一种大面积光栅的制备方法与流程

1.本发明涉及微纳加工领域，尤其涉及一种大面积光栅的制备方法。


背景技术：

2.光栅具有优异的光学性能，在现代生产生活中得到了广泛的应用，但是现有的制备工艺中，面积越大的光栅制备成本越昂贵，降低大面积光栅的制备成本有很重要的意义。
3.为了实现大面积光栅的制作，国内外也已经有了很多相关的探索。主要还是分为两大探索的路径，分别为纳米压印和全息干涉曝光。纳米压印是将具有纳米级尺寸图案的模板在机械力的作用下压到涂有高分子材料的衬底上，进行等比例压印复制图案的工艺。作为一种低成本的下一代光刻技术，纳米压印技术被誉为十大可改变世界的科技之一。2008年，复旦大学谢申奇应用热压印技术制备了周期为1微米、500nm、300nm、200nm，面积大小为10mm
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10mm的光栅，其中模具是用电子束光刻技术在硅基上制备而成，2016年，中国科学技术大学老师运用紫外固化压印的技术，制作了100mm
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100mm大面积的光栅。2018年，weidong kang等使用纳米压印和金属热蒸发工艺制造了4英寸大面积柔性红外纳米偏振片。2019年，兰红波等利用自主研发的复合压印光刻机，并结合优化的工艺参数，在3种不同的硬质基材上实现了最大直径为15.24cm的圆形区域的微尺度光栅结构制造。然而，由于纳米压印的流程中第一步都是需要制备母模板，现有技术路线制备母模板仍然主要使用电子束直写这一成本极高的方式，而大面积电子束直写有时间长、成本极其昂贵的问题，并且一般的用硅制备的母模板能够循环利用的次数也是小于30次，因此现有技术制备大面积的均匀光栅过程中都存在纳米压印母模板的制备成本高的问题。
4.以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本技术的新颖性和创造性。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提出一种大面积光栅的制备方法，降低了大面积光栅制造的成本。
6.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.本发明公开了一种大面积光栅的制备方法，包括以下步骤：
8.s1：搭建干涉曝光光路；
9.s2：选定制备所述大面积光栅所需的光刻胶和基底材料，再依次进行匀胶和前烘步骤；
10.s3：预设曝光时间，并采用干涉曝光光路进行曝光；
11.s4：预设显影时间，并进行显影；
12.s5：观察基底中心的光刻胶是否已经溶解完，如果是，则减小显影时间并再次执行步骤s2～s4，如果否，则继续执行步骤s6：
13.s6：观察基底中心的光刻胶占空比是否已经达到光刻胶的极限分辨率，如果是，则继续执行步骤s7，如果否，则增加曝光时间并再次执行步骤s2～s5；
14.s7：测量达到光刻胶的极限分辨率的面积，该面积为所述干涉曝光光路能够曝光得到的光栅的最大面积，并记录此时的曝光时间和显影时间为所述干涉曝光光路能够曝光得到的光栅的最大面积的参数。
15.优选地，所述干涉曝光光路包括光源、快门、偏振分光棱镜、两个二分之一波片和两组曝光组件，其中所述光源发出的光束依次经过快门、第一个二分之一波片和偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜将光束分成两束光，其中一束光经过第一组曝光组件后到达曝光平面，另一束光依次经过第二个二分之一波片和第二组曝光组件后到达所述曝光平面，且两束光从所述偏振分光棱镜到所述曝光平面是对称布置的。
16.优选地，两组所述曝光组件分别包括完全一致的反射镜、空间滤波器、小孔光阑和准直透镜，一束光依次经过第一组曝光组件中的所述反射镜、所述空间滤波器、所述小孔光阑和所述准直透镜后到达曝光平面，另一束光依次经过第二个二分之一波片和第二组曝光组件中的所述反射镜、所述空间滤波器、所述小孔光阑和所述准直透镜后到达所述曝光平面。
