一種基于金屬納米光柵的微偏振片陣列的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于金屬納米光柵的微偏振片陣列的制作方法。所述方法包括以下步驟：（1）在基底上鍍一層金屬薄膜層并干燥處理；（2）在所述金屬薄膜層上旋涂電子束正性光刻膠層并干燥處理；（3）在所述光刻膠層上通過電子束直寫曝光并顯影得到光刻膠納米尺度微偏振片陣列圖形；（4）采用電感耦合等離子體刻蝕，以帶有所述圖形的光刻膠層為掩膜，刻蝕所述金屬薄膜層，以將所述圖形轉(zhuǎn)移到金屬薄膜層；（5）去除所述光刻膠層，得到所述微偏振片陣列。本發(fā)明的方法簡單易行，通過單次曝光顯影即可形成多個(gè)不同偏振方向的微偏振片陣列；所述方法制作的微偏振片陣列的偏振性能高。
【專利說明】一種基于金屬納米光柵的微偏振片陣列的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及衍射光學(xué)元件制作【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于金屬納米光柵的微偏振片陣列的制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微偏振片陣列是一種用于測量光線透過不同方向的偏振片后各個(gè)偏振方向的光強(qiáng)的器件，使用圖像傳感器(例如數(shù)碼相機(jī))采集包含由該微偏振片陣列獲得的各偏振分量的圖像，并可以進(jìn)行實(shí)時(shí)相移分析。微偏振片陣列在干涉光的實(shí)時(shí)相移、微弱可見光圖像增強(qiáng)、紅外目標(biāo)識別等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用潛力。
[0003]在中國發(fā)明專利申請CN103048268A中，張青川等人提出了一種基于微偏振片陣列的數(shù)字電子剪切散斑干涉儀，包括激光器、位于激光器出射光束光路上的擴(kuò)束鏡和被測物體；還包括位于從被測物體表面反射的光束的光路上且用于得到偏振方向相互垂直的兩束相干線偏振光的剪切器、設(shè)置從剪切器出射的光束的光路上的微偏振片陣列、與微偏振片陣列相連的感光元件和與感光元件相連的用于對感光元件采集的信號進(jìn)行傳輸和處理的處理設(shè)備。所述數(shù)字電子剪切散斑干涉儀可實(shí)現(xiàn)一次曝光即可得到四幅相移圖像，同時(shí)詳細(xì)闡述了微偏振片陣列的工作原理，但該專利申請并未涉及微偏振片陣列的制作這一技術(shù)難題。
[0004]在中國發(fā)明專利CN101846760B中，張微等人提出一種使用掃描隧道顯微鏡(STM)制作納米光柵的方法，包括在光學(xué)玻璃表面上鍍一層導(dǎo)電薄膜，構(gòu)成光柵基體，薄膜厚度范圍為30nm?90nm ;將光柵基體固定在納米進(jìn)給工作臺上，用掃描隧道顯微測量裝置在受控狀態(tài)下帶動探針沿Y軸方向運(yùn)動，掃描隧道顯微測量裝置的脈沖電壓發(fā)生器產(chǎn)生脈沖電壓，經(jīng)執(zhí)行器施加在探針上，對光柵基體進(jìn)行刻線加工；當(dāng)一條柵線的刻線加工完成后，光柵基體向X軸方向移動量為IOnm?80nm，重復(fù)前述刻線加工過程，在光學(xué)玻璃表面上制得納米光柵。所述方法適合于制作單一方向的光柵，且效率偏低。
[0005]2011 年 Viktor Gruev 等人(Optics Express, 19, P24361, 2011)提出使用激光干涉多次曝光方法制作金屬納米光柵微偏振片陣列，需要多次套刻，工藝復(fù)雜，且制作的偏振片陣列形貌差，偏振性能差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種基于金屬納米光柵的微偏振片陣列的制作方法，所述方法簡單易行，通過單次曝光顯影即可形成多個(gè)不同偏振方向的微偏振片陣列；所述方法制作的微偏振片陣列的偏振性能高。
[0007]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0008]一種基于金屬納米光柵的微偏振片陣列的制作方法，包括以下步驟:
