用于產(chǎn)生衍射光柵的方法
【專利摘要】公開了一種制造光柵的方法，所述光柵用于對射入所述光柵的光進行角色散。所述光柵包括漸窄結構以及腔。變化腔寬度和/或波紋幅度，以實現(xiàn)計算的期望的光柵效率。公開了用于方便地創(chuàng)建具有可變腔寬度和/或波紋幅度的光柵的方法。所述方法包括將槽圖案各向異性地蝕刻到主光柵中的步驟。可選地，產(chǎn)生與所述主光柵互補的副本。通過變化抗蝕劑圖案，可以變化所述光柵的腔寬度，從而允許向著不同效率目標進行優(yōu)化。
【專利說明】用于產(chǎn)生衍射光柵的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及衍射光學領域，尤其涉及高效衍射光柵的設計、生產(chǎn)和使用。
【背景技術】
[0002]術語“光柵”指表面上的周期性或半周期性線陣列。衍射光柵的操作原理是:被光柵線反射或透射的、行經(jīng)不同光路的光的相位在特定方向上相長干涉，而在其它方向上相消干涉。具有相長干涉的角方向形成所謂衍射級，并已知依賴于光的波長以及光柵的柵距。在這些衍射級之間的角方向上幾乎沒有光，因為所述方向上的貢獻相消干涉。這樣的光柵在光學領域中具有各種用途。
[0003]衍射光柵用在例如光譜儀中，以提供光的角色散。衍射光柵的重要參數(shù)是其效率(Efficiency),即入射光中被向著目的角衍射的、處于特定波長帶寬中的比例，在目的角度上放置例如探測器或進一步的導光器件?？偟膩碚f，衍射光柵對于入射光柵的電磁波的橫向電場(TE)分量(即其中電場沿光柵線的方向振蕩的光)具有最高的操作效率。
[0004]傳統(tǒng)上，更高的光柵效率是通過改善光柵的品質來實現(xiàn)的，即通過最小化槽表面的粗糙度、優(yōu)化槽的形狀(例如閃耀角)來最小化雜散光，以最大化特定衍射級上的衍射光。例如，可使用全息方法產(chǎn)生具有非常均勻的線密度的光柵，因此得到有效的衍射行為。典型地，線密度越不均勻，衍射級的角展度越寬，從而光柵的分辨力越低。
[0005]替換地，可利用刻劃(ruling)方法產(chǎn)生鋸齒光柵。典型地，與全息地產(chǎn)生的光柵相比，刻劃光柵的線密度更不均勻?？虅澒鈻诺湫偷卮嬖谟赏还鈻派洗嬖诘娜舾删€密度生成的“羅蘭鬼線”?？虅澒鈻诺膬?yōu)點是比正弦光柵有更大的設計自由度。通過調整刻劃尖頭相對于樣品的角度，可以在鋸齒圖案中實現(xiàn)特定閃耀角，從而可以相對于全息地產(chǎn)生的光柵得到改善的效率。不利的是，刻劃光柵受限于刻劃尖頭的尺寸和形狀以及所述刻劃儀器的精度?？蓮睦?Newport 所著“Diffraction Grating Handbook, sixth Edition” 中找到有關全息光柵以及刻劃光柵的進一步的信息。
[0006]Fabini等人(U.S.6, 449, 096)公開了作為偏振、波長、閃耀角、槽/mm、入射角、三角形槽高度以及后角(back angle)的函數(shù)的三角形光柵效率的計算。衍射光柵經(jīng)典地使用刻劃機通過在基板中用金剛石筆打磨槽來制造，或全息地使用二激光束相交處生成的干涉條紋來制造，或通過光刻蝕刻(photolithographical etching)的結合來制造。
[0007]Chou等人(U.S.2008/0230947)公開了產(chǎn)生光滑納米尺度表面圖案的方法。該方法是這樣實現(xiàn)的:提供具有抗蝕劑(etching resist)材料的納米尺度圖案的?；寰w材料，并用濕蝕刻劑各向異性地蝕刻所述掩膜的模，所述濕蝕刻劑在〈111〉晶面中的蝕刻速率低于〈100〉面的。通過提供具有可模壓表面的工件并壓合模以及工件而產(chǎn)生模的副本。一個實施例中，通過在兩個相繼的沉積步驟中通過抗蝕劑三角形雙側影子蒸發(fā)(shadowevaporation)涂覆掩膜材料的方法來改善線均勻度。Chou發(fā)現(xiàn),光柵側壁的光滑度改善了光柵效率。然而，尤其對于如本公開中例示的感興趣的光柵操作體制，所述改善實質上無助于整體效率的改善。[0008]仍然需要用于制造具有受控效率的衍射光柵的方法。

【發(fā)明內容】

[0009]第一方面中提供一種制造主光柵的方法，所述主光柵用于衍射以特定入射角射入所述主光柵或所述主光柵的復制光柵的特定波長的光。所述主光柵包括沿所述主光柵的平面平行伸展的槽陣列，所述槽被光柵周期間隔開；所述槽包括具有平坦界面的三角形剖面輪廓，其中所述界面中的一個界面形成相對于所述平面的閃耀角。
[0010]所述方法包括:提供晶圓，所述晶圓包括大體上為單晶的材料，所述材料具有第一晶面、第二晶面以及第三晶面，其中所述第一晶面以及第二晶面以一夾角彼此相交；沿晶圓表面切割所述晶圓，所述晶圓表面相對于所述第一晶面的切割角度等于所述閃耀角；以平行條帶圖案樣式將抗蝕劑材料施加于所述晶圓表面的各部分，所述條帶的中心被所述光柵周期間隔開，其中所述晶圓表面的暴露部分是形成在所述條帶之間；向所述晶圓表面施加各向異性蝕刻工藝，所述各向異性蝕刻工藝在所述第三晶面的法線方向上比在所述第一晶面和第二晶面的法線方向上蝕刻得更快，以在所述暴露部分處形成所述槽，其中所述槽的平坦界面是沿所述第一晶面和第二晶面形成的。
[0011]所述方法進一步包括:對于給定的所述光柵周期以及閃耀角，將所述槽相對于所述晶圓表面的波紋幅度作為所述光的期望衍射效率的函數(shù)來進行計算；以及在施加所述抗蝕劑材料時，對所述條帶的線寬度進行控制，使得所述槽形成有所述平坦界面，其中，所述平坦界面自相鄰條帶的暴露邊緣延伸入所述晶圓表面，并在等于所計算的波紋幅度的深度處以所述夾角彼此相交。
[0012]根據(jù)所述第一方面所述的方法:對于具體的光柵結構，根據(jù)希望的衍射效率計算波紋幅度；并通過控制各向異性蝕刻工藝來制造具有所述希望的波紋幅度的所述具體的光柵。通過控制抗蝕劑材料的條帶的線寬度而通過所述各向異性蝕刻工藝控制所述波紋幅度。可以將光柵的衍射效率作為所述光柵剖面輪廓的波紋幅度的函數(shù)進行控制。相應地，提供易于制造的具有受控效率的衍射光柵。
[0013]所述各向異性蝕刻工藝影響所述晶圓的暴露部分，即所述各向異性蝕刻工藝發(fā)生在抗蝕劑材料的相鄰條帶的暴露邊緣之間。由于所述各向異性蝕刻工藝的性質，沿所述晶圓的晶面形成所述槽的平坦界面。所述槽界面的位置和方向可以確定蝕刻出的槽的深度，即所述波紋幅度。考慮晶面的方向，從而可以控制所述條帶的線寬度，使得由所述各向異性蝕刻工藝自動形成具有等于計算的波紋幅度的深度的槽。
[0014]進一步優(yōu)點可在于提供易于制造的具有可調光柵周期、閃耀角、槽形狀以及波紋幅度的光柵。更具體地，可以通過改變抗蝕劑圖案的周期來調節(jié)所述光柵周期，可以通過改變所述表面相對于晶軸的取向來調節(jié)所述閃耀角，可以通過變化晶體材料和/或其晶體取向以及通過調整抗蝕劑線寬度來調節(jié)所述槽的形狀，且可以通過以上詳細所述調整所述抗蝕劑線寬度來調節(jié)所述波紋幅度。憑借所述制造方法，所述光柵還可以有有益的雜散光特征。
[0015]第二方面中提供光柵，所述光柵設置用于衍射以特定入射角射入所述光柵的特定波長的光，所述光柵包括沿所述光柵的平面平行伸展的槽或脊部陣列，所述槽或脊部被光柵周期間隔開；所述槽或脊部包括具有平坦界面的三角形剖面輪廓，其中所述界面中的一個界面形成相對于所述平面的閃耀角，其中所述槽或脊部的所述平坦界面包括頂角，其中所述平坦界面以對應于大體上為單晶的材料的晶面的夾角的在65至75度之間的平面角彼此相交；所述槽或脊部被平行于所述平面伸展的平坦界面分隔開；并且對于給定的光柵周期以及閃耀角，所述槽或脊部具有根據(jù)所述光的所述希望的衍射效率的、相對于所述平面的波紋幅度。
[0016]可以使用根據(jù)第一方面所述的方法來制造這樣的光柵，其中可以通過例如對于給定光柵周期以及閃耀角控制所述波紋幅度來控制所述衍射光柵的效率。根據(jù)以下【具體實施方式】將明了本系統(tǒng)及方法的其它優(yōu)點及適用領域。應理解，所述【具體實施方式】以及具體示例代表具體實施例，僅用于說明，并不欲限制本發(fā)明的范圍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]通過以下【具體實施方式】、所附權利要求以及附圖將更好理解本發(fā)明設備、系統(tǒng)以及方法的所述以及其它特征、方面、以及優(yōu)點。
[0018]圖1示出了基于空間的光譜儀中高效光柵的應用。
[0019]圖2示出了鋸齒衍射光柵。
[0020]圖3示出了包括探測器的光譜儀的設置。
[0021]圖4示出了包括光柵的激光器的設置。
[0022]圖5示出了具有入射光的光柵的詳細側視圖。
[0023]圖6示出了矩形光柵上方的電磁場分布。
[0024]圖7示出了作為光柵波紋幅度的函數(shù)的矩形光柵的光柵效率。
[0025]圖8示出了漸窄(V形)結構光柵上方的能量密度分布。
[0026]圖9示出了作為槽底部(腔)寬度的函數(shù)的效率曲線。
[0027]圖10示出了常規(guī)光柵與對于非零衍射級和零衍射級具有最優(yōu)化的槽底部寬度的光柵之間的比較。
[0028]圖11示出了不同波長槽底部寬度的優(yōu)化曲線。
[0029]圖12示出了用于創(chuàng)建具有可調槽底部寬度以及閃耀角的光柵的方法。
[0030]圖13示出了圖12的方法的示意圖。
[0031]圖14示出了主模的電子顯微鏡圖像。
[0032]圖15示出了復制光柵的電子顯微鏡圖像。
[0033]圖16示出了用于優(yōu)化作為腔的底面寬度的函數(shù)的光柵效率的實驗方法。
[0034]圖17示出了作為光柵幅度和光頻率的函數(shù)的光柵效率曲線。
[0035]圖18示出了第一示例的光柵效率曲線。
[0036]圖19示出了第二示例的光柵效率曲線。
[0037]圖20示出了第三示例的光柵效率曲線。
[0038]圖21示出了第四示例的光柵效率曲線。
[0039]圖22示出了衍射光柵的實施例。
[0040]圖23示出了用于制造光柵的方法的實施例。
