專利名稱：一種多層金屬光柵的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體加工領(lǐng)域的微圖形加工方法，具體是涉及一種基于納米壓印的多層金屬光柵的制備方法。
背景技術(shù)：
納米壓印技術(shù)是采用帶有納米尺度圖形的印章通過(guò)熱壓或紫外固化的方法在壓印膠上制作得到納米圖形，具有分辨率高、成本低、產(chǎn)率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，自1995年提出以來(lái)已演變出多種壓印技術(shù)。目前納米壓印技術(shù)主要包括熱壓印、紫外壓印和微接觸印刷等。一般的納米壓印工藝包括四個(gè)主要步驟:壓膜制備，壓印過(guò)程，脫模和圖形轉(zhuǎn)移。通常在脫模后需要用反應(yīng)離子刻蝕等方法除去殘留膠層，而圖形轉(zhuǎn)移需要運(yùn)用刻蝕或剝離技術(shù)將圖形轉(zhuǎn)換成所需材質(zhì)的圖形。與傳統(tǒng)的偏振片相比，金屬光柵具有更高的偏振對(duì)比度，在信息存儲(chǔ)、太陽(yáng)能電池、平板顯示、生物傳感等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，由于其本身對(duì)光的吸收很小，通過(guò)反射自然光的一個(gè)偏振而讓另外一個(gè)偏振通過(guò)，可以使被反射的光通過(guò)偏振旋轉(zhuǎn)再次被回收利用，因此在液晶顯示中具有很大的潛力。困然納米金屬光柵廣泛應(yīng)用的主要瓶頸是大規(guī)模的量產(chǎn)制備工藝難、光學(xué)透射效率低。目前制備金屬光柵的常用方法是在利用納米壓印或者半導(dǎo)體刻蝕制備好的單層介質(zhì)光柵表面利用蒸鍍方式鍍上金屬鋁或者銀等。在文獻(xiàn)Ahn, Kim and Guo, J.Vac.Scl.Technol.B25 (6) (2007)中，對(duì)常用的納米壓印技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，運(yùn)用卷對(duì)卷的納米壓印技術(shù)直接在柔性PET基底上制得納米線柵，然后用電子束蒸鍍機(jī)在光柵表面鍍上金屬得到雙層金屬線柵，省去了圖形轉(zhuǎn)移的步驟，簡(jiǎn)化了制備工藝，節(jié)約了成本。但這種方法會(huì)導(dǎo)致一部分光柵條紋的側(cè)壁也會(huì)被金屬覆蓋，從而導(dǎo)致光學(xué)透射效率降低。為了盡量減少或避免金屬粘附于不應(yīng)被覆蓋的地方，許多改進(jìn)方法被相繼提出，譬如文獻(xiàn) Zhaoning Yu et al, Appl.Phys.Lett.77, 7 (2000)報(bào)道了一種在 PMMA 光柵上鍍 Cr和Au以制備雙層金屬光柵的方法，該方法是在5 X IO-6Torr的條件下采用電子束蒸鍍金屬，由于在此壓強(qiáng)下被蒸鍍?cè)拥钠骄杂沙梯^大，電子束可認(rèn)為是非分散的，故光柵側(cè)壁上不會(huì)沉積金屬。但是這種方法需要非常高的真空度，對(duì)設(shè)備的要求高，成本昂貴。另外的一種方式，如文獻(xiàn) Sang Hoon Kim et al, Nanotechnologyl7 (2006) 4436-4438 中使用電子束傾斜蒸鍍的方法制作金屬光柵，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)傾斜角大于60°時(shí)只有光柵凸部和側(cè)壁的上半部分鍍上了金屬，而傾斜角小于40°時(shí)光柵的凸部、凹槽及整個(gè)側(cè)壁都被金屬覆蓋，很難精確控制金屬的分布。但是這種方式的光學(xué)效率也不高，同時(shí)很難量產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種多層金屬光柵的制備方法，不僅省略了圖形轉(zhuǎn)移的步驟，工藝更簡(jiǎn)單，成本更低廉，而且由上述方法得到的金屬膜不會(huì)包覆于圖形側(cè)壁而影響透射效率，其截面與壓印模具截面形貌嚴(yán)格吻合，與采用傳統(tǒng)方法得到的圖形相比，圖形的保真度和光柵的TM透射率及偏振抑制比都更高。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:一種多層金屬光柵的制備方法，其特征在于，該方法包括如下步驟:I)制備或選取壓印模板；2)在襯底上表面旋涂壓一層壓印膠；3)在壓印膠的表面鍍一金屬層；4)在金屬層上表面涂一層保護(hù)膜；5)將壓印模板放置在保護(hù)膜上表面進(jìn)行納米壓??