專(zhuān)利名稱(chēng)：一種在光子晶體中引入缺陷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光子晶體及階梯型相位調(diào)制技術(shù)，尤其涉及一種在光子晶體中引入缺陷的方法。
背景技術(shù)：
隨著電子器件受響應(yīng)速率等影響越來(lái)越成為當(dāng)今信息技術(shù)的制約，光子操控的課題也進(jìn)入一個(gè)必然的趨勢(shì)，因其具有速率快、容量大等無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，其替代電器件將成為必然。自1987年光子晶體(Photonic Crystals,PCs)的提出，這種類(lèi)似于電學(xué)領(lǐng)域半導(dǎo)體的新型材料為光操控提供了很完善的操作平臺(tái)，其獨(dú)特的光子帶隙結(jié)構(gòu)為光分器，干涉儀，光波導(dǎo)等重要的器件理想的載體。通過(guò)幾十年的發(fā)展，光子晶體的制備技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，有些還已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，比較典型的有全息技術(shù)、自組裝技術(shù)，直寫(xiě)等，其中全息技術(shù)因具有操作簡(jiǎn)易，成本低廉，在大面積領(lǐng)域中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，已成功地應(yīng)用在深紫外等曝光技術(shù)中。而在光子晶體結(jié)構(gòu)中引入所需的缺陷結(jié)構(gòu)則是繼大面積高質(zhì)量光子晶體平臺(tái)之后又一重要的技術(shù)平臺(tái)。而缺陷的引入則是一個(gè)難題，目前所用的技術(shù)主要是微球組裝操控和激光直寫(xiě)技術(shù)。其中，微球技術(shù)主要應(yīng)用于三維缺陷的引入，而直寫(xiě)技術(shù)則受技術(shù)精度的制約，制備效率相對(duì)較低，而且考慮到機(jī)械操作，缺陷的質(zhì)量不是很理想。所以，如何高效地引入高質(zhì)量缺陷成為重要的研究課題。結(jié)合現(xiàn)在工藝上很成熟的曝光法制備大面積周期性光子帶隙結(jié)構(gòu)的技術(shù)，如果能夠成功地引入各式各樣的可操控性的缺陷結(jié)構(gòu)，那將實(shí)現(xiàn)一次性曝光制備光操控平臺(tái)的突破，甚至可以集合光源，光波導(dǎo)，分束器等常見(jiàn)的器件，大大節(jié)省了制備的成本。而利用階梯型薄膜發(fā)生透射和反射時(shí)的相位及強(qiáng)度等特性，階梯型薄膜的制備不可置否是該技術(shù)的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種在光子晶體中引入缺陷結(jié)構(gòu)的方法，利用階梯膜發(fā)生透射和反射時(shí)的相位及強(qiáng)度等特性，并結(jié)合全息法制備大面積光子晶體的優(yōu)勢(shì)，得到一種高效率且樣式多樣的缺陷結(jié)構(gòu)引入技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為一種在光子晶體中引入缺陷結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟
(1)取折射率和光刻膠相近且不相等的均勻液體滴在階梯型薄膜的膜層階梯處，階梯型薄膜在和光刻膠相接的空氣隙里均勻展開(kāi)并吸附在一起，組成階梯膜曝光系統(tǒng)；
(2)使用全息光刻光路制備光子晶體，將階梯膜曝光系統(tǒng)調(diào)節(jié)到全息光刻光路的焦平面處；
(3)利用CCD對(duì)相干光強(qiáng)模式進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，相干光強(qiáng)模式即為幾束相干光束形成的二維干涉模式即光強(qiáng)分布；(4)重復(fù)步驟(2)和(3)，直到在C⑶中觀察到的光強(qiáng)分布達(dá)到對(duì)比度最大，表明此時(shí)的二維干涉模式質(zhì)量最好；打開(kāi)全息光刻光路的激光進(jìn)行曝光，根據(jù)利用光刻膠的曝光劑量和曝光深度的相關(guān)數(shù)據(jù)，反推到相干光強(qiáng)，并結(jié)合相干區(qū)域光斑的面積大小，最終確定曝光時(shí)間；例如，要得到厚度為2micron的樣品，曝光劑量為60mJ/cm2，總光強(qiáng)150 μ W，面積4cm2,貝U曝光時(shí)間為IOOs ；
