專利名稱：平面亞波長非周期高對比度光柵及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種平面亞波長非周期高對比度光柵，屬于信息材料與器件技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高對比度光柵(HCG:High_Contrast Grating)是一種光柵周期小于光波長的光柵，具有高反射以及透射聚焦能力。當(dāng)光照射到其表面時，該光柵具有不發(fā)生高次衍射的特點(diǎn)。隨著光柵衍射理論和光柵制造技術(shù)的不斷完善，這種亞波長光柵被廣泛用于制作抗反射元件、偏正器件、窄帶濾波器等。利用HCG的高反射率性能，可以設(shè)計(jì)光探測器的反射鏡， 調(diào)節(jié)光柵參數(shù)，可以分析探測器的效率。
利用硅材料和III族氮化物與空氣折射率的差異，獲得對光場有強(qiáng)約束作用的非周期高對比度的光柵結(jié)構(gòu)。利用硅材料的反射能力以及高質(zhì)量的諧振能力獲得的這種高對比度光柵，可以進(jìn)一步加工制成高質(zhì)量因子諧振器件。利用III族氮化物的低損耗以及高透射能力獲得的這種高對比度光柵，可以進(jìn)一步加工制成具有高透射率的空芯波導(dǎo)。將這種非周期的高對比度光柵應(yīng)用在垂直腔表面發(fā)射激光器(或可調(diào)諧的垂直腔表面發(fā)射激光器) 中，可以提高激光器的性能。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種不需要改變光柵的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，就可以使光柵獲得相應(yīng)聚焦能力的平面亞波長非周期高對比度光柵及其制備方法。
本發(fā)明提出解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種平面亞波長非周期高對比度光柵，包括從上到下依次設(shè)置有高折射率材料器件層、低折射率材料層和硅襯底層，所述高折射率材料器件層的上表面為長方形，所述高折射率材料器件層上分布有平行于長方形短邊的光柵，所述光柵的相位分布滿足方程Φ(7)=1^(//2 ；)；
其中，y軸定義為長方形的短邊，X軸定義為長方形的長邊，fy定義為xy平面上的焦距，Φ (y)定義為相位分布，，且&定義為自由空間的波矢常量，所述低折射率材料層具有一個空腔。
本發(fā)明還設(shè)計(jì)了一種平面亞波長非周期高對比度光柵，包括從上到下依次設(shè)置有高折射率材料器件層和硅襯底層，所述高折射率材料器件層的上表面為長方形，所述高折射率材料器件層上分布有平行于長方形短邊的光柵，所述光柵的相位分布滿足方程 Φ (γ)=1^(γ2/2 ·γ),其中，y軸定義為長方形的短邊，X軸定義為長方形的長邊，fy定義為xy 平面上的焦距，Φ(γ)定義為相位分布，，且定義為自由空間的波矢常量，所述硅襯底層底部具有一個凹槽。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)化結(jié)構(gòu)所述高折射率材料器件層的材質(zhì)為硅。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)化結(jié)構(gòu)所述高折射率材料器件層的材質(zhì)為III族氮化物。
本發(fā)明還 設(shè)計(jì)了一種所述平面亞波長非周期高對比度光柵的方法，實(shí)現(xiàn)載體為SOI晶片，包括如下具體步驟
步驟(I):在所述SOI晶片的頂層硅器件層旋涂一層電子束光刻膠層；
步驟(2):采用電子束曝光技術(shù)在上述電子束光刻膠層按照方程Φ (y)=k0(y2/2fy) 定義分布平行于長方形短邊的光柵，形成非周期高對比度光柵結(jié)構(gòu)；
步驟(3):采用離子束轟擊技術(shù)將步驟(2)中的非周期高對比度光柵結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至頂層硅器件層；
步驟(4):利用氧氣等離子灰化方法去除殘余的電子束光刻膠層；
步驟(5):采用BHF或Vapor HF技術(shù),將位于非周期高對比度光柵結(jié)構(gòu)下部的氧化物埋層去除，形成一個空腔。
