合气体刻蚀工艺，可实现线栅深度精准控制在150～200nm区间，搭配占空比0.5的设计，使器件在400～1600nm全波段消光比满足高端设备使用指标，同时维持稳定的偏振透过率；

34、线栅核心结构设计支持0±20°入射角范围，s光与线栅垂直、p光与线栅平行的偏振定义，适配不同光学系统的入射角度需求，拓宽了器件的应用场景；

35、兼容石英玻璃、高铝硅玻璃、蓝宝石单晶等多种透明基底，仅需根据基底材料调整膜层预处理参数，即可保证功能膜层的附着力与结构稳定性，满足不同应用场景对基底的特殊要求。

1.一种高消光比纳米线栅偏振器件，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种高消光比纳米线栅偏振器件，其特征在于，功能膜层的ti过渡层的厚度区间为4～10nm，功能膜层的al偏振功能层的厚度区间为100nm～200nm。

3.根据权利要求1所述的一种高消光比纳米线栅偏振器件，其特征在于，线栅核心结构的占空比为0.5，周期为100～110nm，深度为150～200nm。

4.根据权利要求1所述的一种高消光比纳米线栅偏振器件，其特征在于，线栅核心结构的入射角为0±20°，偏振定义为s光与线栅垂直，p光与线栅平行。

5.一种高消光比纳米线栅偏振器件的制备方法，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中，硅基硬模的制备工艺为：

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中，沉积采用磁控溅射方案，通过调控溅射功率、保护气流量、腔体气压和沉积时长来控制膜层厚度与均匀性；

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中，纯有机纳米压印胶为ksa08系列压印胶，根据硬模规格采用相应稀释配比与匀胶转速，即：

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s4中，干法刻蚀通过调整射频功率、偏置电压和反应气体流量配比，区分常规深度刻蚀与大深度加长刻蚀两种工况，并根据目标线栅深度匹配刻蚀反应时长。

10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s5中，组合式后清洗具体包括：