(5)曝光完成后，對(duì)階梯型薄膜進(jìn)行顯影，除去因曝光劑量不足而未固化部分，得到缺陷結(jié)構(gòu)。所述均勻液體的折射率與光刻膠的折射率相差土10%。所述全息光刻光路包括兩個(gè)消色差透鏡(L1、L2)組成的4f系統(tǒng)，使光束匯聚在一個(gè)大面積的相干區(qū)域，且光刻膠的位置位于第二消色差透鏡(L2)焦平面處。光刻膠為SU8光刻膠。
所述階梯膜的制備方法包括以下步驟
Ca)利用硅片的自然解理面為模板；
(b)離子均勻鍍?cè)诠杵咨?，形成階梯型膜層。所述步驟(b)中利用利用高溫磁控濺鍍。所述膜層不大于5μπι。所述階梯型薄膜，膜層梯度為90° ±5°。與現(xiàn)有的光子晶體引入缺陷結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明采用利用階梯膜引入缺陷結(jié)構(gòu)的方案，大大節(jié)省了制備的成本，并能結(jié)合全息法制備大面積光子晶體的優(yōu)勢(shì)，得到一種高效率且樣式多樣的缺陷結(jié)構(gòu)引入技術(shù)。


圖I為階梯膜的示意圖
圖2為階梯膜引入缺陷原理 圖3為階梯膜的曝光實(shí)現(xiàn)示意 圖4為二維缺陷結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述
如圖I為階梯型薄膜的俯視電鏡圖。其制備方法是，利用硅片的自然解理面為模板，利用高溫磁控濺鍍，使離子均勻地鍍?cè)赟i02基底上，從而形成階梯型的膜層。從其端面可以看出角度很陡直，所用的材料是Si02，膜層厚度在5μπι之內(nèi)均可控制。如圖2所示的階梯膜引入缺陷原理圖。階梯膜的功能在于
1、產(chǎn)生相位的躍變。光在和空氣接觸的兩個(gè)端面處發(fā)生折射和反射，其中，反射光將帶著一定的相位躍變和原來(lái)的入射光形成干涉模式，在左右兩束透射光的影響區(qū)域外，干涉模式和無(wú)階梯膜情況一致，保持正常的相干模式，而在影響處，分別發(fā)生一定的相位移動(dòng)，相位的改變?cè)斐傻氖窍鄳?yīng)的強(qiáng)度改變，通過(guò)控制光刻膠的曝光量將一定光強(qiáng)度閾值以下的位置點(diǎn)清洗掉，則得到缺陷結(jié)構(gòu)；
2、膜層本身的參數(shù)會(huì)對(duì)缺陷有所影響。首先，膜層的厚度會(huì)影響發(fā)生相位躍變的位置，通過(guò)控制厚度，可以實(shí)現(xiàn)缺陷位置發(fā)生的任意選擇。其次是可以通過(guò)控制膜層的形狀，實(shí)現(xiàn)不同的缺陷結(jié)構(gòu)，例如可以利用直角形膜層實(shí)現(xiàn)直角轉(zhuǎn)彎光子晶體波導(dǎo)等。如圖3是典型的全息法制備光子晶體的光路圖。其詳細(xì)步驟如下
1)一束488nm波長(zhǎng)的氬離子激光光束經(jīng)過(guò)一個(gè)x20的物鏡聚焦后，通過(guò)一個(gè)20 μ m的小孔進(jìn)行空間濾波；
2)利用一個(gè)凸透鏡對(duì)濾波后的光束進(jìn)行準(zhǔn)直，使光成平行光束向前傳播，并在一定距離處使平行光照射在衍射光學(xué)元件DOE上，分成強(qiáng)度相近，相位相同的同級(jí)衍 射光；這里的濾波和準(zhǔn)直也可以組合成一個(gè)系統(tǒng)，如圖3所示；
3)利用掩膜板選取同級(jí)衍射光，對(duì)二維DOE而言，一般是四束衍射光，圖3上只顯示了兩束，經(jīng)過(guò)由兩個(gè)消色差透鏡LI、L2組成的4f系統(tǒng),使光束在焦平面處形成2mm*2_的均勻相干區(qū)域；
4)利用折射率和光刻膠相近且不相等的均勻液體，取少許滴在膜層階梯處，使之在和光刻膠(和液體不相溶)相接的空氣隙里均勻平整地展開(kāi)，并利用其吸附力粘合在一起，組成階梯膜曝光系統(tǒng)；所述均勻液體的折射率與光刻膠的折射率相差土10%。5)將階梯膜曝光系統(tǒng)安裝在有豎直透光玻璃柱的調(diào)節(jié)架上，將光刻膠的位置調(diào)節(jié)到L2的焦平面處，并利用CCD對(duì)相干光強(qiáng)模式實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，如此往復(fù)反饋調(diào)節(jié)，使模式最佳；
6)打開(kāi)激光進(jìn)行曝光，并根據(jù)光刻膠的吸收劑量相關(guān)數(shù)據(jù)，確定曝光時(shí)間；
