梯度渐变微纳米光学结构制备方法及其结构与流程

1.本技术涉及微纳米加工技术领域，特别是涉及一种梯度渐变微纳米光学结构制备方法及其结构。


背景技术：

2.梯度渐变衍射光学元件(diffractive optical elements with graded nanostructures)是一种以人工智能、导航、量子感知、纳米计量及增强现实/虚拟现实等为应用导向的新型光电元件，该元件在几何上表现为一个或多个维度为梯度渐变亚波长结构，在光学性质上表现为奇特的纳米光学可操控的显著增强光学衍射特性，在产业上可以采用低成本大面积高效率纳米压印等工艺技术实现大规模量产，在应用中具有更宽的光谱调谐范围更高品质因子等，因此备受光电集成与智能传感的产业关注。
3.利用梯度渐变微纳米光学结构能形成纳米尺度衍射光栅器件可以满足智能手机光学测量实现高分辨成像与屏下偏振感知和应力传感，以及作为光栅闪耀特性在可穿戴设备光能量利用率的调控与模式调控等。梯度渐变微纳米光学结构还可以在量子计算领域发挥独有模式选择和拓扑光子调控性能，是实现光量子基本结构单元。我国在梯度渐变衍射光学元件方面取得一些理论设计成果，但制备工艺技术比较落后，因此开展梯度渐变光电器件的研究十分迫切。
4.然而，梯度纳米光电子器件的加工难度非常大，且不同应用场景下，器件的关键尺寸也有很大差异。在高分辨高性能光电传感集成领域，要求关键尺寸为百纳米甚至百纳米以内。此时，传统的工艺制备方法不能摆脱衍射极限的制约，难以满足如此高分辨的纳米加工能力。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对上述问题，提供一种梯度渐变微纳米光学结构制备方法及其结构。
6.本技术提供一种梯度渐变微纳米光学结构制备方法，包括：
7.s10，提供衬底；
8.s20，于所述衬底表面旋涂光刻胶膜层；
9.s30，根据光刻掩模版，对所述光刻胶膜层进行第一次光刻，形成多个光刻胶结构；
10.s40，采用回流工艺对所述多个光刻胶结构进行处理，形成多个梯度渐变光刻胶结构；
11.s50，对所述多个梯度渐变光刻胶结构进行第二次光刻，形成多个梯度光刻胶微结构；
12.s60，采用压印工艺，将所述多个梯度光刻胶微结构的结构形状进行转移，形成多个梯度渐变微结构模具；
13.s70，根据所述多个梯度渐变微结构模具，制备形成梯度渐变微纳米光学结构。
14.在一个实施例中，在所述s30中，根据光刻掩模版，对所述光刻胶膜层进行第一次光刻，形成多个光刻胶结构，包括：
15.根据光刻掩模版，采用电子束光刻工艺或者深紫外光光刻工艺或者极紫外光光刻工艺对所述光刻胶膜层进行第一次光刻，形成所述多个光刻胶结构。
16.在一个实施例中，所述梯度渐变微纳米光学结构的厚度为100nm至80um。
17.在一个实施例中，在所述s40中，采用回流工艺对所述多个光刻胶结构进行处理，形成多个梯度光刻胶微结构，包括：
18.设置回流温度为95℃至120℃，回流时间为5分钟至8分钟；
19.根据所述回流温度和所述回流时间，对所述多个光刻胶结构进行处理，形成所述多个梯度光刻胶微结构。
20.在一个实施例中，在所述s50中，对所述多个梯度光刻胶微结构进行第二次光刻，形成多个梯度渐变微结构，包括：
21.采用电子束光刻工艺对所述多个梯度光刻胶微结构进行第二次光刻，形成所述多个梯度渐变微结构。
22.或者，采用激光直写对所述多个梯度光刻胶微结构进行第二次光刻，形成闪耀光栅结构。
23.在一个实施例中，在所述s50中，沿着第一方向，采用电子束光刻工艺对所述多个梯度光刻胶微结构进行第二次光刻，形成所述多个梯度渐变微结构；
24.其中，所述第一方向为所述梯度光刻胶微结构的轴向方向或者所述梯度光刻胶微结构的垂直轴向方向。