[0041]圖24示出了用于制造主光柵的方法的具體實施例?！揪唧w實施方式】
[0042]以下【具體實施方式】僅用于例示，并不意在限制本公開、其應用或用法。以下對本系統(tǒng)、裝置以及方法的實施例的詳細說明中參考了附圖，附圖形成本文一部分，附圖中示意顯示了可實行所述裝置以及方法的具體實施例。對這些實施例的描述足夠詳細，使本領域技術人員能實行本文公開的系統(tǒng)以及方法，并且應理解，可以利用其它實施例，并且可以進行結構以及邏輯改動而不背離本系統(tǒng)的精神以及范圍。因此不應將以下【具體實施方式】理解為限制，且本系統(tǒng)的范圍僅由所附權利要求限定。此外，為清楚起見，略去了公知裝置以及方法的【具體實施方式】，以便突出對本系統(tǒng)的說明。
[0043]請參考附圖閱讀來對所述【具體實施方式】的說明，附圖應視為整個說明書的部分。說明書中，相對性的術語及其衍生應理解為指當時所述的或如所討論的附圖中所示的取向。這些相對性的術語是為了方便說明，并不要求以特定取向構建或操作所述設備。除非另外明文說明，有關附接，耦合等的術語是指其中結構直接或通過中介結構間接地彼此固定或附接的關系、以及活動的或剛性的附接或關系。
[0044]圖1示出了基于空間的光譜儀中高效和/或低雜散光光柵的應用。采集自物體(此處為地球110)的電磁(EM)波形式的光115被輸入耦合透鏡120捕獲，并投影到狹縫130上。進入狹縫130的光被準直透鏡140捕獲。準直透鏡140將經(jīng)準直的光束投影到光柵150上。光柵150使作為光的波長的函數(shù)的光發(fā)生角色散。所述角色散的光束以不同衍射角被發(fā)送到成像透鏡160上。成像透鏡160將圖像投影到圖像平面170上。
[0045]被投影的圖像可以包括所述狹縫130的波長分散的投影。為了捕獲所述圖像，可以在成像平面170中放置包括傳感器的探測器。所述傳感器可以包括例如光電二極管，以將光轉換為電信號?？梢話呙杷鰣D像，例如通過在所述成像平面中旋轉所述光柵和/或移動所述傳感器。所述傳感器可以包括單個像素或探測所述圖像某部分的多個像素。后者允許連續(xù)監(jiān)測多個波長。
[0046]圖2示出了常規(guī)鋸齒衍射光柵的側視圖。所述光柵包括沿光柵的平面200平行伸展的交替的脊部210以及槽1210的周期性陣列。光柵周期d是所述周期性結構之間的距離。這種情況下所述周期d是所述脊部的頂部之間的測量值?；蛘?，也可以將光柵周期d限定為例如所述脊部的中心之間的距離。脊部210相對于光柵的平面200形成閃耀角0b。以入射角Qi入射光柵的光LI以線密度及波長依賴的衍射角Gd發(fā)生角色散。所述色散可以發(fā)生在不同衍射級m，對應的路徑長度差值等于入射光的波長λ的m倍。所述衍射角Qd例如由以下光柵方程給出
[0047](El) d (sin ( Θ j) +sin (θ?Ν))=πιλ
[0048]由該方程可以觀察到，對于非零衍射級m，不同波長λ以不同角度9d衍射。對于m=0，該方程導致Θ d0=- Θ i，即為相對于光柵平面200的法線250的反射。
[0049]市售光柵總的來說被設置構建為根據(jù)一組使用參數(shù)使用。這些參數(shù)可以是例如與待售光柵產(chǎn)品一起廣告，使得潛在的顧客知道光柵是否適于其計劃的用途?；蛘?，顧客可以定制提供計劃使用參數(shù)的光柵。所述使用參數(shù)總的來說包括計劃的波長或波長范圍λ以及可選地一個或更多個優(yōu)選的入射角91和/或光柵周期d (可以根據(jù)方程(El)相聯(lián)系)。此外，可以提供所導致的一系列衍射角9d;如果已知光柵周期山則也可以使用方程(EI)計算出衍射角ed。這樣的參數(shù)從而可以視為光柵的特征性質，并可以從例如所述光柵周期、閃耀角和/或所述光柵的涂層材料推導出來。例如被構建設置用于光的特定中心波長λ。的光柵將總的來說具有反射涂層，例如金屬，使得該光以高于50% (優(yōu)選高于80%，更優(yōu)選聞于90%、最優(yōu)選聞于95%、并最最優(yōu)選等于100%)的反射率被所述涂層反射。
[0050]圖3不出了光譜儀300的設置。入射光115被一輸入f禹合器(incoupIer)120 (諸如透鏡)耦合到光入口 130 (諸如狹縫或其它開口)中。使用第一導光器件140 (此處為準直拋物柱面反射鏡)使所述入射光準直，并以受控的相對于光柵法線250的入射角Θ i將經(jīng)準直的光束LI導向到光柵150 (以下揭示)上。所述光的特定的非零衍射級以波長以及線密度依賴的衍射角Gd自所述光柵被衍射。該波長分散的光L2的至少一部分被第二導光器件160 (此處為另一拋物柱面反射鏡160)捕獲。所述第二導光器件設置用于將被所述光柵以頻率依賴的衍射角Θ d以非零衍射級衍射的光L2導向到光譜儀的成像平面170上，使得例如波長范圍Λ λ的中心波長λ ^映射到成像平面170的中心上?？梢詫в邪ㄌ綔y像素的傳感器355的探測器350放置在成像平面170中，以捕獲頻散圖像。
[0051]應理解對于光譜儀300的操作，可以向光譜儀300添加或自光譜儀300略去任何數(shù)目的光學元件，只要將要分析的光束以受控的入射角導向到所述光柵上，并且將以特定非零衍射級被所述光柵衍射的光導向和/或投影到成像平面上。尤其注意，雖然在所示光譜儀中使用了一定數(shù)目的光學元件將所述入射光轉換為經(jīng)準直的光束，在例如所述入射光已經(jīng)是準直的(例如激光束或來自遠處物體的光諸如星光)這樣的情況下，可以略去這樣的元件。此時例如可以略去輸入耦合透鏡120、狹縫140以及準直器140。也可以在光譜儀中使用非經(jīng)準直的光束。同時，例如當所述入射光為窄光束(諸如窄激光束)時，還可以略去成像反射鏡160。盡管本圖中，光譜儀300示出為在所述成像平面中包括探測器350，替換地，可以使用隨后的導光器件(例如使用光纖、附加的反射鏡和/或透鏡)進一步繼續(xù)導向被投影的圖像。可以使用透鏡替換所示拋物柱面反射鏡(反之亦然)。作為拋物柱面反射鏡的替代，也可以利用諸如球面鏡之類的其它聚焦反射鏡。
[0052]圖4示出了激光器400，激光器400包括下文將要描述的增益介質420、輸出耦合器440以及光柵150。光柵150以及輸出耦合器440形成激光腔450，其中所述光柵設置為背反射腔反射鏡。所述輸出耦合器`可以為半透明的背反射鏡(例如95%反射、5%透射)。燈410泵浦增益介質420 (例如諸如鈦寶石(Titanium sapphire)或其它晶體材料的激光棒)。所述燈可以是例如閃光燈或二極管。注意在激光器或其它利特羅(Littrow)構形的情況下，將光導控到光柵上的第一導光器件可以與捕捉以波長依賴的衍射角以非零衍射級被光柵衍射的光的第二導光器件相同。
[0053]所述燈在所述增益介質中產(chǎn)生粒子數(shù)反轉。在光柵150以及輸出耦合器440之間的腔450中來回反射的光束每次往返通過所述腔時均通過在所述增益介質中受激輻射而獲得附加的能量。所述增益介質總的來說具有特定的最優(yōu)增益頻率范圍，在該最優(yōu)增益頻率范圍中，所述增益介質具有最優(yōu)性能。該頻率例如由所述增益介質中不同激發(fā)態(tài)之間的能量差值確定。在一個有利的實施例中，光柵150設置為使最優(yōu)增益頻率的光430a自所述光柵以角度Qd= Qi衍射，而其它次優(yōu)頻率的光431則被衍射出所述腔。換言之，對于具有最優(yōu)增益頻率的光而言，所述光柵被設置為利特羅結構。替換地，所述光柵對于任何其它希望的激光器頻率均設置為利特羅結構。光每次往返的部分430b通過輸出耦合器440被耦合出所述激光腔。[0054]注意特別可取的是在激光腔中擁有高效光柵，因為激光器要持續(xù)操作的話，光柵引起的任何損耗必須由增益介質中的增益補償。這樣(例如以被光柵吸收的形式)的損耗也可能引起附加的熱量問題，尤其對于高能激光器，可能會損壞光柵。利特羅結構對于激光腔尤其可取，因為這時光柵可以充當腔端反射鏡。高效以及低雜散光將有益于該激光器應用。
[0055]二極管激光器的另一個有利的實施例中，所述光柵可以用作外部腔450的一部分并放置在可選內部腔反射鏡460后，從而為主腔470提供種子波長。例如滲過腔背反射鏡460的光可以自利特羅光柵150反射，所述光柵選擇的波長再被送回到主腔470中，以便以選中的波長啟動產(chǎn)生激光的過程，從而使該波長穩(wěn)定。這樣設置的優(yōu)點是，可以降低光柵經(jīng)歷的能量強度，并且/或者可以進一步最小化損耗。
[0056]圖5示出了光柵150更詳細的示意側視圖。光柵150包括在所述光柵的平面內平行伸展的交替的漸窄結構210以及底面220的周期性陣列。所述漸窄結構形成自光柵的平面200突出的細長的線。所述漸窄結構包括朝向入射光LI方向的平坦界面601以及對側翼面602。注意，為了取得如下最優(yōu)化的光柵結構的效應，所述入射光不一定垂直于界面601。平坦界面601相對于平面200形成閃耀角Θ b。底面220平行于所述光柵的平面200伸展。
[0057]本發(fā)明人令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，特定的底部寬度W可以使所述光柵的效率增加，例如底部寬度在光柵周期d的10%到90%之間(即0.10<ff/d<0.9)時，光柵結構可以形成有利的腔形狀。該效率提高可以解釋為特定部分的入射光可以穿透到所述腔中，并經(jīng)歷其中的有益干涉效應。
[0058]例如使用諸如PCGrateiW，的計算機軟件程序，可以輸入例如如圖5所示的光柵結構，并可以將入射光的指定的偏振狀態(tài)(例如TE、TM)的衍射效率作為光柵結構的波紋幅度“A”的函數(shù)進行計算?？梢赃x擇特定的對應于希望的衍射效率的波紋幅度“A”，并隨即根據(jù)如圖12中所示的第一方面的方法制造所述光柵。代替使用計算機軟件程序，也可以使用其它(例如解析、數(shù)值或其組合)方法來計算作為波紋幅度的函數(shù)的光柵效率。