7)曝光完成后，利用相應(yīng)的顯影液和清洗液對(duì)樣品進(jìn)行處理，最后得到相應(yīng)的缺陷結(jié)構(gòu)。如圖4所示的缺陷結(jié)構(gòu)圖可以利用上述方法得到，所用的膜層是直角形Si02薄膜。在曝光系統(tǒng)中，通過(guò)改變膜層的厚度和入射角度等參數(shù)，可以控制缺陷結(jié)構(gòu)的寬度，同時(shí)改變?nèi)毕輰挾群途w周期的比值。而通過(guò)調(diào)整好膜層的偏向角度和方向，則可以實(shí)現(xiàn)沿各個(gè)晶向的缺陷，從而實(shí)現(xiàn)不同的光學(xué)器件。在同一塊光子晶體平板中同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種器件，則相當(dāng)于一塊簡(jiǎn)單的集成芯片，以供科研和工業(yè)生產(chǎn)之用。
權(quán)利要求
1.一種在光子晶體中引入缺陷結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟 (1)取折射率和光刻膠相近且不相等的均勻液體滴在階梯型薄膜的膜層階梯處，階梯型薄膜在和光刻膠相接的空氣隙里均勻展開(kāi)并吸附在一起，組成階梯膜曝光系統(tǒng)； (2)使用全息光刻光路制備光子晶體，將階梯膜曝光系統(tǒng)調(diào)節(jié)到全息光刻光路的焦平面處； (3)利用CXD對(duì)相干光強(qiáng)模式進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控； (4)重復(fù)步驟(2)和(3)，直到在C⑶中觀察到的光強(qiáng)分布達(dá)到對(duì)比度最大，表明此時(shí)的二維干涉模式質(zhì)量最好；打開(kāi)全息光刻光路的激光進(jìn)行曝光，根據(jù)利用光刻膠的曝光劑量和曝光深度的相關(guān)數(shù)據(jù)，反推到相干光強(qiáng)，并結(jié)合相干區(qū)域光斑的面積大小，最終確定曝光時(shí)間； (5)曝光完成后，對(duì)階梯型薄膜進(jìn)行顯影，除去因曝光劑量不足而未固化部分，得到缺陷結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述均勻液體的折射率與光刻膠的折射率相差土 10%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述全息光刻光路包括兩個(gè)消色差透鏡(LI、L2)組成的4f系統(tǒng)，使光束匯聚在一個(gè)大面積的相干區(qū)域，且光刻膠的位置位于第二消色差透鏡(L2)焦平面處。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，光刻膠為SU8光刻膠。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述階梯膜的制備方法包括以下步驟 (a)利用硅片的自然解理面為模板； (b)離子均勻鍍?cè)诠杵咨?，形成階梯型膜層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述步驟(b)中利用利用高溫磁控濺鍍。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述膜層不大于5u m。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述階梯型薄膜，膜層梯度為90°±5°。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在光子晶體中引入缺陷的方法，包括1、取折射率和光刻膠相近且不相等的均勻液體滴在階梯型薄膜的膜層階梯處，階梯型薄膜在和光刻膠相接的空氣隙里均勻展開(kāi)并吸附在一起，組成階梯膜曝光系統(tǒng)；2、將階梯膜曝光系統(tǒng)調(diào)節(jié)到全息光刻光路的焦平面處；3、利用CCD對(duì)相干光強(qiáng)模式進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；4、重復(fù)步驟2和3，直到CCD中觀察到光強(qiáng)分布達(dá)到對(duì)比度最大，表明此時(shí)二維干涉模式質(zhì)量最好；打開(kāi)全息光刻光路激光進(jìn)行曝光，根據(jù)光刻膠曝光劑量和曝光深度的相關(guān)數(shù)據(jù)，反推相干光強(qiáng)，結(jié)合相干區(qū)域光斑面積大小，最終確定曝光時(shí)間；5、曝光完成后，對(duì)階梯型薄膜顯影，除去因曝光劑量不足而未固化部分，得到缺陷結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)G02B6/13GK102707379SQ20121014960
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月15日
發(fā)明者周建英, 宋李煙, 王自鑫, 謝向生 申請(qǐng)人:中山大學(xué)