25.在一个实施例中，在所述s50中，沿着所述梯度光刻胶微结构的垂直轴向方向，采用电子束光刻工艺对所述多个梯度光刻胶微结构进行第二次光刻，形成闪耀光栅结构。或者，采用激光直写对所述多个梯度光刻胶微结构进行第二次光刻，形成闪耀光栅结构。
26.在一个实施例中，在所述s50中，沿着所述梯度光刻胶微结构的轴向方向，采用电子束光刻工艺对所述多个梯度光刻胶微结构进行第二次光刻，形成不同高度的啁啾光栅结构。或者，采用激光直写对所述多个梯度光刻胶微结构进行第二次光刻，形成闪耀光栅结构。
27.在一个实施例中，在所述s20中，所述光刻胶膜层的材料为pmma、zep520或者su8。
28.在一个实施例中，本技术提供一种梯度渐变微纳米光学结构，采用上述实施例中任一项所述的梯度渐变微纳米光学结构制备方法制备。
29.上述梯度渐变微纳米光学结构制备方法及其结构，通过所述s10至所述s70步骤，提供了一种集成工艺方法，解决了梯度渐变微纳米结构的加工难点。通过所述s30进行和第一次光刻工艺，形成所述多个光刻胶结构。通过所述s40，采用退火回流工艺，将所述多个光刻胶结构演变成所述多个梯度渐变光刻胶结构。通过所述s50进行第二次光刻工艺，形成所述多个梯度光刻胶微结构。通过所述s60，采用压印工艺，形成所述多个梯度渐变微结构模具。通过所述s70，根据所述多个梯度渐变微结构模具生长金属材料，实现光刻胶图形保真性转移到衬底薄膜材料中，进而制备形成梯度渐变微纳米光学结构，从而实现目标衬底材料的梯度渐变微纳米结构的光电子器件。
30.通过本技术所述梯度渐变微纳米光学结构制备方法，可以满足梯度渐变高分辨率
微纳米结构的加工需求，解决了梯度渐变的纳米光栅(graded nano
‑
gratings)、梯度渐变的超表面(graded metasurface)、梯度等效折射率的纳米光电器件加工难题。
附图说明
31.为了更清楚地说明本技术实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为本技术提供的梯度渐变微纳米光学结构制备方法的工艺制备流程示意图。
33.图2为本技术提供的一个实施例中引导结构的示意图。
34.图3为本技术提供的一个实施例中沿着梯度光刻胶微结构的垂直轴向方向制备闪耀光栅结构的工艺流程示意图。
35.图4为本技术提供的一个实施例中沿着梯度光刻胶微结构的轴向方向制备不同高度的啁啾光栅结构的工艺流程示意图。
36.图5为本技术提供的一个实施例中梯度圆屋顶结构的工艺流程示意图。
37.附图标记说明：
38.衬底10、光刻胶膜层20、光刻胶结构210、梯度渐变光刻胶结构211、梯度光刻胶微结构212、第一子闪耀光栅结构2121、第二子闪耀光栅结构2122、第三子闪耀光栅结构2123、梯度渐变微纳米光学结构100。
具体实施方式
39.为了便于理解本技术，下面将参照相关附图对本技术进行更全面的描述。附图中给出了本技术的实施例。但是，本技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本技术的公开内容更加透彻全面。
40.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。
41.在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
42.这里参考作为本技术的理想实施例(和中间结构)的示意图的横截面图来描述申请的实施例，这样可以预期由于例如制造技术和/或容差导致的所示形状的变化。因此，本技术的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制造技术导致的形状偏差。因此，图中显示的区实质上是示意性的，它们的形状并不表示器件的区的实际形状，且并不限定本技术的范围。
43.请参阅图1，本技术提供一种梯度渐变微纳米光学结构制备方法，包括：
44.s10，提供衬底10；所述衬底10可以为硅、熔融石英、二氧化硅、蓝宝石、聚合物衬底