；6)對(duì)壓印膠進(jìn)行固化處理后，移去壓印模具。優(yōu)選的，在步驟4)和步驟5)之間進(jìn)行步驟4a):4a)多次反復(fù)步驟2)、3)和4)。所述的納米壓印為熱納米壓印或者紫外曝光壓印。所述的壓印模板具有光柵凹槽，光柵是一維周期性或準(zhǔn)周期性、二維周期性或準(zhǔn)周期性的光柵結(jié)構(gòu)。所述光柵凹槽的形狀為矩形或圓形，深度依所需圖形高度而定。步驟2)所述的襯底材料為玻璃、石英、PET、硅、藍(lán)寶石或氧化銦錫。步驟2)所述的壓印膠為聚甲基丙烯酸甲酯、二甲基硅氧烷或SU8膠，厚度依壓印模具深度和所需圖形高度而定。步驟3)所述的金屬為金、鉬、銀、鋁、銅、鉻、鈦或鎳，厚度為10nm-100nm。步驟3)所述的鍍金屬層采用磁控濺射法或電子束蒸發(fā)鍍膜法。步驟4)所述的保護(hù)膜為聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯或聚四氟乙烯低表面能材料。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具備下列有益效果:其一，本發(fā)明提供的納米壓印方法無(wú)需去除膠層，也無(wú)需進(jìn)行圖案轉(zhuǎn)移，工藝簡(jiǎn)單，成本較低。其二，本發(fā)明是先鍍金屬再進(jìn)行壓印，與壓印出圖形后再鍍金屬相比，光柵側(cè)壁不易沉積多余的金屬，能提高圖形的保真性和光柵的TM透射率及消光比。其三，金屬層上表面增加了一層由低表面能材料構(gòu)成的保護(hù)膜，既能保護(hù)金屬層，又使得其與壓印模具的粘附性變小，便于脫模，保證了圖形的完整性。


圖1為本發(fā)明多層金屬光柵的制備方法的工藝流程圖。圖2a為本發(fā)明中步驟4)后多層金屬光柵的剖面示意圖。圖2b為本發(fā)明中步驟5)后多層金屬光柵的剖面示意圖。圖2c為本發(fā)明中步驟6)后多層金屬光柵的剖面示意圖。圖3為先制得光柵后鍍膜得到的上部側(cè)壁被金屬包覆的雙層金屬光柵的剖面示意圖。圖4為FDTD模擬的利用本發(fā)明得到的雙層金屬光柵的TM和TE的透射譜及其消光比。圖5為FDTD模擬的圖3所示光柵的TM和TE的透射譜及其消光比。圖中:1為壓印模版，2為襯底，3為壓印膠，4為金屬膜。
具體實(shí)施方式
下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程。為方便說(shuō)明，圖中放大或縮小了層的厚度，所示大小和比例并不代表實(shí)際情況。本發(fā)明的實(shí)施例不應(yīng)被認(rèn)為僅限于圖中所示區(qū)域的特定性狀，實(shí)施例中均采用周期性的光柵結(jié)構(gòu)來(lái)示意，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。如圖所示，具體包括以下幾個(gè)步驟:步驟I)制備或選取壓印模板1，材料為氮化硅，圖形是剖面為矩形的光柵，周期為200nm，深度為lOOnm，占空比為0.5。襯底2的材料為BK7玻璃，清洗流程為:玻璃清洗液、丙酮、異丙醇、去離子水各超聲15分鐘，再用流動(dòng)的氮?dú)獯蹈杀砻嫠謧溆?。選取的壓印膠3組分為高支化低聚物，PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)和有機(jī)稀釋劑。步驟2)在襯底2上表面旋涂一層壓印膠3,選擇甩膠轉(zhuǎn)速4000rpm,甩膠時(shí)間I分鐘，然后在80° C溫度下烘烤3分鐘，得到厚度為200nm的壓印膠層3。步驟3)采用磁控濺射法在壓印膠3上表面鍍一層金屬4，金屬4的材料為Al，厚度為70nm，所述磁控濺射的速率為20nm/min。步驟4)在金屬層4上表面涂一層保護(hù)膜5，保護(hù)膜5的材料為聚乙烯，厚度為50nmo步驟4a)根據(jù)需要可反復(fù)多次步驟2) _4)形成多層膜基底步驟5)將壓印模版I放置于保護(hù)膜5表面進(jìn)行壓印，本實(shí)施例中選用熱壓印機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體過(guò)程為，將壓印模版I與基底分別安裝到熱壓印機(jī)的兩個(gè)壓印盤，壓印模版I的納米光柵結(jié)構(gòu)的表面與基底的保護(hù)膜5貼合，設(shè)置壓印機(jī)的真空度為0.005mbar，將壓印模版I和基底加熱至壓印膠3的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg (90° C)以上，本實(shí)施例為140° C，施加壓力14磅/平方英尺-16磅/平方英尺(Psi)，保持10分鐘，使壓印膠3及其上的金屬層和保護(hù)膜充滿壓印模版I的凹槽部分，如圖2b所示。