17.优选地，通过调节第一个二分之一波片使通过所述偏振分光棱镜后的两束光最终的光强相等。
18.优选地，步骤s3中预设曝光时间具体包括：测量所述干涉曝光光路中曝光处的功率i2，根据来确定预设的曝光时间t2，其中，i1和t1分别指的是经过实验测量得到过的曝光处的光强和曝光时间。
19.优选地，步骤s4中预设的显影时间大于或等于30s。
20.优选地，步骤s4中所述显影步骤是在保持基底与显影液相对静止的条件进行的。
21.优选地，步骤s5中采用超景深显微镜来观察基底中心的光刻胶是否已经溶解完，步骤s6采用扫描电子显微镜来观察基底中心的光刻胶占空比是否已经达到光刻胶的极限分辨率。
22.优选地，步骤s7在测量达到光刻胶的极限分辨率的面积之前还包括：
23.观察基底中心的光刻胶是否已经因为透镜加工工艺带来占空比的变化，如果是，则继续执行测量达到光刻胶的极限分辨率的面积，如果否，则继续增加曝光时间并再次执行步骤s2～s6。
24.优选地，步骤s7中在测量达到光刻胶的极限分辨率的面积之后还包括：判断是否更换过所述干涉曝光光路中的准直透镜，如果否，则将所述干涉曝光光路中的准直透镜更换为焦距更长的准直透镜并重复步骤s2～s6；如果是，则将此次测量达到光刻胶的极限分辨率的面积与上一次的进行比较，并判断此次测量达到光刻胶的极限分辨率的面积是否比上一次的大：如果是，则再次将所述干涉曝光光路中的准直透镜更换为焦距更长的准直透镜并重复步骤s2～s6；如果否，则使用上一次测量达到光刻胶的极限分辨率的面积为所述干涉曝光光路中的光源能够得到的光栅的最大面积，并记录上一次实验的曝光时间、显影时间和准直透镜的焦距为所述干涉曝光光路中的光源能够得到的光栅的最大面积的参数。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提出的制备方法中，提出可以通
过增加曝光时间使光刻胶光栅达到极限分辨率的方式来制造实现具有均匀线宽的光刻胶光栅，能够在实验室条件下使用功率有限的激光器也能制备出具有均匀占空比的面积尽可能大的光栅，且通过调节曝光时间和显影时间，能够消除由于透镜制造工艺误差带来的光栅占空比的不均匀性。本发明提供的制备方法可以在不使用超高功率激光器和平顶光调制器时就能制作出具有均匀占空比光刻胶光栅，从而降低了大面积光栅制造的成本，使得大面积均匀占空比光刻胶光栅在普通实验室条件下即可方便制造。
26.在进一步的方案中，本发明还提出可以通过选择焦距最合适的准直透镜，即等效于对激光选择最合适的扩束孔径来实现消除由于透镜制造工艺误差带来的均匀性误差。根据本发明方法已经基于发明人实验室条件加工出了周期为550纳米，占空比为0.237(即线宽为130纳米)，均匀面积高达直径30毫米的大面积光栅。
附图说明
27.图1是本发明优选实施例公开的制备具有均匀占空比的大面积光栅的方法流程图。
28.图2是本发明优选实施例的激光干涉曝光光路图；
29.图3是本发明具体实施例中在超景深显微镜下观察显示中心光刻胶已经溶解完的示意图；
30.图4是本本发明具体实施例中在超景深显微镜下观察显示中心光刻胶未溶解完的示意图；
31.图5是本本发明具体实施例中在扫描电子显微镜下观察显示已经达到光刻胶极限分辨率的示意图；
32.图6是本本发明具体实施例中在扫描电子显微镜下观察显示中心光刻胶已经因为透镜加工工艺带来占空比的变化的示意图；
33.图7是采用本本发明具体实施例制备出来的周期为550纳米，占空比为0.237，均匀面积高达直径30毫米的大面积光栅实际成品的示意图。
具体实施方式
34.以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
35.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路/信号连通作用。