(如pet、pi等)等。
45.s20，于所述衬底10表面旋涂光刻胶膜层20；所述光刻胶膜层20的材料可以为聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、alfa
‑
氯代丙烯酸甲酯和alfa
‑
甲基苯乙烯的交替共聚物(zep520)及负环氧抗蚀剂(su8)等。在一个实施例中，在所述s20中，所述光刻胶膜层20的材料为聚甲基丙烯酸甲酯。
46.s30，根据光刻掩模版，对所述光刻胶膜层20进行第一次光刻，形成多个光刻胶结构210；所述光刻掩模版可以自主进行设计，可以依据给定应用环境进行设计。根据所述光刻掩模版对所述光刻胶膜层20进行第一次光刻工艺，依次经过对准曝光、显影定影、蒸发剥离等工序形成所述多个光刻胶结构210。在一个实施例中，在所述s30中，提供图2所示的引导结构。根据所述光刻掩模版，对所述光刻胶膜层20进行第一次光刻工艺，形成图2所示引导结构。所述引导结构用以进行高分辨光刻的套刻标记。根据所述引导结构，在所述引导结构的中间部分形成所述多个光刻胶结构210(请参见图2中箭头所指位置)。在所述s30中，对所述光刻胶膜层20进行第一次光刻时，可以采用电子束光刻、深紫外光(duv)或极紫外光(euv)光刻、激光直写等。
47.s40，采用回流工艺对所述多个光刻胶结构210进行处理，形成多个梯度渐变光刻胶结构211；在所述s40中，通过所述回流工艺对所述多个光刻胶结构210进行高温退火回流处理。根据所述多个光刻胶结构210的光刻胶材料玻璃化温度转变点和粘流参数，设计不同回流工艺参数，例如回流工艺温度和回流工艺时间等参数。所述多个光刻胶结构210经过高温退火回流处理后，使得高分辨曝光后的所述光刻胶结构210的表面形貌的光刻胶材料慢慢地在重力和流体粘流作用下，坍塌成梯度渐变形貌，形成所述多个梯度渐变光刻胶结构211。
48.s50，对所述多个梯度渐变光刻胶结构211进行第二次光刻，形成多个梯度光刻胶微结构212；在所述s50中，对所述多个梯度渐变光刻胶结构211进行第二次光刻工艺，依次经过对准曝光、显影定影、蒸发剥离等工序形成所述多个梯度光刻胶微结构212。在一个实施例中，在所述s50中，以所述多个梯度渐变光刻胶结构211为牺牲层，采用电子束光刻工艺，依次经过对准曝光、显影定影等工艺步骤，形成所述多个梯度光刻胶微结构212。所述多个梯度光刻胶微结构212为精细微结构。其中，在曝光步骤中，曝光方向可以是任意的，也可以是沿着梯度渐变方向。
49.s60，采用压印工艺，将所述多个梯度光刻胶微结构212的结构形状进行转移，形成多个梯度渐变微结构模具；在所述s60中，通过所述压印工艺，进行母版图形转移。根据所述多个梯度渐变微结构模具可以满足工业生产和量产的需求。
50.s70，根据所述多个梯度渐变微结构模具，制备形成梯度渐变微纳米光学结构100。在所述s70中，在所述多个梯度渐变微结构模具中生长ni或者cr等金属，形成金属化梯度渐变图案。将所述金属化梯度渐变图案从所述多个梯度渐变微结构模具中脱离，形成所述梯度渐变微纳米光学结构100。
51.本实施例中，通过所述s10至所述s70步骤，提供了一种集成工艺方法，解决了梯度渐变微纳米结构的加工难点。通过所述s30进行和第一次光刻工艺，形成所述多个光刻胶结构210。通过所述s40，采用退火回流工艺，将所述多个光刻胶结构210演变成所述多个梯度渐变光刻胶结构211。通过所述s50进行第二次光刻工艺，形成所述多个梯度光刻胶微结构
212。通过所述s60，采用压印工艺，形成所述多个梯度渐变微结构模具。通过所述s70，根据所述多个梯度渐变微结构模具生长金属材料，实现光刻胶图形保真性转移到衬底薄膜材料中，进而制备形成梯度渐变微纳米光学结构100，从而实现目标衬底材料的梯度渐变微纳米结构的光电子器件。