[0059]不受限于理論，當前發(fā)現(xiàn)，底面220形成腔底部，且入射光在以這些腔底部220為界的腔中形成電磁場構形。如以下將進一步詳述的，所述電磁場構形可以作為腔寬度W和/或波紋幅度A的函數(shù)進行計算?？梢愿鶕?jù)計算的電磁場構形預設所述衍射效率。一個實施例中，當電磁場振幅對于直接地鄰接腔底面220的區(qū)域中的入射光的指定的偏振狀態(tài)取極值時，獲得有利的衍射效率。
[0060]有利地，根據(jù)圖5的實施例，漸窄結構210可以由脊部形成。術語“漸窄”是指所述脊部的翼面在頂部會合，形成典型地在10到90度之間的頂角。(當自較大的入射角照耀時)較小的頂角可使所述光柵獲得更高的線密度。但是對于過小的角度，所述波紋幅度會過高。在一個有利的實施例中，所述頂角約在60至80度之間，優(yōu)選在65至75度之間。優(yōu)選所述漸窄結構的頂部形成銳利的邊緣以最大化光柵效率，但可以容許所述頂部上有一定的扁平。尤其可取的是入射光照射的脊部表面形成盡可能平坦以及光滑的界面，以最小化雜散光和/或散射效應。
[0061]一些類似圖5實施例的實施例可以進一步利用已知為利特羅條件的特殊條件，利特羅條件中，Qd，其中射入所述光柵的光大體上以與入射角相同的角度被衍射回來。對于2d sin ( Θ，該利特羅條件大致滿足，其中m是所述衍射級，λ是所述波長。本文中我們將述及利特羅條件或近利特羅條件(當入射角91與衍射角0(1在10度平面角內重疊)。在一個光譜儀的實際構形中(如圖3中所示)，可能需要以略微不同的角度(例如10度)衍射光束，以便從空間上分開入射光束以及出射光束，而依然得益于利特羅條件的可能更高的效率。因此，在一個有利的構形中，光柵設置為使入射角(Qi)與衍射角(0(1)大致(優(yōu)選在10度平面角內、更優(yōu)選在5度平面角內、最優(yōu)選在I度平面角內)重疊，或(在機器精度內)精確重合。
[0062]圖6示出了根據(jù)光柵周期d沿所述光柵的平面200平行伸展的交替的細長的光柵結構210’陣列一部分。所述結構設置在所述光柵的平面200內，并包括具有波紋深度A的腔底面220。入射光在以腔底面220為界的共振腔225中形成電磁場，并作為波紋深度A的函數(shù)進行計算。
[0063]圖6A-C示出了可以通過改變波紋深度A而根據(jù)期望的衍射效率來控制入射光的衍射效率。有利地，設定波紋深度A，使得沿平行于光柵結構210’方向的電磁場幅度Hy在直接地鄰接腔底部220的區(qū)域中對于入射光的指定偏振狀態(tài)取極值。例如，可以通過納米光刻(nanolithography)以及蝕刻技術制造圖6的結構。圖6示出了射入光柵并自光柵結構衍射的TM光所形成的矩形光柵上方的Hy磁場密度分布。Hy場是沿平行于光柵線的“y”方向，即垂直于所給視圖(參考提供的xyz軸)的H磁場。分別以亮色(Hy_high)以及暗色(Hy_low)標示較高以及較低電磁場幅度的區(qū)域。
[0064]圖6A示出了 800nm深剖面輪廓的Hy場，圖6B示出了 150nm深剖面輪廓的Hy場，圖6C示出了 IOOnm深剖面輪廓的Hy場，均具有50度平面角的入射角。這些曲線顯示，光柵上方Hy場顯示出密度漲落。根據(jù)對稱性論證可以斷定，該漲落具有遵從光柵結構本身的周期性的沿光柵長度的周期性。但是，在向上的方向上，所述漲落則多少更為復雜。在槽中，圖6A中密度漲落具有依賴于光的波長的周期P?？梢詫⒃撁芏葷q落描述為例如槽中的駐波。所述場漲落來自入射光柵結構以及自光柵結構折射的局域電磁場的干涉圖案的漲落。
[0065]從圖6B (顯示150nm深光柵)可以觀察到，該光柵接近于最優(yōu)效率，因為此處沿平行于光柵結構的y_方向的電磁場幅度Hy對于在直接地鄰接腔底部220區(qū)域中的射入的TM-偏振光而言取極值。圖6A的800nm深光柵更接近于最小效率?？梢宰赃@些Hy繪圖推導最優(yōu)波紋深度。全局來說，電磁場需要與光柵的側部和底部發(fā)生最優(yōu)的相互作用，當接近光柵表面220的電磁場較高(Hy_high)時即為這種情況。對于當前情況(從圖7也可推導出)，最優(yōu)波紋深度約為150nm。
[0066]盡管當前曲線中使用Hy磁場闡釋最優(yōu)效率的條件，但也可以有其它闡釋方式。具體地，對于TE偏振光，當沿著細長的漸窄結構長度(即沿光柵線)的“y”方向上的電場幅度Ey (其作為光柵結構的波紋幅度和/或其它幾何變化，諸如腔寬度的變化，的函數(shù))在接近所述腔底部處最大時，則實現(xiàn)較高的效率。
[0067]尤其對于具有橫向磁場(TM)偏振的入射光，當作為腔寬度的函數(shù)的沿漸窄結構方向的磁場分量Hy在腔底部處最大時,衍射效率最大。對于具有橫向電場(TE)偏振的入射光，當作為腔寬度的函數(shù)的沿漸窄結構方向的電場分量Ey在腔底部處最大時，衍射效率最大。當然要理解還可將入射光的其它偏振分解為TM以及TE分量，從而對于上述標準的結合達到最大效率。
[0068]圖7的曲線701示出了作為圖6矩形光柵的波紋深度的函數(shù)的橫向磁場入射光的-1級(m=-l)的效率的波動。不受限于理論，就場回路而言，例如由Popov (Prog.Optics, Vol.31，pp.141 - 190，1993)給出了對此類波動的物理解釋。
[0069]當前情況下，依賴于腔深度和/或形狀，光柵結構的腔中電磁場的波動可相長或相消干涉。當前觀察到，存在效率非常高的波紋深度。對于最優(yōu)效率，電磁場振幅應該在接近腔底部處為最大。作為腔寬度或波紋幅度的函數(shù)的效率中可以有多個最優(yōu)值。光柵具有漸窄結構的大多數(shù)實際情況中，波紋深度將僅足以到達效率的第一最優(yōu)值，即為淺光柵。曲線702中顯示矩形光柵的第一最大值的細節(jié)。
[0070]圖8示出了針對漸窄結構光柵150的波紋幅度A以及最優(yōu)腔寬度W的S場或能量密度以及方向(坡印廷矢量場)的近場繪圖。較高能量密度的區(qū)域以及較低能量密度的區(qū)域分別被標示為Shigh和SlOT。計算針對的入射光的波長為800nm，入射角為42度平面角?？梢杂^察到，在能量密度中，能量在漸窄結構210之間在接近(共振)腔225的底部220處較低(SlOTt)。能量密度流場顯示出沿光柵的周期性，根據(jù)上述Popov所著文章("Lightdiffraction by relief gratings:a macroscopic and microscopic view,〃Prog.0ptics, Vol.31，pp.141 - 190, 1993)，該周期性對應于光柵本身的周期性。
[0071]可以例如使用以下方程自電磁場計算局域能量密度以及方向:
[0072](E2) S=R e (ExH*);
[0073]其中S為坡印廷矢量，S的方向以及大小指明了能量的流動以及密度，Re (…)是實算子，用于取方程的實部，E為電場，H*為H磁場的復共軛。
[0074]在一個有利的實施例中，提供具有光柵150的光柵裝置,光柵150包括根據(jù)光柵周期d在光柵的平面200內平行伸展的交替的漸窄結構210以及腔底面220的周期性陣列。漸窄結構210突出或突入光柵的平面200，并包括朝向入射光(LI)方向的平坦界面601。平坦界面601相對于平面200形成閃耀角。共振腔225包括平坦腔底面220。腔底面220以如所標示的腔寬度W分開所述漸窄結構。優(yōu)選將腔寬度W設定在0.1至0.9倍光柵周期d之間的范圍內，以根據(jù)期望的衍射效率控制入射光的衍射效率。
[0075]如圖8所示，入射光在接近腔底面220處形成能量流場800，能量流場800可以作為腔寬度W的函數(shù)進行計算。圖8還顯示，漸窄結構210之間可以形成入射光的共振腔225。術語“共振腔”指從入射光的角度而言為凹陷的結構，在所述共振腔中，入射光可以與自腔壁感應的電磁場發(fā)生干涉，所述腔壁由腔底部以及漸窄結構210的側部形成，所述腔底部由平面200形成。入射光、反射光、衍射光以及可自腔壁輻射的任何其它電磁場(例如表面等離子體)的結合可導致相長或相消干涉。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，尤其是本公開提出的包括被平坦腔底面分開的漸窄結構的光柵可以提供有利的可調共振腔。共振腔的概念多少類比于在適應于管的波長處的聲波在風琴管內共振。
[0076]術語“漸窄結構210”可以指進入光柵的V形槽或自光柵突出的V形脊部。在圖8中的情況下，漸窄結構為突出的脊部。
[0077]在浸沒光柵的另一個實施例中，例如圖14中所示，漸窄結構可為光柵中的槽，且可以在光柵材料內形成所述腔。任何情況下，都要將漸窄結構210朝向光射入的光柵150的一側。在射入光的方向上形成射入光的(共振)腔225。當光來自自由空間(正面光柵)時，如圖8所示，可以在所述脊部之間形成腔。當光自穿過光柵材料的方向射入腔底面(浸沒光柵，圖14)時，可以在所述槽之間形成所述腔。可以將光柵效率作為在V形脊部或槽之間的腔的底面寬度的函數(shù)進行優(yōu)化。所述優(yōu)化可依賴于光柵是作為正面光柵還是作為浸沒光柵使用，即依賴于光射入所述光柵的側，最優(yōu)腔寬度可以不同。
[0078]圖9示出了作為腔寬度W的函數(shù)的光柵效率η的曲線。所述效率可以限定為處于特定波長帶寬中的入射光被衍射向成像平面的比例。曲線中，效率901、902、903分別針對橫向電場(TE)、橫向磁場(TM)以及非偏振光。
[0079]使用計算機軟件程序PCGrate⑩以以下參數(shù)生成該曲線:光柵周期d=500nm，閃耀角Θ b=54.7度,光柵材料:resin_l-mkm_Vis-NIR_RG-Newport,光柵涂層50nm招,入射角Θ i=60度，入射光波長632.8nm。掃描不規(guī)則四邊形景觀，以IOnm步長使槽底部從O變至250nm。使用有限低型邊界傳導性的穿透(penetrating solver)算法。精度優(yōu)化具有加速的收斂、相等的S間距，配置點數(shù)目為500，且最大數(shù)目的可解釋+/_項或階為250。