36.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
37.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
38.全息干涉曝光是利用激光的良好的相干性，通过搭建光路实现多束相干的光束在表面衬底上形成明暗相间的干涉条纹，从而实现特殊的图案的制造，具有成本低、面积大的特点。但是由于激光光束是高斯光束，且每次进行干涉加工只能有一个曝光时间和显影时间，超高功率的激光器和平顶光调制器价格也非常昂贵，所以现有工艺制备大面积均匀线宽的光栅成本较高。很多人在研究使用曝光拼接的方式实现大面积光栅的加工，但是这样的方法需要极其复杂的光路和极其精密的姿态角和旋转角控制。同时，由于透镜在实际制作中与设计值一定有一定误差，使其与设计表面会出现比较明显的凹凸不平，所以实际经过透镜准直之后的各处的光斑是不均匀的，由于透镜的不均匀性则会带来一定的光强不均匀性，在曝光时间和显影时间不合适时，光强的不均匀性就会带来光栅占空比的不均匀性。本发明首次创造性地提出可以通过增加曝光时间使光刻胶光栅达到极限分辨率的方式来制造实现具有均匀线宽的光刻胶光栅，同时创造性地提出可以通过选择焦距最合适的准直透镜，即等效于对激光选择最合适的扩束孔径来实现消除由于透镜制造工艺误差带来的均匀性误差。本发明提供了在不使用超高功率激光器和平顶光调制器时制作具有均匀占空比光刻胶光栅的方法，从而降低了大面积光栅制造的成本，使得大面积均匀占空比光刻胶光栅在普通实验室条件下即可方便制造。在实验室所有条件下，摸索出制备大面积的均匀光栅也能再次降低纳米压印母模板的制备成本。
39.如图1所示，本发明优选实施例公开了一种制备具有均匀占空比的大面积光栅的方法，大面积光栅由基底和光刻胶组成，占空比由光刻胶的极限分辨率决定，所能达到的最大面积由所用的激光光源的输出功率决定，制备方法按照以下步骤制作：
40.1)搭建如图2所示的激光干涉曝光光路，光路中包含一个对光刻胶敏感的激光器10提供光源，从激光器10出来的光束经过一个快门20，然后经过二分之一波片31，再经过一个偏振分光棱镜40，此时分出来的两束光一束光经过一个二分之一波片32之后再经过反射镜51、空间滤波器61、小孔光阑71和准直透镜81到达曝光平面，另一束光则直接经过反射镜52、空间滤波器62、小孔光阑71和准直透镜82到达曝光平面90，两束通过偏振分光棱镜40之后的光需要满足对称布置，且使经过准直透镜81、82后到达曝光面的光束入射角为θ，这里θ由决定，其中p是设计的光栅周期，λ是激光器10输出光的波长。
41.其中，激光器10的输出功率越大越好；经过偏振分光棱镜40之后两束光分别使用的反射镜、空间滤波器、小孔光阑和准直透镜保持完全一致；通过调节第一个二分之一波片使通过偏振分光棱镜后的两束光最终的光强相等。
42.对于准直透镜，首先使用所有可选择的焦距最小透镜搭建光路。
43.2)根据制备光栅的用途选择合适的光刻胶以及匀胶参数，确定需要使用的基底材料后，完成匀胶步骤，此后光刻胶、匀胶参数、基底材料均不再改变。
44.3)根据选用的光刻胶，确定前烘的参数，完成前烘步骤，此后前烘参数不再改变。
45.4)测量光路中曝光处的功率，根据经验公式确定曝光时间，其中i1和t1分别指的是经过实验测量得到过的经验数值，分别代表实验测量得到的曝光处的光强和曝光
时间，这里的i1和t1分别对应光强为1.43mw和97s，i2是每次曝光得到的曝光处功率的实测数值，t2是根据曝光处功率的实测数值得到的所需的曝光时间，确定曝光时间后完成曝光。
46.5)确定一个较长的显影时间，例如30s，然后进行显影。其中，显影过程需要在保持基底与显影液相对静止的条件下进行。
47.6)然后在超景深显微镜观察基底中心的光刻胶是否已经溶解完，如果已经溶解完，则减小显影时间再次完成步骤2)～5)；若没有溶解完，则将基底放到扫描电子显微镜下观察。
48.7)在扫描电子显微镜下观察，查看中心光刻胶占空比是否已经达到光刻胶极限分辨率，如果没有达到光刻胶的极限分辨率，那么增加曝光时间，再次完成步骤2)～6)；如果光刻胶的占空比已经达到光刻胶的极限分辨率，那么进行步骤8)