本發(fā)明還設(shè)計(jì)了一種制備所述平面亞波長非周期高對比度光柵的方法，實(shí)現(xiàn)載體為硅襯底III族氮化物晶片，包括如下具體步驟
步驟(I):在所述硅襯底III族氮化物晶片的頂層氮化物器件層上表面旋涂一層電子束光刻膠層；
步驟(2):采用電子束曝光技術(shù)在所述電子束光刻膠層按照方程Φ (y)=k0(y2/2fy) 定義分布平行于長方形短邊的光柵，形成非周期高對比度光柵結(jié)構(gòu)；
步驟(3):利用氮化物刻蝕技術(shù)將步驟(2)中的非周期高對比度光柵結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到所述頂層氮化物器件層；
步驟(4):在所述頂層氮化物器件層的上表面再次旋涂一層光刻膠層用于保護(hù)步驟(3)中轉(zhuǎn)移到頂層氮化物器件層的非周期高對比度光柵結(jié)構(gòu)；
步驟(5):在所述硅襯底III族氮化物晶片的硅襯底層下表面旋涂一層光刻膠層，利用背后對準(zhǔn)技術(shù)，在娃襯底層下表面的光刻膠層打開一個刻蝕窗口 ；
步驟(6):將所述頂層氮化物器件層作為刻蝕阻擋層，利用深硅刻蝕工藝，通過刻蝕窗口將所述硅襯底層貫穿刻蝕至所述頂層氮化物器件層的下表面，使所述硅襯底層形成一個貫穿至所述頂層氮化物器件層下表面的空腔；
步驟(7):利用氧氣等離子體灰化方法去除殘余的光刻膠層。
本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果
1.非周期的高對比度光柵具有不同的周期和占空比，經(jīng)過設(shè)計(jì)使這種結(jié)構(gòu)具有相應(yīng)的聚焦能力，并且工藝流程簡單；
2.不需要改變光柵的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，只要將硅材料改為III族氮化物材料，就可以使原有光柵的反射聚焦能力改變?yōu)橥干渚劢鼓芰Γ?br> 3.利用它具有不發(fā)生高次衍射波的特點(diǎn)，隨著光柵衍射理論和光柵制造技術(shù)的不斷完善，亞波長光柵被廣泛用于制作抗反射元件、偏正器件、窄帶濾波器等 ；
4.利用HCG的高反射率性能，可以設(shè)計(jì)光探測器的反射鏡，調(diào)節(jié)光柵參數(shù)，可以分析探測器的效率；
5.利用硅材料的反射能力以及高質(zhì)量的諧振能力獲得的這種高對比度光柵，可以進(jìn)一步加工制成高質(zhì)量因子諧振器件。
6.利用III族氮化物的低損耗以及高透射能力獲得的這種高對比度光柵，可以進(jìn)一步加工制成具有高透射率的空芯波導(dǎo)。
7.在微機(jī)電結(jié)構(gòu)(MEMS :Micro_electromechanical Structures)與垂直腔表面發(fā)射激光器的集成領(lǐng)域，提出利用HCG的高反射性能。


圖1a為具有反射聚焦能力的平面亞波長非周期高對比度光柵示意圖1b為具有透射聚焦能力的平面亞波長非周期高對比度光柵示意圖2為非周期高對比度光柵相位分布擬合曲線示意圖3a為具有反射聚焦能力的非周期高對比度光柵制備工藝流程；
圖3b為具有透射聚焦能力的非周期高對比度光柵制備工藝流程；
圖4a為硅材料光柵的反射聚焦平面在I方向上的時均功率流示意圖4b為III族氮化物材料光柵的透射聚焦平面在I方向上的時均功率流示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明
如圖1a所示，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種平面亞波長非周期高對比度光柵，包括從上到下依次設(shè)置有高折射率材料器件層、低折射率材料層和硅襯底層，這里的高折射率材料器件層的材質(zhì)為硅，具有反射聚焦能力。
如圖2所示，為非周期高對比度光柵相位分布擬合曲線示意圖，所述高折射率材料器件層上分布有平行于長方形短邊的光柵，所述光柵的相位分布滿足方程 Φ (γ)=1^(γ2/2 ·γ),其中，y軸定義為長方形的短邊，X軸定義為長方形的長邊，fy定義為xy 平面上的焦距，Φ(γ)定義為相位分布，，且定義為自由空間的波矢常量，所述低折射率材料層具有一個空腔。
如圖1b所示，本發(fā)明還設(shè)計(jì)了一種平面亞波長非周期高對比度光柵，包括從上到下依次設(shè)置有高折射率材料器件層和硅襯底層，這里的高折射率材料器件層的材質(zhì)為III族氮化物，具有透射聚焦能力，且不需要改變光柵的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；