[0080]自該曲線可以觀察到，與TM效率相比，TE效率901更少依賴于腔寬度。TE光的效率在對于鋸齒光柵(W=Onm)的約50% (h=0.5)至對于W=250nm的約35%之間變化。從而腔寬度越高效率越低。一旦腔寬度自對于鋸齒光柵(W=Onm)的約7%變化至對于約170nm的腔寬度的約80%，則TM光的效率顯著提高。整體效率為TE光和TM光的平均，并在約W=170nm具有約65%的峰值。該寬度處比率W/d為170/500=0.34。
[0081]不受限于理論，推測對于TM光，效率提高是入射光和腔模之間更好耦合的結果。對于給定周期d以及閃耀角ΘΒ，更高的腔寬度對應于更低的波紋幅度A。推測當變化起皺時，對應的腔模也變化。腔模的變化引起O到170nm之間范圍內效率提高。但是對于給定的入射角，低于特定閾值的任何波紋幅度均會存在效率的競爭降低。尤其，當所述入射光開始不射入到突出的脊部上，而是射入到平坦腔底部上時，可能發(fā)生效率降低。此處對于大于170nm的腔寬度可以觀察到這樣的效率降低的競爭效應。
[0082]注意該效應尤其會影響具有垂直于光柵線的電場分量的TM輻射，所述TM輻射因此可以比大部分被細長突出結構的線反射的TE輻射更深地穿透到腔中。該偏振依賴效應例如可類比于金屬線柵起偏器，所述金屬線柵起偏器主要反射沿金屬線長度的偏振，而許可垂直于金屬線的偏振通過。
[0083]另一個有利的實施例中，希望的衍射效率至少為可以通過變化(例如通過方程(E3)聯(lián)系起來的)腔寬度和/或波紋幅度A實現(xiàn)的最大效率的90%。為此，根據(jù)計算設定腔寬度W和/或波紋幅度A，以便將衍射效率控制到最大可實現(xiàn)的衍射效率的至少90%。例如當作為波紋幅度的函數(shù)的最大衍射效率是絕對最大衍射效率的80%時，根據(jù)計算設定波紋幅度A，以便將衍射效率控制到絕對最大衍射效率的至少72% (=90% X 80%)。
[0084]替換地或附加地，優(yōu)選根據(jù)計算設定波紋幅度A，以便將衍射效率控制到 > 絕對最大衍射效率的90%。
[0085]在偏振光柵的有利的實施例中，衍射入射光的橫向磁場分量的希望的衍射效率與衍射入射光的橫向電場分量的效率大不相同。大體上，為獲得偏振光柵，所述差值至少為可以通過變化腔寬度和/或波紋幅度A實現(xiàn)的最大差值的90%。為此，根據(jù)計算設定腔寬度W和/或波紋幅度A,例如腔寬度選擇為使得入射光的橫向磁場分量、橫向電場分量之一的電磁場幅度作為腔寬度的函數(shù)取最小值。這使得對于該偏振狀態(tài)的效率最小。
[0086]非偏振光柵的另一個有利的實施例中，衍射入射光的橫向磁場分量的希望的效率大致等于衍射入射光的橫向電場分量的效率，以獲得非偏振光柵。為實現(xiàn)該條件，根據(jù)計算設定腔寬度(W)和/或波紋幅度A，例如變化腔寬度，使得電磁場幅度在腔底部處對于入射光的橫向磁場(TM)以及橫向電場(TE)分量平衡。具體地，平衡所述電磁場振幅，使得TE以及TM衍射效率大致(例如在內10%)相等。
[0087]圖10的曲線1001、1002示出了在常規(guī)鋸齒光柵(1001)和對于非零衍射級(1002)具有最優(yōu)化的槽底部寬度的光柵之間進行的TM效率的比較。所述效率示出為波長倒數(shù)I/入以及入射角的正弦的函數(shù)。對于曲線1001，腔寬度為0nm(即鋸齒)，且對于曲線1002，腔寬度為170nm。所有其它參數(shù)均與圖9中相同。曲線較暗的區(qū)域對應于更高的效率，較亮區(qū)域對應于更低的效率。二曲線的顏色標度相同。標示的點1011以及1012大致相應于圖9的入射角以及波長。
[0088]注意雖然二曲線均示出作為波長和入射角的函數(shù)的效率的變化，對于絕大部分參數(shù)空間而言，具有170nm腔寬度的光柵的TM效率優(yōu)于鋸齒光柵。還注意，盡管鋸齒光柵具有幾塊略微更高的效率，具有170nm腔寬度的光柵在較寬參數(shù)空間具有較高效率。例如可以觀察到，對于sin Θ i約在0.35至0.50之間(Θ i在20至30度之間)的特定入射角，對于所有所示波長，所述效率均高于約70%。鋸齒光柵不具有這樣寬的波長帶寬效率。
[0089]圖10的曲線1003、1004分別類似于曲線1001、1002，但針對零衍射級(m=0)，即相對于光柵平面200的法線250的反射(見圖2:0^00。圖10的曲線1003顯示常規(guī)鋸齒光柵(腔寬度W=Onm)的零級衍射的TM效率。曲線1004顯示具有腔寬度W=170nm的光柵的零級衍射的TM效率。當比較曲線1003和1004時，注意對于絕大部分參數(shù)空間而言，鋸齒光柵具有更高的零級反射率(以較暗區(qū)域標示)。當將曲線1003、1004分別與曲線1001、1002進行比較時，注意這些曲線多少是互補的。對于非零級衍射較高的區(qū)域，零級反射率較低(反之亦然)。從而顯示較低或最小的零級反射率與較高的非零級衍射效率相關。可以有利地利用該效應如下。通過測量例如作為腔寬度W或任何其它參數(shù)的函數(shù)的零級反射率的最小值，可以找到對應的非零衍射級的最大值?？梢岳缃Y合(例如如圖16所示的)具有變化的腔寬度的光柵使用該`方法。替換地，當然也可以將非零衍射級作為腔寬度的函數(shù)而直接測量非零衍射級的最大值。
[0090]圖11的曲線1101-1104示出了針對不同波長的槽底部寬度的優(yōu)化曲線。所有圖均針對37度的閃耀角。
[0091]曲線1101顯示針對725nm波長的腔寬度W的效率掃描。對W=430nm實現(xiàn)了最大效率Hmax=0.68。腔寬度范圍W9tl=W ( η>η9(ι)限定為在僅腔寬度變化時光柵效率在可實現(xiàn)的最大效率的90%以內，即η>0.9η_。具體地，在該范圍內，所述光柵的效率比常規(guī)鋸齒光柵的效率高10%以上。替換地，可以將有利的腔寬度范圍限定為對于TM輻射和/或整體隨機偏振輻射實現(xiàn)了高于最大改善(即零腔寬度和最優(yōu)腔寬度之間的差值)的50%、優(yōu)選80%、更優(yōu)選90%的光柵效率的腔寬度。
[0092]曲線1102示出了針對曲線1101的具有470nm腔寬度(即在最優(yōu)腔寬度范圍90%Ww內)的光柵的波長掃描。所述曲線分裂為TE效率、TM效率以及平均(avg.)效率。可以觀察到，對于在約700到775nm之間的所有波長，效率相當均勻。在特定點1111，TE效率和TM效率相等,對于該波長獲得非偏振光柵，即衍射時不偏振入射光的光柵。一個有利的方法中，通過變化腔寬度獲得非偏振光柵，使得電磁波的TM分量的衍射效率大致等于橫向電場(TE)分量的。替換地，如果希望有最大偏振的光柵，可以變化腔寬度，使得例如TM分量最小而TE分量最大,或反之亦然。[0093]曲線1103顯示針對(入射光)波長λ =755nm的腔寬度W的掃描。所有其它參數(shù)與曲線1101的相同。注意針對該更長的波長的最大效率Hmax高于針對725nm的最大效率(約高0.74)，并發(fā)生在約400nm的多少更低的腔寬度處。從而實現(xiàn)在該最大值90%以內的效率的范圍W9tl也不同于針對λ =725nm (曲線1101)的范圍%0。
[0094]曲線1104顯示針對最大效率腔寬度W=400nm的波長掃描。同樣示出針對TE、TM及非偏振(平均)光的效率。可以觀察到，盡管針對該腔寬度的最大效率更高，比起針對W=470nm的效率，效率作為波長的函數(shù)的變化也更大。因此,如果希望有更獨立于波長的光柵，可以優(yōu)選W=470，而如果希望有最大效率，則可以優(yōu)選W=400。
[0095]圖12示出了用于創(chuàng)建具有可調槽底部寬度以及閃耀角的副本150的方法。所述方法包括以下步驟:提供包括槽1210以及壩1220的圖案的主光柵1200，槽1210以及壩1220分別與要創(chuàng)建的副本150的脊部210以及谷220’互補。注意這樣的主光柵1200本身也可以例如用作浸沒光柵。槽1210具有對應于要創(chuàng)建的脊部210的頂角α的槽角α’。所述槽具有相對于主光柵1200的表面200’的傾角9b’，對應于脊部210的閃耀角0b。槽1210的槽深度A對應于脊部210的波紋幅度A。壩寬度W對應(主光柵的浸入腔或副本的前表面腔的)腔寬度W。
[0096]壩寬度W從而限定腔寬度W，而晶圓表面200’則形成以腔寬度W分開槽1210的腔底面220’。在一個有利的實施例中，例如基于圖8(其中所述能量流場在具有腔底面220的腔225中形成)中詳細示出的能量流場的計算，根據(jù)希望的衍射效率設定腔寬度W。
[0097]槽1210的深度A以及槽間的壩寬度W依賴于抗蝕劑材料1201的線寬度。壩寬度W限定腔寬度W，其中晶圓表面200’形成以腔寬度W分開槽1210的腔底面。如圖8中詳細示出的，可以在具有所述腔底面的腔中形成能量流場。在一個有利的實施例中，根據(jù)其中得到的希望的衍射效率來設定腔寬度W。
[0098]主光柵1200包括在主光柵1200的平面200’中平行伸展的槽1210陣列。各槽1210由光柵周期d間隔開。槽1210包括具有平坦界面601’、602’的三角形剖面輪廓。所述界面中的一個界面601’相對于平面200’形成閃耀角Θ b。
[0099]制造主光柵1200的方法包括:提供晶圓1250，晶圓1250包括大致為單晶的材料，所述材料具有以一夾角α’彼此相交的第一晶面和第二晶面llla、lllb。所述方法進一步包括:相對于第一晶面Illa以等于閃耀角Θ b的切割角度沿晶圓表面200’切割晶圓1250。以平行條帶1211圖案樣式將抗蝕劑材料1201施加于晶圓表面200’的各部分，其中條帶1211的中心被光柵周期d間隔開，且在條帶1211之間形成晶圓表面200’的暴露部分。向晶圓表面200’施加各向異性蝕刻工藝1202，所述過程在第三晶面100的法線方向上比在第一晶面和第二晶面IllaUllb的法線方向上蝕刻得更快，以在所述暴露部分處形成槽1210，其中沿第二晶面111形成所述槽的所述平坦界面。