49.8)在扫描电子显微镜下观察，中心光刻胶是否已经因为透镜加工工艺带来占空比的变化(占空比有变化也就是中心光刻胶的线宽有变化，通过电子显微镜可以观察到)，如果还没有发生改变，那么继续增加曝光时间，再次完成步骤2)
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7)；如果中心光刻胶已经因为透镜加工工艺带来占空比的变化，那么记录下该步骤的曝光时间和显影时间，并进行步骤9)。
50.9)在扫描电子显微镜下测量达到光刻胶极限分辨率的面积，如果是使用的第一种焦距的准直透镜完成的实验，直接更换焦距更长的准直透镜进行重复步骤2)～8)；如果已经是更换过准直透镜进行的重复实验，则将此次的测量得到的面积数据与上一次的进行比较，并判断该面积是否比之前所使用准直透镜制作出的面积大。如果面积比使用上一组准直透镜实验的面积更大，那么再次更换焦距更长的准直透镜进行重复步骤2)～8)；如果面积比使用上一组准直透镜实验的面积更小，那么使用上一组准直透镜进行实验得到的光栅面积即为该激光器下能够曝光得到均匀光栅的最大面积，而上一组准直透镜进行实验得到的曝光时间和时间也就是得到最大均匀光栅面积的实验参数。
51.本发明优选实施例提出一种具有均匀占空比的大面积光栅的制作方法。所述大面积光栅由基底和光刻胶组成，占空比由光刻胶的极限分辨率决定，所能达到的最大面积由所用的激光光源的输出功率决定决定。主要的加工步骤包括：搭建激光干涉曝光光路，确定合适焦距的准直透镜，选择合适的曝光时间，保持基底与显影液保持相对静止进行显影。本发明方法给出低成本条件下制备大面积光栅的路径，且得到的光刻胶光栅具有均匀的占空比。
52.下面结合附图及具体实施例对本发明提出的制备具有均匀占空比的大面积光栅的方法作进一步详细说明。
53.首先搭建如图2所示的干涉曝光光路，激光器10的光源选择曝光光源为日本kimmon公司生产的波长为442nm氦镉激光器，型号ik4171i
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g，出厂功率为180mw，实验中实际输出功率为126mw，光斑半径为0.7mm，发散角为0.5mrad。这里的空间滤波器61、62选择放大倍数为40倍的物镜和10μm的小孔。根据实验用途设计的光栅周期为550nm，因此最终的光线的入射角与曝光面的夹角为23.69
°
。首先选择焦距为200mm的准直透镜81、82进行实验。
54.本实施例中光刻胶光栅最终的用途是制作金属线栅偏振片，因此选择s1805的正胶和硅基底，最终的匀胶参数选择为500r/min、5s和3000r/min、40s，在这种匀胶参数下，最终可以得到约500nm厚的光刻胶。而根据选择的正胶s1805的特性，最终设定的前烘参数为
在115℃下烘烤1分钟。
55.对于使用焦距为150mm的准直透镜进行实验时，最终得到曝光处的中心功率为2.73mw，因此根据经验公式最终选择得到曝光时间为50s，然后完成曝光。在曝光完成后随即进行显影，如果在显影时基底与显影液有相对的运动，那么对于面积较大基底的各个部分的光刻胶与显影液发生反应的速度很难保证一样，而不一样的反应速度会导致二者发生反应的速度不一样，从而会导致最终得到的线宽产生比较明显的区别，因此得保持基底与显影液相对静止进行显影。此时一般先选择一个较大的显影时间为30s，这时放在超景深显微镜下观察，看中心的光刻胶是否已经溶解。其中，超景深显微镜对不同厚度的光刻胶表现出不同的颜色，而对于已经溶解完了的光刻胶，其颜色会表现为白色。在曝光时间26s，显影时间为30s时，此时中心光刻胶已经完全溶解，在超景深显微镜下观察到的结果如图3所示，其中的白色部分就是已经溶解完的部分。出现这样的结果意味着显影时间过长，所以得减小显影时间再进行实验。在进行重复实验时，除了显影时间外，其余的参数都不再改变，即仍然使用硅基底，匀胶参数为500r/min、5s和3000r/min、40s，前烘参数为在115℃下烘烤1分钟，曝光参数为在中心功率为2.73mw的情况下曝光50s。通过不断地减小显影时间，最终在显影15s的情况下获得了中心光刻胶没有溶解的结果，在超景深显微镜下得到的结果如图4所示，此时中心光刻胶没有任何部分有溶解。