所述高折射率材料器件層的上表面為長方形，所述高折射率材料器件層上分布有平行于長方形短邊的光柵，所述光柵的相位分布滿足方程Φ (Υ)=1^(//2 ；)，其中，y軸定義為長方形的短邊，X軸定義為長方形的長邊，fy定義為xy平面上的焦距，Φ (y)定義為相位分布，k0=2 π / λ ^，且定義為自由空間的波矢常量，所述硅襯底層底部具有一個凹槽。
如圖3a所示，本發(fā)明還 設(shè)計(jì)了一種所述平面亞波長非周期高對比度光柵的方法， 實(shí)現(xiàn)載體為SOI晶片，包括如下具體步驟
步驟(I):在所述SOI晶片的頂層硅器件層旋涂一層電子束光刻膠層；
步驟(2):采用電子束曝光技術(shù)在上述電子束光刻膠層按照方程Φ (y)=k0(y2/2fy) 定義分布平行于長方形短邊的光柵，形成非周期高對比度光柵結(jié)構(gòu)；
步驟(3):采用離子束轟擊技術(shù)將步驟(2)中的非周期高對比度光柵結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至頂層硅器件層；
步驟(4):利用氧氣等離子灰化方法去除殘余的電子束光刻膠層；
步驟(5):采用BHF或Vapor HF技術(shù),將位于非周期高對比度光柵結(jié)構(gòu)下部的氧化物埋層去除，形成一個空腔。
如圖4a所示，為硅材料光柵的反射聚焦平面在I方向上的時均功率流示意圖。
如圖3b所示，本發(fā)明還設(shè)計(jì)了一種制備所述平面亞波長非周期高對比度光柵的方法，實(shí)現(xiàn)載體為硅襯底III族氮化物晶片，包括如下具體步驟
步驟(I):在所述硅襯底III族氮化物晶片的頂層氮化物器件層上表面旋涂一層電子束光刻膠層；
步驟(2):采用電子束曝光技術(shù)在所述電子束光刻膠層按照方程Φ (y)=k0(y2/2fy) 定義分布平行于長方形短邊的光柵，形成非周期高對比度光柵結(jié)構(gòu)；
步驟(3):利用氮化物刻蝕技術(shù)將步驟(2)中的非周期高對比度光柵結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到所述頂層氮化物器件層；
步驟(4):在所述頂層氮化物器件層的上表面再次旋涂一層光刻膠層用于保護(hù)步驟(3)中轉(zhuǎn)移到頂層氮化物器件層的非周期高對比度光柵結(jié)構(gòu)；
步驟(5):在所述硅襯底III族氮化物晶片的硅襯底層下表面旋涂一層光刻膠層，利用背后對準(zhǔn)技術(shù)，在娃襯底層下表面的光刻膠層打開一個刻蝕窗口 ；
步驟(6):將所述頂層氮化物器件層作為刻蝕阻擋層，利用深硅刻蝕工藝，通過刻蝕窗口將所述硅襯底層貫穿刻蝕至所述頂層氮化物器件層的下表面，使所述硅襯底層形成一個貫穿至所述頂層氮化物器件層下表面的空腔；
步驟(7):利用氧氣等離子體灰化方法去除殘余的光刻膠層。
如圖4b所示，為III族氮化物材料光柵的透射聚焦平面在y方向上的時均功率流示意圖。
本發(fā)明所設(shè)計(jì)的平面亞波長非周期高對比度光柵應(yīng)用范圍廣泛，例如
利用它具有不發(fā)生高次衍射波的特點(diǎn)，隨著光柵衍射理論和光柵制造技術(shù)的不斷完善，亞波長光柵被廣泛用于制作抗反射元件、偏正器件、窄帶濾波器等。
利用HCG的高反射率性能，可以設(shè)計(jì)光探測器的反射鏡，調(diào)節(jié)光柵參數(shù)，可以分析探測器的效率。
利用低損耗特性以及高透射能力，可以制成具有高透射率的空芯波導(dǎo)。
利 用反射能力以及高質(zhì)量的諧振能力，可以應(yīng)用于高質(zhì)量因子諧振器件。
在微機(jī)電結(jié)構(gòu)(MEMSMicro-electromechanical Structures)與垂直腔表面發(fā)射激光器的集成領(lǐng)域，提出了利用HCG的高反射性能。
權(quán)利要求
1.ー種平面亞波長非周期高對比度光柵，其特征在于包括從上到下依次設(shè)置有高折射率材料器件層、低折射率材料層和硅襯底層，所述高折射率材料器件層的上表面為長方形，所述高折射率材料器件層上分布有平行于長方形短邊的光柵，所述光柵的相位分布滿足方程小(7)=ん(//2&)，其中，y軸定義為長方形的短邊，X軸定義為長方形的長邊，fy定義為xy平面上的焦距，(y)定義為相位分布，1^=2 /入^，且も定義為自由空間的波矢常量，所述低折射率材料層具有ー個空腔。