步驟6)施加壓力60Psi，進(jìn)行冷卻，待溫度降至壓印膠3的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg附近時(shí)，保持5分鐘-10分鐘，再使溫度下降到25。C左右，使壓印膠3固化，然后將壓印模版I與基底分離。由于壓印模版I表面的納米光柵圖形被復(fù)制到壓印膠3，壓印膠3的凸部和凹槽分別與壓印模版I的凹槽和凸部相對(duì)應(yīng)，即壓印膠3形成的光柵周期為200nm，深度為lOOnm，占空比為0.5，且壓印膠3的凸部和凹槽的表面均有一層均勻的金屬膜及其保護(hù)膜，如圖2c所示。圖3為先制得光柵后鍍膜得到的上部側(cè)壁被金屬包覆的雙層金屬光柵的剖面示意圖。由于金屬蒸鍍的各向同性的緣故，側(cè)壁也附著金屬。圖4為FDTD模擬的利用本發(fā)明所述方法得到的雙層鋁光柵的TM和TE的透射譜及其消光比。所選取的模擬參數(shù)是:襯底材料為BK7玻璃，折射率為1.5 ;介質(zhì)材料為光刻膠，折射率為1.5 ;金屬材料為鋁，厚度為70nm ;光柵的周期為200nm，深度為lOOnm，占空比為 0.5。圖5為FDTD模擬的圖3所示光柵的TM和TE的透射譜及其消光比。所選取的模擬參數(shù)與圖4中的相同。
權(quán)利要求
1.一種多層金屬光柵的制備方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: 1)制備或選取壓印模板； 2)在襯底上表面旋涂壓一層壓印膠； 3)在壓印膠的表面鍍一金屬層； 4)在金屬層上表面涂一層保護(hù)膜； 5)將壓印模板放置在保護(hù)膜上表面進(jìn)行納米壓??； 6)對(duì)壓印膠進(jìn)行固化處理后，移去壓印模具。
2.如權(quán)利要求1所述的多層金屬光柵的制備方法，其特征在于，在步驟4)和步驟5)之間進(jìn)行步驟4a): 4a)多次反復(fù)步驟2)、3)和4)。
3.如權(quán)利要求1所述的多層金屬光柵的制備方法，其特征在于，所述的納米壓印為熱納米壓印或者紫外曝光壓印。
4.如權(quán)利要求1所述的多層金屬光柵的制備方法，其特征在于，步驟I)所述的壓印模板具有光柵凹槽，光柵是一維周期性或準(zhǔn)周期性、二維周期性或準(zhǔn)周期性的光柵結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求4所述的多層金屬光柵的制備方法，其特征在于，所述光柵凹槽的形狀為矩形或圓形。
6.如權(quán)利要求1所述的多層金屬光柵的制備方法，其特征在于，步驟2)所述的襯底材料為玻璃、石英、PET、硅、藍(lán)寶石或氧化銦錫。
7.如權(quán)利要求1所述的多層金屬光柵的制備方法，其特征在于，步驟2)所述的壓印膠為聚甲基丙烯酸甲酯、二甲基硅氧烷或SU8膠。
8.如權(quán)利要求1所述的多層金屬光柵的制備方法，其特征在于，步驟3)所述的金屬為金、鉬、銀、鋁、銅、鉻、鈦或鎳，厚度為10nm-100nm。
9.如權(quán)利要求1所述的多層金屬光柵的制備方法，其特征在于，步驟3)所述的鍍金屬層采用磁控濺射法或電子束蒸發(fā)鍍膜法。
10.如權(quán)利要求1所述的多層金屬光柵的制備方法，，其特征在于，步驟4)所述的保護(hù)膜為聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯或聚四氟乙烯低表面能材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多層金屬光柵的制備方法，包括步驟制備或選取壓印模板；在襯底上表面旋涂壓一層壓印膠；在壓印膠的表面鍍一金屬層；在金屬層上表面涂一層保護(hù)膜；將壓印模板放置在保護(hù)膜上表面進(jìn)行納米壓印；對(duì)壓印膠進(jìn)行固化處理后，移去壓印模版，得到雙層或多層金屬光柵。本發(fā)明不僅省略了圖形轉(zhuǎn)移的步驟，工藝更簡(jiǎn)單，成本更低廉，而且由上述方法得到的金屬膜不會(huì)包覆于圖形側(cè)壁而影響透射效率，其截面與壓印模具截面形貌嚴(yán)格吻合，與采用傳統(tǒng)方法相比，圖形的保真度和光柵的TM透射率及偏振抑制比都更高。
文檔編號(hào)G02B5/18GK103149615SQ201310081929
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月14日
發(fā)明者葉志成 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)