56.进一步将得到的结果放到扫描电子显微镜下进行观察，查看中心光刻胶占空比是否已经达到光刻胶极限分辨率。对于s1805光刻胶来说，它的极限分辨率是135nm左右，所以主要就是查看光刻胶中心光栅的线宽是否已经达到135nm，最终得到的结果如图5所示。图中可以看到，在此曝光时间下中心光刻胶已经达到了光刻胶的极限分辨率，光栅的线宽达到了135nm。如果在扫描电子显微镜下进行观察中心的线宽没有达到极限分辨率，而是比135nm要大，那么就得增加曝光时间进行重复实验摸索显影的参数。
57.因为光栅中心的线宽已经达到了光刻胶的极限分辨率，但是由于光束是高斯光束的原因，边缘的光强比中心的光强要弱，所以一般中心的线宽都是比边缘的线宽要小。为了使达到均匀线宽的面积更大，此时仍然需要增加曝光时间，再重新进行实验摸索显影的参数，曝光时间越长，所需的显影时间会越短，在同一显影时间下达到均匀线宽的面积会更大。但是在时间长到一定程度时，由于透镜制作工艺所引起的不同点处的光强变化会对线宽产生比较明显的变化。在使用焦距为150mm的准直透镜进行实验，增加曝光时间到53s，显影时间通过实验摸索为13s，然后在扫描电子显微镜下进行观察，最终得到的中心光刻胶就可以看到明显的因为透镜加工工艺带来占空比的变化，如图6所示；图中光栅边缘已经出现了不同程度的凹凸不均匀，这种就是由于透镜加工工艺导致不同点处的光强的差别，而在曝光时间加长以后，这种差别的影响也被放大，此时已经过曝。所以这时测量得到的达到均匀线宽的面积即为该焦距下能够得到的最大面积。
58.由于激光束是高斯光束的原因，所以选择不同焦距的准直透镜就等效于选择不同的扩束孔径。越长的焦距对应于越小的扩束孔径，可以使同样曝光面积大小的光强极差越小，从而会使得同样的曝光时间下达到极限分辨率的光刻胶面积越大。但是越长的焦距也会导致越小的光强，这时曝光时间的增加会导致由于透镜加工工艺导致不同点处的光强的差别影响增加，从而也无法得到均匀光栅。所以在测试得到焦距为200mm的准直透镜得到的最大均匀面积为直径20mm之后，分别更换了焦距为300mm的准直透镜，得到的曝光处中心功
率为1.43mw，实验最终得到的曝光时间为97s，显影11s，最大的均匀面积为直径30mm。更换了焦距为500mm的准直透镜，得到的曝光处中心功率仅为0.52mw，实验最终得到的曝光时间为350s，显影10s，最大的均匀面积仅为直径15mm。
59.最终，通过本发明具体实施例得到的对于输出功率为126mw的激光器，在选择焦距为300mm的准直透镜时光栅的线宽达到了光刻胶极限分辨率的面积最大，最大面积达到直径30mm，其中采用的曝光时间和显影时间分别为97s和11s，最后得到的光栅成品示意图如图7所示。
60.以上，仅为本方法基于ik4171i
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g激光器、硅基底和s1805光刻胶的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在使用激光光刻工艺制备具有均匀占空比的大面积光栅时，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。
61.本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不是由其他人描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
62.以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。