[0100]所述方法進一步包括:對于給定的光柵周期d以及閃耀角Θ b，計算作為光的期望衍射效率η的函數(shù)的、槽1210相對于晶圓表面200’的波紋幅度A ;并施加抗蝕劑材料1201。例如如圖12所示，對條帶1211的線寬度W進行控制，使得槽1210形成有平坦界面601’、602’，其中平坦界面601’、602’自相鄰條帶的暴露邊緣延伸入晶圓表面200’，并在等于所希望的(計算的)波紋幅度A的深度處以夾角α’彼此相交。這也展示在圖16中，其中解釋了所述抗蝕劑條帶的寬度W和波紋幅度A之間的關系。[0101]在另一個實施例中，可以制造復制光柵150。副本是所述主光柵的復制品。方法包括:按上述方法制造主光柵；向主光柵1200施加可模壓材料，以形成復制光柵150 ;以及使復制光柵150自主光柵1200分離。復制光柵150包括脊部210陣列,所述脊部210與主光柵1200的槽1210陣列互補?？梢詫⒉y幅度A作為如此獲得的復制光柵150的期望衍射效率的函數(shù)來進行計算。需要理解的是，所述復制光柵包括具有可控的波紋幅度的銳利的突出的結構，所述可控的波紋幅度無法通過其它方法輕易獲得?？梢詣?chuàng)建復制光柵15的副本，以獲得所述主光柵的原始剖面輪廓。
[0102]優(yōu)選所述單晶材料是硅?？傻靡嬗卺槍υ摬牧系呢S富的處理經(jīng)驗。替換地也可以使用例如晶面具有不同相對取向的其它單晶材料，以獲得不同頂角和閃耀角。
[0103]一個實施例中，向主光柵1200或復制光柵250施加反射層。所述反射層可以是例如金屬層或介電層。替換地，對于希望的目的，所述主光柵或所述可模壓材料具有足夠的反射性，不需要進一步添加反射層。
[0104]一個實施例中，抗蝕劑材料1201的條帶是使用壓印光刻技術在晶圓上提供的。對于創(chuàng)建均勻尺寸的抗蝕劑材料的條帶，壓印光刻可以提供希望的精度以及可靠性。
[0105]例如，一種由Eindhoven的Philips Research研發(fā)的已知為“基板保角壓印光刻”(SCIL, Substrate Conformal Imprint Lithography)的技術可能適用。所述基板保角壓印光刻(SCIL)技術結合了用于剛性玻璃載體的較大區(qū)域圖案化的軟復合材料工作印章的優(yōu)點，以獲得低圖案變形以及最佳分辨率。SCIL利用施加毛細作用力而非背壓的順序壓印原理，即使在較大區(qū)域上也能最小化氣包(air inclusions),從而確保最高的均勻度。印章和基板順序分離避免了較高的力，并允許干凈可靠地分離而不損壞所述圖案化結構。較大區(qū)域上基板一致性以及圖案保真度方面的性能可以使該壓印技術成為適合LED/VCSEL、光學元件、圖案化介質或諸如印刷電子或RFID的功能材料等應用的工具。
[0106]替換地或附加地，可以使用納米壓印光刻(NIL)來施加所述抗蝕劑材料的條帶?？梢岳缡褂萌⒓夹g來制造所述壓印光刻步驟中使用的印章，以提供相對較大的光柵表面和光柵線之間的希望的一致度。
[0107]如本文中用法，可以用所謂米勒指數(shù)的數(shù)學描述來描述晶面以及晶格方向。這允許指明、研究并討論晶體的具體平面以及方向。例如在立方晶格系統(tǒng)中，方向<hkl>或(h，k，I)限定特定平面或面表面的法線矢量方向。用米勒指數(shù)指代晶體的晶軸。晶軸因此不必取向為直角，但它們可以對應于立方晶格結構中的x、y、z軸。對于單斜和三斜晶體，每個米勒指數(shù)可以有四個數(shù)字。但立方晶格可以僅有三個數(shù)字。用于確定這些米勒指數(shù)的算法可以如下:
[0108](I)確定給定的晶面與所述三軸相交處的交點，例如(a，0，0)，(0，b，0)，(0，0，c)。如果所述平面平行于一軸，則說所述平面與所述軸相交于無窮遠處。
[0109](2)所述面的米勒指數(shù)則標記為(1/a，1/b，1/c)，其中所述三個數(shù)字表示為(去掉公因數(shù)的)最小整數(shù)?？衫鐚⒇摿繕耸緸樯蠙M線。
[0110]第一晶面和第二晶面IllaUllb結構上可以類似，例如它們可以都為(鏡面對稱的)〈111〉晶面。從而第一晶面Illa的法線方向上的蝕刻速率可大致等于第二晶面Illb的法線方向上的蝕刻速率。第三晶面100 (例如〈100〉晶面)的法線方向上的蝕刻速率可以比第一晶面和第二晶面IllaUllb的法線方向上的蝕刻速率快得多。該蝕刻速率差值可形成優(yōu)先蝕刻方向，即各向異性蝕刻。
[0111]—個有利的方法中，可以以如下方式創(chuàng)建主光柵1200。以相對于晶體取向1251的特定角度切割單晶娃晶圓1250。例如如圖12以及圖13所不，所述單晶材料具有第一晶面111a、第二晶面Illb和第三100晶面，其中第一晶面Illa和第二晶面Illb以一夾角α ’彼此相交。相對于第一晶面以等于所述閃耀角的切割角度沿晶圓表面切割所述晶圓。切割表面200’覆蓋有將充當抗蝕劑1201的氮化硅(SiN)層。所述SiN層覆蓋有光致抗蝕劑(photo resist)(例如如圖23中所示)。例如用已知的光刻技術將光圖案投影到所述光致抗蝕劑上。所述圖案包括一系列平行條紋，條紋間中心到中心距離等于光柵周期d，且條紋寬度大致對應于腔寬度或脊部寬度(依賴于使用正性光致抗蝕劑還是負性光致抗蝕劑)。從而如圖12中所示，以平行條帶1211圖案樣式將抗蝕劑材料1201施加于晶圓表面200’的各部分，其中條帶1211的中心被光柵周期d間隔開，且在條帶1211之間形成晶圓表面200’的暴露部分。
[0112]隨后長成所述光致抗蝕劑，從而形成在要創(chuàng)建所述壩的區(qū)域大致覆蓋所述SiN抗蝕劑的光致抗蝕劑的平行線的圖案樣式(見圖12)。隨后使用反應離子過程蝕刻掉所述SiN層的暴露區(qū)域。然后可以去掉其余的光致抗蝕劑。圖12中顯示得到的抗蝕劑1201的圖案樣式。隨后的過程中，向所述主光柵表面施加各向異性(濕)蝕刻劑1202例如氫氧化鉀(KOH)0也可以利用其它蝕刻劑和/或方法，只要所述蝕刻劑和/或方法提供各向異性蝕刻速率，即所述晶體的不同方向上的不同速率。在未被抗蝕劑1201覆蓋的區(qū)域，自所述表面向下蝕刻所述硅晶圓?，F(xiàn)在由于硅的晶體結構，所述蝕刻工藝將是各向異性的，即并非所有方向都相同。具體地，所述各向異性蝕刻劑在垂直于〈100〉晶面的方向上的蝕刻比在垂直于〈111〉晶面方向上約快100倍(依賴于溫度，例如見U.S.2008/0230947)。參考圖12，向晶圓表面200’施加各向異性蝕刻工藝，所述過程在第三晶面100的法線方向比在第一晶面和第二晶面IllaUllb的法線方向蝕刻得更快，以在所述暴露部分處形成槽1210，其中沿第一晶面和第二晶面IllaUllb形成所述槽的平坦界面。
[0113]得到的槽圖案從而具有多半平行于〈111〉晶面的邊緣(見圖13)。歸因于硅中晶面的相對取向，這形成(例如在65度至75度平面角之間的)約70.5度的槽角。允許所述蝕刻工藝進行，直到到達所述抗蝕劑邊緣，從而形成大致等于所述抗蝕劑的線寬度的壩寬度。所述蝕刻工藝停止后，可以例如使用蝕刻氮化硅比蝕刻硅更快的氟化氫(HF)或其它化合物來去掉抗蝕劑1201。盡管以上描述了特別有利的用于創(chuàng)建具有希望的特征的主光柵的方法，但也可以利用其它已知的方法得到相同的主光柵。
[0114]一旦如此獲得主光柵1200，則可以在相反的復制步驟1221中復制主光柵1200。該相反的復制步驟1221例如可以包括:提供具有可模壓表面諸如非硬化樹脂(non hardenedresin)的工件。將所述可模壓表面壓入所述主光柵的槽和壩結構，從而所述可模壓表面獲得與所述主光柵表面形狀互補的形狀。隨后例如通過冷卻使所述樹脂硬化，并自主光柵1200移除所述工件，從而形成副本150。
[0115]替換所述可模壓表面，例如可使用液體(環(huán)氧)樹脂填充主光柵1200的槽?？梢噪S后使該液體樹脂硬化，以形成類似以上所述的工件。如此獲得副本150后，可以使用諸如化學氣相沉積、原子層沉積、外延膜生長(epitaxial film growth)、派射(sputter)沉積等任何已知的技術在所述副本上施加或沉積金屬層。在施加所述反射金屬層后，終于獲得衍射光柵。注意尤其在所述可模壓表面本身具反射性的情況下，可以不需要進一步的金屬涂層。
[0116]例如Chou等人在U.S.2008/0280947中給出硅的各向異性蝕刻方法以及自主晶圓復制光柵的進一步的細節(jié)。例如Newport所著“Diffraction Grating Handbook, sixthEdition”中也討論了光柵的復制。除了各向異性蝕刻，也可使用諸如刻劃等其它方法產(chǎn)生例如如圖5以及圖6中所示的具有平坦腔底面以及突出的脊部的光柵。但是，所提出的各向異性蝕刻方法不僅特別適合仔細控制得到的光柵脊部的波紋幅度，還特別適合例如通過選擇不同的切割容易地調整所述閃耀角。例如在刻劃光柵的情況下，所述閃耀角典型地依賴于劃過所述主光柵中槽的尖頭的形狀。此外，本公開提出的蝕刻方法提供了與任何現(xiàn)有光柵相比具有低雜散光散射特征的非常光滑的光柵表面。尤其可利用所述光滑表面形成所述光柵的平坦反射界面。術語“平坦界面”是指相對于界面尺寸并不顯著彎曲的界面。平坦界面的定義可以是例如所述界面上的曲率半徑高于2倍、優(yōu)選高于5倍、更優(yōu)選高于10倍(沿所述界面從底部至頂部的)所述界面的高度。具體地，具有連續(xù)正弦的或接近正弦的起皺的光柵并不視為具有平坦界面或定義良好的閃耀角。
[0117]相應地，在一個有利的實施例中，提供了包括具有取向1251的大致為單晶材料的晶圓，取向1251由例如如圖13中顯示的〈100〉和〈111〉晶面限定。所述晶圓包括相對于所述晶面形成切割角度的表面200’ ；所述晶圓的表面200’提供有具有特定線寬度的平行線的圖案樣式的抗蝕劑材料1201，所述各平行線的中心由對應于光柵周期d的線周期d間隔開。
[0118]有利地，使用基于硅蝕刻的制造方法，原則上可以獲得原子級的平坦界面。