2.ー種平面亞波長非周期高對比度光柵，其特征在干包括從上到下依次設(shè)置有高折射率材料器件層和硅襯底層，所述高折射率材料器件層的上表面為長方形，所述高折射率材料器件層上分布有平行于長方形短邊的光柵，所述光柵的相位分布滿足方程小(yhkJyVZfy),其中，y軸定義為長方形的短邊，x軸定義為長方形的長邊，fy定義為xy平面上的焦距，ct (y)定義為相位分布，1^=2 ，且も定義為自由空間的波矢常量，所述硅襯底層底部具有ー個凹槽。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型平面亞波長非周期高對比度光柵，其特征在于所述高折射率材料器件層的材質(zhì)為硅。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的新型平面亞波長非周期高對比度光柵，其特征在于所述高折射率材料器件層的材質(zhì)為III族氮化物。
5.ー種制備權(quán)利要求3所述的新型平面亞波長非周期高對比度光柵的方法，其特征在于，實(shí)現(xiàn)載體為SOI晶片，包括如下具體步驟 步驟(I):在所述SOI晶片的頂層硅器件層旋涂一層電子束光刻膠層； 步驟(2):采用電子束曝光技術(shù)在上述電子束光刻膠層按照方程Cj5 (y)=k0(y2/2fy)定義分布平行于長方形短邊的光柵，形成非周期高對比度光柵結(jié)構(gòu)； 步驟(3):采用離子束轟擊技術(shù)將步驟(2)中的非周期高對比度光柵結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至頂層硅器件層； 步驟(4):利用氧氣等離子灰化方法去除殘余的電子束光刻膠層； 步驟(5):采用BHF或Vapor HF技術(shù)，將位于非周期高對比度光柵結(jié)構(gòu)下部的氧化物埋層去除，形成ー個空腔。
6.ー種制備權(quán)利要求4所述的新型平面亞波長非周期高對比度光柵的方法，其特征在干，實(shí)現(xiàn)載體為硅襯底III族氮化物晶片，包括如下具體步驟 步驟(I):在所述硅襯底III族氮化物晶片的頂層氮化物器件層上表面旋涂ー層電子束光刻膠層； 步驟(2):采用電子束曝光技術(shù)在所述電子束光刻膠層按照方程小(y)=k0(y2/2fy)定義分布平行于長方形短邊的光柵，形成非周期高對比度光柵結(jié)構(gòu)； 步驟(3):利用氮化物刻蝕技術(shù)將步驟(2)中的非周期高對比度光柵結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到所述頂層氮化物器件層； 步驟(4 ):在所述頂層氮化物器件層的上表面再次旋涂ー層光刻膠層用于保護(hù)步驟(3 )中轉(zhuǎn)移到頂層氮化物器件層的非周期高對比度光柵結(jié)構(gòu)； 步驟(5):在所述硅襯底III族氮化物晶片的硅襯底層下表面旋涂ー層光刻膠層，利用背后對準(zhǔn)技術(shù)，在娃襯底層下表面的光刻膠層打開ー個刻蝕窗ロ ； 步驟(6):將所述頂層氮化物器件層作為刻蝕阻擋層，利用深硅刻蝕エ藝，通過刻蝕窗ロ將所述硅襯底層貫穿刻蝕至所述頂層氮化物器件層的下表面，使所述硅襯底層形成ー個貫穿至所述頂層氮化物器件層下表面的空腔； 步驟(7):利用氧氣等離子體灰化方法去除殘余的光刻膠層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種平面亞波長非周期高對比度光柵，包括高折射率材料器件層，所述高折射率材料器件層的上表面為長方形，且所述高折射率材料器件層上分布有平行于長方形短邊的光柵，所述光柵的相位分布滿足方程φ(y)=k0(y2/2fy)。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的平面亞波長非周期高對比度光柵不需要改變光柵的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，就可以使光柵獲得相應(yīng)的聚焦能力。
文檔編號G03F7/00GK103048715SQ201310002458
公開日2013年4月17日 申請日期2013年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月4日
發(fā)明者王永進(jìn), 于慶龍, 施政, 賀樹敏, 高緒敏, 陳佳佳 申請人:南京郵電大學(xué)