52.通过本技术所述梯度渐变微纳米光学结构制备方法，可以满足梯度渐变高分辨率微纳米结构的加工需求，解决了梯度渐变的纳米光栅(graded nano
‑
gratings)、梯度渐变的超表面(graded metasurface)、梯度等效折射率的纳米光电器件加工难题。
53.在一个实施例中，在所述s10之后，所述s20之前，对所述衬底10进行cmos工艺标准清洗，去除表面有机物、金属沉积物、无机颗粒等污染物。
54.在一个实施例中，根据cmos标准工艺执行，采用丙酮淋洗聚合物衬底。
55.在一个实施例中，在所述s30中，根据光刻掩模版，对所述光刻胶膜层20进行第一次光刻，形成多个光刻胶结构210，包括：
56.根据光刻掩模版，采用电子束光刻工艺或者深紫外光光刻工艺或者极紫外光光刻工艺对所述光刻胶膜层20进行第一次光刻，形成所述多个光刻胶结构210。
57.在一个实施例中，在所述s40中，采用回流工艺对所述多个光刻胶结构210进行处理，形成多个梯度光刻胶微结构211，包括：
58.设置回流温度为95℃至120℃，回流时间为5分钟至8分钟；
59.根据所述回流温度和所述回流时间，对所述多个光刻胶结构210进行处理，形成所述多个梯度光刻胶微结构211。
60.本实施例中，回流工艺过程使得高分辨曝光后的所述多个光刻胶结构210的表面形貌的光刻胶材料慢慢地在重力和流体粘流作用下，坍塌成梯度渐变形貌。设置回流温度时，回流工艺中腔体底部温度为95℃至100℃，腔体顶部温度为105℃至120℃。通过设置回流温度与回流时间，控制所述多个光刻胶结构210的变化状态，进而获得更加精确地所述多个梯度光刻胶微结构211。
61.请参见图3与图4，在一个实施例中，所述多个光刻胶结构210为矩形线条。通过所述s40中回流工艺后，形成截面为抛物线形貌的所述多个梯度光刻胶微结构211。
62.请参见图5，在一个实施例中，所述多个光刻胶结构210为圆柱形结构。通过所述s40中回流工艺后，形成形貌演化为梯度圆屋顶结构的所述多个梯度光刻胶微结构211。
63.在一个实施例中，所述光刻胶膜层20为pmma材料，采用回流工艺时，所述回流温度设置为110℃，所述回流时间设置为7分钟。
64.在一个实施例中，在所述s50中，对所述多个梯度光刻胶微结构211进行第二次光刻，形成多个梯度渐变微结构212，包括：
65.采用电子束光刻工艺对所述多个梯度光刻胶微结构211进行第二次光刻，形成所述多个梯度渐变微结构212。
66.本实施例中，电子束光刻工艺是一种用低功率密度的电子束照射电致抗蚀剂，经显影后在抗蚀剂中产生图形的一种微细加工技术。电子束光刻工艺具有分辨率高、掩膜版制作容易、工艺容限大以及生产效率高的优点，更适用于对所述多个梯度光刻胶微结构211进行第二次光刻，形成所述多个梯度渐变微结构212。
67.请参见图3与图4，在一个实施例中，在所述s50中，沿着第一方向，采用电子束光刻
工艺对所述多个梯度光刻胶微结构211进行第二次光刻，形成所述多个梯度渐变微结构212；
68.其中，所述第一方向为所述梯度光刻胶微结构211的轴向方向或者所述梯度光刻胶微结构211的垂直轴向方向。
69.请参见图3，所述第一方向为所述梯度光刻胶微结构211的垂直轴向方向，即图3中所示z方向。请参见图4，所述第一方向为所述梯度光刻胶微结构211的轴向方向，即图4中所示y方向。通过沿着所述第一方向，采用电子束光刻工艺对所述多个梯度光刻胶微结构211进行第二次光刻，可以获得不同结构的所述梯度渐变微纳米光学结构100。
70.请参见图3，在一个实施例中，在所述s50中，沿着所述梯度光刻胶微结构211的垂直轴向方向，采用电子束光刻工艺对所述多个梯度光刻胶微结构211进行第二次光刻，形成闪耀光栅结构。所述多个梯度渐变微结构212为所述闪耀光栅结构。所述闪耀光栅结构可以实现单缝衍射中央最大值的位置从没有色散的零级光谱转移到其他有色散的光谱级上。