[0119]圖13以不意的整體不圖不出了用于自娃材主光柵1200創(chuàng)建復制光柵150的方法。主光柵1200中顯示了〈100〉和〈111〉晶面。硅材中，〈100〉和〈111〉晶面之間的角度約70.6度?！?11〉晶面(IllaUllb)之間的角度約54.7度。在相反的復制步驟1221中獲得復制光柵150。所述復制過程中，向主光柵1200施加諸如樹脂等可模壓材料1300，以形成要創(chuàng)建的光柵表面。在隨后的步驟中，將所述可模壓材料自所述光柵分離，并可向所述光柵結構施加金屬層，以形成光柵的傳導界面。
[0120]本圖中，主光柵1200的切割表面對應于〈100〉晶面。對于該切割，獲得對稱槽圖案。得到的復制光柵將具有約54.7度的閃耀角。此時共軛閃耀角等于所述閃耀角，所述光柵將具有對稱脊部。
[0121]替換地，例如對于沿〈112〉晶面的切割(例如如圖22中所示)，可以獲得約19.4度的閃耀角Qb以及90度的共軛閃耀角0b*。
[0122]總的來說，通過選擇所述晶圓相對于所述晶體取向的特定切割角度，可以實現(xiàn)任何其它希望的閃耀角Qb，其中所述閃耀角由〈100〉或〈ill〉晶面和沿其進行切割的表面之間的角度確定。相應地提供包括具有由〈100〉和〈111〉晶面限定的取向的大致為單晶的材料的晶圓，所述晶圓包括表面200’，所述表面200’相對于〈100〉面形成O度的切割角度，且相對于〈111〉晶面形成約54.V的切割角度。
[0123]另一方面，所述槽角依賴于〈111〉和〈111〉晶面的相對取向，對于娃所述槽角約70.5度。這也將約為副本150中脊部的頂角a。所述壩寬度將對應于腔寬度W，波紋幅度A將對應于槽深度。
[0124]幾何上的考慮容易顯示，波紋幅度A、腔寬度W、光柵周期d、閃耀角eb及共軛閃耀角eb*之間關系如下:
[0125](E3) d=ff+A/tan ( Θ b) +A/tan ( 9b*)。
[0126]從而應理解本文中，至少當所有其它參數(shù)相同時，變化腔寬度，則所述波紋幅度也變化。具體地，對于相同的周期d和閃耀角0b、0b*，更大的腔寬度W對應于較小的波紋幅度A。從而可使用以上提供的轉換關系互換A以及W。當然取代共軛閃耀角eb*，也可使用以下測角(goniometrical)關系替代頂角α
[0127](Ε4) Θ b+ Θ b*+a =180。。
[0128]圖14示出了硅材主光柵1200的電子顯微鏡圖像。以鳥瞰視角顯示了槽1210以及壩1220。所述光柵周期約為600nm。還顯示了槽角α’以及槽閃耀角Θ b’。
[0129]壩寬度W限定腔(底部)寬度。如以上圖8中詳細示出的，可以在具有所述腔底面的腔中形成電磁場構形。在一個有利的實施例中，根據(jù)得到的希望的衍射效率設定腔寬度W (或如上所述等價地，波紋幅度A)。
[0130]—些實施例中，主光柵1200用作浸沒光柵。此時,將在槽1210之間在主光柵的內部(即在作為浸沒光柵的主光柵的光學介質內)形成具有腔底面220的腔225。
[0131]其它實施例中，可以復制主光柵，以形成如圖13中所示的具有與主光柵的槽的圖案互補的脊部圖案的正面光柵。此時將在所述主光柵外部的光學介質(例如空氣或真空)中的所述脊部之間在所述正面光柵外部形成腔。從而可以由如圖14所示的壩或如圖8所示的谷形成所述腔底部。
[0132]圖15示出了復制光柵的電子顯微鏡圖像，可以通過復制如圖14所示的硅材主光柵、并隨即施加金屬(例如鋁、金、銀或在感興趣的頻率范圍內具有合適反射率以及SPP傳導率的其它金屬)層1502而獲得所述復制光柵。換言之，金屬層1502在所述光柵的表面形成傳導界面?？梢杂^察到，盡管副本材料1501可以具有銳利的頂角，但所施加的金屬層1502多少會削弱該銳利度。更重要的是可以觀察到，由于金屬層1502，所述光柵的腔寬度多少會小于所述副本的腔寬度。盡管該效可能很小，但也可以(例如通過在設計所述主光柵的壩寬度時考慮要沉積的金屬層的厚度)進行補償。
[0133]在對自蝕刻的硅材主光柵創(chuàng)建的光柵進行測量時本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，除了提供方便的用于變化腔寬度的方法，得到的光柵還提供了令人驚訝的接近于(對應于由有限數(shù)目的被照亮的槽引起的雜散光的)雜散光理論極小值的低雜散光散射。其原因可能是沿所述晶面蝕刻所述硅導致粗糙度幾乎為零。所述復制過程會增加一定的粗糙度，但進行得當?shù)脑捒梢院雎栽摯植诙仍黾?。這意味著所述基于硅材的方法不僅造成更高的效率，還由于更低的粗糙度而造成更低的雜散光。更低的雜散光將導致更高品質的光譜圖像，因為來自一頻率的雜散光不與另一頻率的圖像發(fā)生干涉。
[0134]本發(fā)明人檢查時，用原子力顯微鏡(AFM)分析了根據(jù)本文公開的方法產(chǎn)生的光柵的蝕刻的Si樣品，以確定槽的側面斜坡的表面粗糙度。使用輕敲模式Si探針以VEECODimension3100SPM (掃描探針顯微鏡)進行測量。掃描800X800nm2的區(qū)域。得到的高度數(shù)據(jù)顯示rms (均方根)粗糙度系數(shù)Rq〈1.5nm。相應地，在一個有利的實施例中，根據(jù)本文公開的方法產(chǎn)生的主光柵或復制品光柵的平坦界面(圖13中601、602或601’、602’)具有小于1.5納米的均方根粗糙度系數(shù)Rq。
[0135]圖16示出了用于優(yōu)化作為腔的底面寬度W的函數(shù)的光柵效率的實驗方法。具體地，以上圖12 -圖15中提供的方法提供用于快捷設計和研發(fā)對于給定的閃耀角以及光柵周期d具有任何希望的腔寬度W和/或波紋幅度的光柵的方便方法。
[0136]一個有利的方法中，可以通過在所述主光柵的制造過程中變化所述抗蝕劑材料的線寬度而變化槽深度來創(chuàng)建單個主光柵。提供俯視圖1600，其中在寬度變化的條帶1211中施加所述抗蝕劑，此處W=0.ld、0.5d及0.9d，即光柵周期d的10%、50%及80%。得到的主光柵1200具有變化的槽深度A/、A2’、A3’的圖案。在復制主光柵時，所述副本將具有一系列對應的波紋幅度Ap A2、A3以及變化的腔寬度W。對于一定數(shù)目的為所述光柵的子區(qū)域1601、1602或1603的部分的槽，腔寬度是恒定的。一個有利的方法中，由此創(chuàng)建具有不同腔寬度的區(qū)域的光柵150?？梢杂弥T如要針對其對光柵150進行優(yōu)化的特定波長的激光等掃描光束掃描所述可變腔寬度表面，例如第一射入?yún)^(qū)域1601，然后是1602，然后是1603?？梢岳缤ㄟ^放置在成像平面中的傳感器來測量不同區(qū)域的效率。例如可以利用如圖3所示的光譜儀的設置，由此側向地(即在平行于所述光柵表面的方向上)掃描所述光柵。優(yōu)選入射光光束足夠狹窄，使得僅照亮具特定腔寬度的子區(qū)域。
[0137]通過這種方式，可使用測試光柵來實驗地優(yōu)化腔寬度W，以獲得希望的(例如最優(yōu)的)效率。一旦確立最優(yōu)腔寬度，則可以產(chǎn)生具有該特定腔寬度的第二光柵。
[0138]所示范圍和/或步長是示意性的，實際中可以系統(tǒng)地(例如以5%步長在10% - 90%的腔寬度之間)進行選擇。還可以迭代所述過程，例如首先通過粗略掃描(例如使用10%間距)確立對最優(yōu)效率腔寬度的粗略估計，并在于所述粗略掃描中找到最高效率的區(qū)域中以1%間距進行重復。
[0139]以上從而說明，光柵的衍射效率可以作為腔寬度的函數(shù)被優(yōu)化，其中所述光柵的剖面輪廓包括漸窄結構，且漸窄結構之間形成腔底部。一個優(yōu)點是，可以獨立于所述光柵周期并使用方便的蝕刻技術進行該優(yōu)化。類似地說明如何通過控制條帶1211的寬度W來控制波紋幅度H
[0140]提供以下圖17-圖21中示例，用以非限制性地說明以上展示的原理(可以通過調節(jié)諸如圖12-圖16中所示的V形槽或脊部剖面輪廓的腔寬度來獲得希望的光柵效率)的廣泛應用。
[0141]圖17示出了對m=l衍射級中效率的模擬。亮色對應于較高的效率，暗色對應于較低的效率。除了規(guī)則的效率剖面輪廓，本發(fā)明人還注意到表面等離子體效應引起的一系列狹窄的共振。具體觀察到，對于以箭頭1701標示的約380THZ的特定頻率，表面等離子體的存在會導致光柵的效率降低。例如如果入射光的能量被耦合到光柵中的表面等離子體上(其中所述能量被耗散在所述光柵表面上或折射到其它方向上)，則可以發(fā)生這樣的效率降低。然而令人驚訝的是，在所述表面等離子體共振的另一衍射級(以箭頭1702標示)，所述光柵效率實際有所提高。對于本示例，這是第三級等離子體共振。在其它實施例中，所述效率提高則可發(fā)生在其它級。在特別有利的實施例中，例如對于點1703的頻率以及光柵幅度，所述等尚子體共振的提聞的效率可以與腔寬度調節(jié)引起的整體效率提聞相結合。
[0142]圖18示出了用于C02探測衛(wèi)星的非利特羅浸沒光柵的示例，所述示例具有以下特征:
[0143]-波長范圍1590nm - 1675nm，
[0144]-線密度4801/mm，[0145]-衍射級-7
[0146]-入射角47。
[0147]-現(xiàn)寬度250nm - 950nm
[0148]-鋁涂層
[0149]-介質硅
[0150]曲線2101中可以觀察到，例如對于600nm的壩寬度達到最優(yōu)整體效率。
[0151]注意該示例涉及浸沒光柵，即入射光自內部打到所述光柵上的光柵。這是可能的，因為硅對于所給定的波長范圍而言是透明的。從而注意上述變化腔寬度的原理同樣適用于浸沒光柵，其中自所述光柵外部看來，所述細長突出結構實際上是槽。此處所述腔在硅材料內部形成，且所述腔底面由壩頂部形成。所述壩寬度從而對應于腔寬度。注意盡管本示例施中施加了一層鋁，但(例如在基板材料界面，此處為硅，已經(jīng)提供了反射界面的情況下)并不總是需要向光柵基板施加反射層。
[0152]曲線2102示出了對于600nm的壩寬度的作為波長的函數(shù)的光柵效率。其顯示給定頻率范圍的每個地方的非偏振效率>60%。偏振從1675nm處的2%到1590nm處的24%。此外計算出角色散從53.7°至63.0°。
[0153]圖19示出了用于C02探測衛(wèi)星的非利特羅浸沒光柵(non-Littrow immersiongrating)的另一示例，具有以下特征:
[0154]-波長范圍1590nm - 1675nm
[0155]-線密度25001/mm
[0156]-衍射級-1
[0157]-入射角40。
[0158]-現(xiàn)寬度Onm - 350nm
[0159]-出射圓錐30。-34。
[0160]-鋁涂層
[0161]-介質硅
[0162]曲線2201示出了作為壩寬度(即，腔寬度)的函數(shù)的光柵效率。曲線2201中可以觀察到，盡管橫向電場(TE)效率隨壩寬度增加而下降，但橫向磁場(TM)效率在130nm附近具有最大值。整體平均(avg)效率在約140nm的壩寬度處最高。可以用圖5中描述的影子效應(即因為更多光直接地打到光柵底部并簡單地以零衍射級被反射)來解釋TE效率降低的效應。另一方面TM效率有提高，則可能是因為腔形狀以及尺寸提供了對穿透更深的TM輻射的共振(金屬線柵效應)，且該共振(例如通過前述局域場振幅的機制)提供了提高的效率。最后，由于壩寬度進一步增加，即>130nm，(可能歸因于圖5的競爭影子效應，)TM輻射的效率也下降。
[0163]曲線2202示出了針對最優(yōu)壩寬度(140nm)的作為波長的函數(shù)的光柵效率。觀察到在整個波長范圍內，整體光柵效率>75%，而偏振效應(即TE效率和TM效率之間的差值)保持在約在6%到13%之間。這樣的低偏振光柵的優(yōu)點是使得引入到光學系統(tǒng)中的不希望的偏振異常最小。
[0164]圖20示出了用于可見光波長范圍的非利特羅正面光柵(對比浸沒光柵)的示例，所述示例具有以下特征:[0165]-光柵周期500nm
[0166]-現(xiàn)寬度Onm - 300nm
[0167]-閃耀角54.74°
[0168]-入射角42。
[0169]-金屬IOOnm 招(Palik 手冊)
[0170]-樹脂Resin_l-mkm_Vis-NIR_RG-Newport
[0171]-波長605nm
[0172]曲線2300示出了作為平坦谷底部寬度(B卩，腔寬度)的函數(shù)的光柵效率。注意以下興趣點。對于Onm的寬度(箭頭2301)，獲得了最大偏振的光柵。對于130nm的寬度(箭頭2302)，獲得幾乎非偏振的光柵。對于170nm的寬度(箭頭2303)，獲得最大整體效率(對于當前剖面輪廓以及設定可以通過變化腔寬度獲得最大整體效率)。對于ISOnm的寬度(箭頭2304)，獲得偏振(TM)光的最大效率。注意該偏振效率高于整體效率。
[0173]圖21示出了具有以下特征的利特羅光柵:
[0174]-光柵周期500nm
[0175]-壩寬度175nm
[0176]-閃耀角54.74°
[0177]-入射角:可變(依賴于波長)
[0178]-金屬IOOnm 金(Palik 手冊)
[0179]-樹脂Resin_l-mkm_Vis-NIR_RG-Newport
[0180]-波長200_980nm
[0181]曲線2400示出了所述光柵在較寬波長范圍2401內對于TM光具有>95%的非常高的效率。所示特征使所述光柵非常適于用作例如如圖4所示激光腔中頻率選擇的背反射器。具體地，通過旋轉所述光柵，可以選擇提供的范圍內的各種波長。適合的激光器可例如為(TM)偏振T1:寶石激光器(也稱為T1:A1203激光器、鈦-寶石激光器，或簡單地稱為Ti:sapph)。另一個有利的實施例中，例如在Rb D2線1=780.2nm處在原子鐘的激光腔中使用例如如圖21中公開的利特羅光柵。所述光柵從而用于穩(wěn)定波長。
[0182]圖22示出了衍射光柵150的另一個實施例的剖面輪廓的側視圖。所述光柵具有周期d=500nm以及約70.6度的頂角α。所述光柵可適用于操作于300nm波長范圍中。所述光柵包括閃耀角0b=19.4度。支撐壁602具有角0b*=9O度。優(yōu)選入射角0i=3度。這使得在衍射級-1中衍射角9d=-34度。根據(jù)希望的衍射效率計算針對該構形的波紋幅度A以及底面寬度W。所述實施例中，A、W在130nm近似相等。所述實施例中，支撐壁602處在影子中，但是，底部平面220are幾乎完全被照亮。令人驚訝的是這不一定對所述效率產(chǎn)生不利影響。
[0183]如上所述，可以通過復制主光柵來制造光柵，其中通過對沿〈112〉晶面切割的硅晶圓進行各向異性蝕刻來制造所述主光柵。腔底部220對應于沿其切割主光柵的〈112〉晶面。平坦界面601、602對應于主光柵的〈111〉晶面。
[0184]在各向異性蝕刻前，可以(例如使用上述SCIL技術)向所述硅晶圓施加抗蝕劑材料的條帶。使用抗蝕劑圖案的寬度確定主光柵的V-槽之間的壩寬度。所述條帶可約為130nm寬，余下相鄰條帶之間的暴露部分約為370nm。通過各向異性蝕刻在所述暴露部分上蝕刻所述槽。當所述槽到達V底部處的點時，各向異性蝕刻工藝的性質使得所述蝕刻工藝可以自動停止或至少顯著減緩。從而由所述條帶的寬度確定所述壩的深度A以及寬度W。復制所述主光柵后，所述壩成為底面220。要理解底部平面220的寬度W可以影響光柵150的效率以及偏振性能。因此優(yōu)選很好地控制寬度W的均勻性。
[0185]圖23示出了測得的作為等離子體蝕刻時間Tp (以秒為單位)的函數(shù)的抗蝕線寬度(以納米為單位)的降低Rw的曲線。大致可辨別出三個斜率:
[0186]SLl:0-125s在光致抗蝕劑以及底部防反射涂層中蝕刻；
[0187]SL2:125-300s僅在光致抗蝕劑中蝕刻；以及
[0188]SL3:300-400s僅在底部防反射涂層中蝕刻。
[0189]使用該蝕刻方法可以精確地控制所述光柵的線寬度。這允許精確調節(jié)例如所述光柵的偏振效率。
[0190]相應地，在根據(jù)第一方面的方法的另一個實施例中，使用反應離子蝕刻(RIE)縮小所述抗蝕線(即平行條帶的圖案)的寬度。RIE技術可以提供對所述抗蝕劑條帶的線寬度的進一步控制。RIE可以與SCIL結合使用，以進一步改善所述條帶的均勻性和/或一致度。
[0191]圖24示出了用于制造根據(jù)以上(例如參考圖12的)實施方式的主光柵1200的方法的具體實施例。
[0192]步驟SI中，將硅盤2351 (即所述晶圓)拋光到X/50rms平坦度。步驟S2中，使用低壓化學氣相沉積(LPCVD)沉積IOOnm的氮化硅層2352。依賴于所述光柵周期，可優(yōu)選使用UV光刻或壓印光刻。
[0193]對于大于I微米的光柵周期，步驟S3中，使用自旋涂層添加光致抗蝕劑層2353。步驟S4中，使用UV光刻使光致抗蝕劑2353’圖案化。步驟S5中，通過等離子體蝕刻將所述圖案轉移到氮化硅層2352’中。步驟S6中，移除光致抗蝕劑2352’，余下所述圖案化氮化硅層2352’。步驟S7中，使用KOH各向異性地蝕刻所述硅盤。步驟S8中，在HF中移除氮化硅掩膜2353，且可選地自所述硅盤中切去光柵1200。
[0194]對于小于I微米的光柵周期，步驟S3中，使用自旋涂層施加溶膠-凝膠層(Solgel)0步驟S4中，使用壓印光刻(SCIL)進行圖案化。步驟S5中，通過等離子體蝕刻將所述圖案轉移到氮化硅層2352’中。在可選步驟S6中，移除其余的溶膠-凝膠層2352’，余下所述圖案化氮化硅層2352’。從而獲得主光柵1200。
[0195]可選地，例如圖12中所示，將可模壓材料施加于主光柵1200以及自所述主光柵分離從而獲得復制光柵?？蛇x地，向主光柵1200和/或所述復制光柵施加反射涂層。雖然展示的是獲得對稱槽/脊部圖案的過程，但也可以通過(例如如圖22中所示)相對于所述晶面傾斜所述硅盤的切割角度而獲得非對稱槽/脊部。要理解可以由所述抗蝕劑圖案的寬度使用具有各向異性蝕刻速率(即所述晶體的不同方向上的不同速率)的蝕刻劑(例如如圖12以及圖16中所示)來確定所述主光柵和/或所述復制光柵的波紋幅度?？筛鶕?jù)針對希望的衍射效率進行的計算來確定所述波紋幅度。
[0196]討論和示出的所述實施例的各個要素的優(yōu)點在于提供改善的衍射光柵效率和/或用于創(chuàng)建這樣的光柵的方法等。本發(fā)明中，根據(jù)希望的衍射效率例如通過K’(h_akvR.|及其它模擬程序通過在數(shù)值計算中變化腔寬度W和/或波紋幅度A來預設所述衍射效率。從而可以通過將腔寬度設定在例如在0.1至0.9倍光柵周期d之間的范圍內，而根據(jù)希望的衍射效率，針對所公開的漸窄結構來數(shù)值地控制入射光的衍射效率，這樣的腔寬度W在使用中將使入射光在以腔底面220為界的共振腔225中形成能量流場，該電磁場構形可以作為腔寬度W的函數(shù)進行計算。
[0197]例如，PCGrate?-S (x)v.6.432/64位針對下述類型的1-D反射以及透射緩解及相位光柵(全息、刻劃等)以及1-D和2-D光子(photonic)晶體來計算衍射效率以及近區(qū)衍射場針:所述光柵晶體具有(有不同邊界或有沿所述光柵周期的非均勻的豎直厚度的)任意形狀多層、可變槽深度和/或空間、凹陷及凸起、圓錐形支架，被非平面波輻射，處于一般偏振狀態(tài)，具有各種周期性層及隨機層的粗糙度，并處于超寬光譜范圍中。用于分析衍射光柵效率的嚴格的邊界積分方程方法可以擴展到任何非周期性結構以及非函數(shù)邊界剖面輪廓的情況。包括用于(尤其以高斯相關函數(shù))生成隨機粗糙的工具，以便能增加邊界剖面輪廓的一面(部分)上的微觀粗糙度?？梢愿鶕?jù)所公開的在各向異性蝕刻工藝中控制抗蝕劑材料的線寬度的方法來實現(xiàn)具有希望的腔寬度W和/或波紋幅度A的衍射光柵。
[0198]當然，要理解任一上述實施例或過程都可以與一個或更多個其它實施例或過程相結合，以便在發(fā)現(xiàn)和匹配設計和優(yōu)點時進行更進一步的改善。理解該發(fā)明針對激光器以及光譜儀提供具體優(yōu)點，且一般可以應用于任何關切光柵效率和/或雜散光的光學領域。