71.本实施例中，图3所示的z方向为所述梯度光刻胶微结构211的垂直轴向方向。通过电子束光刻工艺对所述多个梯度光刻胶微结构211进行第二次光刻，可以获得图3所示的闪耀光栅结构。所述闪耀光栅结构可以为梯度或者抛物线性的结构。
72.请参见图4，在一个实施例中，在所述s50中，沿着所述梯度光刻胶微结构211的轴向方向，采用电子束光刻工艺对所述多个梯度光刻胶微结构211进行第二次光刻，形成不同高度的啁啾光栅结构。图4中所述多个梯度渐变微结构212为所述啁啾光栅结构。所述啁啾光栅结构具有特殊反射波形。所述啁啾光栅具有可单通道或多通道工作、非线性低、损耗低、全光纤型、无源偏振不敏感等优点。即图4中的高度逐渐变化的条状结构，也就是第一子闪耀光栅结构2121、第二子闪耀光栅结构2122以及第三子闪耀光栅结构2123，形成了如图3所示的多层次跨栏结构。
73.本实施例中，图4所示的y方向为所述梯度光刻胶微结构211的轴向方向。通过电子束光刻工艺对所述多个梯度光刻胶微结构211进行第二次光刻，可以获得图4所示的啁啾光栅结构。
74.在一个实施例中，在所述s70中，结合图形分辨率可以采用电化学镀膜工艺，根据所述多个梯度渐变微结构模具生长金属ni或者cr等形成金属化梯度渐变图案。在形成金属化梯度渐变图案后，对顶层采用cmp化学机械抛光，将电化学镀膜的上表面抛光滑，粗糙度小于1nm。随后，将抛光后的金属化梯度渐变图案从所述多个梯度渐变微结构模具中脱离。采用pdms材料(polydimethylsiloxane)进行纳米压印转移。pdms材料(polydimethylsiloxane)为一种高分子有机硅化合物。具体地步骤包括脱模剂表面处理、pdms材料(polydimethylsiloxane)组分配比陈化及排出气泡和流平，最后进行紫外光固化成膜及脱模。抛光后的金属化梯度渐变图案从所述多个梯度渐变微结构模具中脱离，形成所述梯度渐变微纳米光学结构100。
75.在一个实施例中，所述梯度渐变微纳米光学结构100的厚度为100nm至80um。通过本技术提供的所述梯度渐变微纳米光学结构制备方法制备获得100nm至80um厚度的所述梯度渐变微纳米光学结构100，获得高分辨高保真性梯度渐变微纳米结构，可以实现闪耀光栅、光波导、圆屋顶等梯度渐变微纳米光学结构以及超周期啁啾微纳米结构。
76.在一个实施例中，采用电子束光刻工艺，制备所述梯度渐变微纳米光学结构100的
厚度为2um。
77.在一个实施例中，采用激光直写，制备所述梯度渐变微纳米光学结构100的厚度为80um。
78.在一个实施例中，本技术提供一种梯度渐变微纳米光学结构，采用上述实施例中任一项所述的梯度渐变微纳米光学结构制备方法制备。
79.本技术提供的所述梯度渐变微纳米光学结构制备方法是针对智能传感、高分辨显示与成像、量子感知等产业应用需求，可以解决光场纳米调控、定向激发与定向耦合等功能器件的高精度可控制备。并且，所述梯度渐变微纳米光学结构制备方法在工艺上融合了热回流、高分辨光刻及纳米压印多项工艺技术，解决纳米光电功能器件对工艺稳定性和可靠性提出的严格要求，为提升器件的产品成品率形成基础。同时，所述梯度渐变微纳米光学结构制备方法制备获得的所述梯度渐变微纳米光学结构100，能够实现功能器件纳米尺度光场调控，满足消费电子产品、增强现实和虚拟现实对大视场角、片上集成高性能光电子芯片的需求。
80.在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本技术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描述不一定指的是相同的实施例或示例。
81.上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。