[0199]本文公開的方法的可能的應用可以是例如高效光柵的低成本和/或大批量生產(chǎn)。這樣的大批量生產(chǎn)可以開啟使用這樣的光柵的新區(qū)域，例如電信用途、波長復用、例如用于確定涂料、家具、傷痕等的顏色的用戶裝置。此外，任何能得益于更低的雜散光以及更高的信號的應用原則上均能得益于此類光柵。這包括用于激光腔中以調節(jié)到特定波長的應用。
[0200]使用如本文公開的光柵，針對特定偏振狀態(tài)的效率可以達到90%或更高。這意味著所有偏振依賴的系統(tǒng)都能得益于該光柵。例如，激光器系統(tǒng)可以典型地使用偏振光，但也可以偏振散射光。其它應用可以包括使用光譜偏振測量系統(tǒng)確定氣霧劑(aerosol)濃度的測量方法，該應用能極大地得益于此類光柵。另一示例中，可將對偏振不敏感的高效光柵應用于例如如圖1所示基于空間的分光鏡(spectroscope)。
[0201]替換地，也可以通過偏振光柵高效地衍射非偏振光，例如首先將所述非偏振光分裂為二個互補的偏振狀態(tài)，并將具有不同偏振狀態(tài)的二個光束飼入分別對于對應的偏振而言具有最優(yōu)化的光柵的兩個分光計(spectrometer)。替換地,可以(例如使用波片或半波片)將分裂后的一個偏振旋轉為與另一偏振相同。然后可將(因此具有相同偏振的)二光束重新結合到同一分光計中，并且/或者被同一光柵衍射。
[0202]最后，以上所述用于說明本系統(tǒng)，不應理解為將所附權利要求限制為任何特定實施例或實施例組。從而，雖然參考其中【具體實施方式】具體詳細描述了本系統(tǒng)，應理解本領域技術人員可以設計許多變型以及替換的實施例而不背離如所附權利要求所述的更寬以及所意圖的本系統(tǒng)的精神以及范圍。相應地說明書以及附圖應視為示意性的，并不欲限制所附權利要求范圍。
[0203]在解釋所附權利要求時，應理解詞語〃包括〃不排除給定權利要求中所列出的元件或動作之外的其它元件或動作的存在;要素前的“一”不排除多個這樣的要素的存在;權利要求中任何附圖標記均不限制其范圍；相同或不同項或實施的結構或功能可以代表若干方式；除非明確做出特別說明，任何所公開的裝置或其部分都可以結合在一起或進一步分成各部分；除非明確說明，不要求有動作或步驟的具體次序；除非明確標示，不要求有元件的具體次序。
【權利要求】
1.一種制造主光柵(1200)的方法，所述主光柵用于衍射以特定入射角(0i)射入所述主光柵(1200)或所述主光柵(1200)的復制光柵(150)的特定波長(λ )的光，所述主光柵(1200)包括沿所述主光柵(1200)的平面(200’)平行伸展的槽(1210)陣列，所述槽(1210)被光柵周期(d)間隔開；所述槽(1210)包括具有平坦界面(601’、602’)的三角形剖面輪廓，其中所述界面中的一個界面(601’)形成相對于所述平面(200’)的閃耀角(0b);所述方法包括: -提供晶圓(1250)，所述晶圓包括大體上單晶的材料，所述材料具有第一(Illa)晶面、第二(Illb)晶面以及第三(100 )晶面，其中所述第一(11 Ia)晶面以及所述第二( 11 Ib )晶面以一夾角(α ’)彼此相交；沿晶圓表面(200’)切割所述晶圓(1250)，所述晶圓表面(200’)相對于所述第一晶面(Illa)的切割角度等于所述閃耀角(0b)； -以平行條帶(1211)圖案樣式向所述晶圓表面(200’)的各部分施加抗蝕劑材料(1201)，所述條帶(1211)的中心被所述光柵周期(d)間隔開，其中所述晶圓表面(200’)的暴露部分是形成在所述條帶(1211)之間； -向所述晶圓表面(2 O O ’)施加各向異性蝕刻工藝(12 O 2 )，所述各向異性蝕刻工藝(1202)在所述第三晶面(10 0)的法線方向上比在所述第一晶面和第二晶面(111a、Illb)的法線方向上蝕刻得更快，以在所述暴露部分處形成所述槽(1210)，其中所述槽的平坦界面是沿所述第一晶面和第二晶面(IllaUllb)形成的，所述方法進一步包括: -對于給定的所述光柵周期(d)以及閃耀角(0b)，將所述槽(1210)相對于所述晶圓表面(200’)的波紋幅度(A)作為所述光的期望衍射效率(η )的函數(shù)來進行計算；以及 在施加所述抗蝕劑材料(1201)時，對所述條帶(1211)的線寬度(W)進行控制，使得所述槽(1210)形成有所述平坦界面(601’、602’)，其中所述平坦界面(601’、602’)自相鄰條帶的暴露邊緣延伸入所述晶圓表面(200’)，并在等于所計算的波紋幅度(A)的深度處以所述夾角(α ’)彼此相交。
2.—種制造復制光柵(150)的方法,包括: -根據(jù)權利要求1制造主光柵(1200)； -向所述主光柵(1200)施加可模壓材料(1300)，以形成所述復制光柵(150)，其中所述復制光柵(150)包括脊部(210)陣列，所述脊部(210)陣列與所述主光柵(1200)的所述槽(1210)陣列互補；以及 -將所述復制光柵(150)自所述主光柵(1200)分離，其中 所述波紋幅度(A)是作為所述復制光柵(150)的所述期望衍射效率(η )的函數(shù)來進行計算的。
3.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述單晶材料是硅。
4.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，進一步包括:向所述主光柵(1200)或復制光柵(250 )施加反射層。
5.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中所述抗蝕劑材料(1201)的所述條帶是使用壓印光刻技術提供在所述晶圓上的。
6.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法，其中，在施加所述各向異性蝕刻工藝之前，使用反應離子蝕刻來縮小所述條帶的所述寬度(W)。
7.根據(jù)權利要求1至6中任一項所述的方法，其中根據(jù)期望衍射效率來設定所述波紋幅度(A)，所述期望衍射效率是作為所述波紋幅度(A)的函數(shù)的最大可實現(xiàn)的衍射效率(^ max ) ?
8.據(jù)權利要求1至6中任一項所述的方法，其中根據(jù)期望衍射效率來設定所述波紋幅度(A)，其中所述入射光的TE偏振狀態(tài)以及TM偏振狀態(tài)具有作為所述波紋幅度(A)的函數(shù)的衍射效率的最大可實現(xiàn)的差值。
9.根據(jù)權利要求1至6中任一項所述的方法，其中根據(jù)期望衍射效率來設定所述波紋幅度(A)，其中所述入射光的TE偏振狀態(tài)以及TM偏振狀態(tài)的衍射效率相等。
10.通過根據(jù)前述權利要求中任一項所述的方法而獲得的光柵(1200、150)，所述光柵(1200、150)設置用于衍射以特定入射角(Θ i)射入所述光柵(1200、150)的特定波長(入)的光，所述光柵(1200、150)包括沿所述光柵(1200、150)的平面平行伸展的槽(1210)或脊部(210)陣列，所述槽(1210)或脊部(210)被光柵周期(d)間隔開；所述槽(1210)或脊部(210)包括具有平坦界面(601’、602’、601、602)的三角形剖面輪廓，其中所述界面中的一個界面(601’、601)形成相對于所述平面(200’、200)的閃耀角(Θ b);其中 -所述槽或脊部的所述平坦界面包括頂角，其中所述平坦界面以對應于大體上單晶的材料的晶面(111a、Illb)的夾角的角度彼此相交； -所述槽(1210)或脊部(210)被平行于所述平面(200’)伸展的平坦界面分隔開；并且對于給定的所述光柵周期(d)以及閃耀角(0b)，所述槽(1210)或脊部(210)具有根據(jù)所述光的所述期望衍射效率(H)的、相對于所述平面的波紋幅度(A)。
11.根據(jù)權利要求10所述的光柵，其中所述平坦界面具有小于1.5納米的均方根粗糙度系數(shù)(Rq)。`
12.根據(jù)權利要求10或11所述的光柵，其中所述頂角是在65度至75度之間的平面角。
13.一種光譜儀(300)，用于具有中心波長(λ。)的特定波長范圍(Λ λ)內的光(LI)的譜分析，所述光譜儀(300))包括: -根據(jù)權利要求10至12中任一項所述的光柵(1200、150)； -第一導光器件(140)，設置用于將所述光(LI)導向所述光柵(150)，使得所述光(LI)以受控的入射角(Θ J射入所述光柵(150)； -第二導光器件(160)，設置用于將以非零衍射級(m)以頻率依賴的衍射角(0d)被所述光柵衍射的光(L2)導向到所述光譜儀(130)的成像平面(170)上；以及 成像裝置(350)，其包括傳感器(355)，所述傳感器(355)大體上放置在所述圖像平面(170)內，以用于記錄有角度色散的光的光譜圖像。
14.根據(jù)權利要求13所述的光譜儀，其中所述閃耀角(0b)設定為(E12)使得所述入射光(LI)從所述脊部的所述平坦界面(601)鏡面反射的反射光大體上與以所述非零衍射級(N)被所述光柵衍射的具有所述中心波長(Xci)的所述光(L2)重疊。
15.一種激光器(400)，包括: -光放大增益介質(420)； -光泵浦(410)，用于泵浦所述增益介質(420)； -輸出耦合器(440)，包括半透明的背反射表面；以及 -根據(jù)權利要求10至12中任一項所述的光柵(150)，其中所述增益介質設置在由所述光柵(150)以及所述輸出耦合器(440)形成的激光腔(450)的路徑中，其中所 述光柵(150)設置為背反射腔反射鏡，并且被所述增益介質(420)放大并被所述光柵(150)衍射的光大體上沿與射入所述光柵(150)的光相同的方向折回。
【文檔編號】G02B5/18GK103765253SQ201280039162
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年6月7日 優(yōu)先權日:2011年6月8日
【發(fā)明者】亨利·約翰尼斯·彼得勒斯·文克, H·菲瑟, 阿勒德特·希德·范·阿默榮恩 申請人:荷蘭應用自然科學研究組織Tno, 荷蘭太空研究所 Sron基金會