[0009](I)在基底上鍍一層金屬薄膜層并干燥處理；
[0010](2)在所述金屬薄膜層上旋涂電子束正性光刻膠層并干燥處理；[0011](3)在所述光刻膠層上通過電子束直寫曝光并顯影得到光刻膠納米尺度微偏振片陣列圖形；
[0012](4)采用電感耦合等離子體刻蝕，以帶有所述圖形的光刻膠層為掩膜，刻蝕所述金屬薄膜層，以將所述圖形轉(zhuǎn)移到金屬薄膜層；
[0013](5)去除所述光刻膠層，得到所述微偏振片陣列。
[0014]本發(fā)明中，所述步驟(I)中可以通過濺射工藝或電子束蒸發(fā)工藝在基底上鍍一層金屬薄膜層。濺射工藝和電子束蒸發(fā)工藝是本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的技術(shù)。本發(fā)明所用的基底需要潔凈無污染，一般可以通過清洗去除基底表面的雜質(zhì)等附著物，清洗基底的工藝方法是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，比如可以使用去離子水和/或乙醇等清洗，在此不作詳述。
[0015]本發(fā)明中，所述金屬薄膜層的厚度可以根據(jù)消光要求確定，一般在100nm-150nm范圍內(nèi)即可，比如 102nm、105nm、108nm、115nm、130nm、140nm、145nm、148nm 或 149nm。
[0016]本發(fā)明中，所述步驟(I)中的干燥處理有多種方法均能適用，比如最簡單的處理方法是自然干燥，但是為取得更好的干燥效果本發(fā)明采用熱板或烘箱烘烤。
[0017]優(yōu)選地，所述烘烤溫度為120-220°C，例如 122 °C、125 °C、130°C、150°C、180°C、185°C、195°C、208°C、212°C或215°C ;所述烘烤時(shí)間為2_60分鐘，例如3分鐘、5分鐘、8分鐘、10分鐘、20分鐘、30分鐘、40分鐘、50分鐘、55分鐘或59分鐘。
[0018]本發(fā)明中，所述光刻膠層的厚度視微偏振片陣列圖形周期(如70nm L/S線條)穩(wěn)定性和金屬薄膜層的厚度而定，一般在150_250nm范圍內(nèi)即可，比如152nm、155nm、158nm、167nm、180nm、204nm、215nm、228nm、237nm、246nm 或 248nm。
[0019]本發(fā)明中，所述步驟(2 )中的干燥處理有多種方法均能適用，比如最簡單的處理方法是自然干燥，但是為取得更好的干燥效果本發(fā)明采用熱板或烘箱烘烤。
[0020]優(yōu)選地，所述烘烤溫度為120-220°C，例如 122 °C、125 °C、130°C、150°C、180°C、185°C、195°C、208°C、212°C或215°C ;所述烘烤時(shí)間為2_60分鐘，例如3分鐘、5分鐘、8分鐘、10分鐘、20分鐘、30分鐘、40分鐘、50分鐘、55分鐘或59分鐘。
[0021]本發(fā)明中，所述步驟(3)得到的圖形可以是多個(gè)偏振方向的圖形，優(yōu)選為0°、45°、90°和135°四個(gè)偏振方向的圖形。
[0022]本發(fā)明中，所述步驟(4)中可以采用氯基氣體進(jìn)行刻蝕。所述氯基氣體是指含有氯元素的氣體，比如Cl2或BCl3等，此外還可以含有He、Ar和N2等惰性氣體和/或O2等。
[0023]在采用氯基氣體進(jìn)行刻蝕的情況下，優(yōu)選在刻蝕后用去離子水清洗殘留的氯基氣體，以防止氯基氣體對金屬薄膜層的進(jìn)一步腐蝕。
[0024]本發(fā)明中，所述步驟(5)中可以采用丁酮伴隨超聲處理或用O2等離子體去除所述光刻膠層。
[0025]本發(fā)明中，多種基底均能采用，因此對基底不作特別限定，作為優(yōu)選所述基底選自透明材料玻璃、二氧化硅或聚對苯二甲酸乙二醇酯；多種金屬均能采用，因此對金屬不作特別限定，作為優(yōu)選所述金屬選自鋁、金或鉻；多種光刻膠均能采用，因此對光刻膠不作特別限定，作為優(yōu)選所述光刻膠選自ZEP520A (日本丸紅公司)和/或SX AR-P6200 (德國Allresist 公司)。
[0026]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明微偏振片陣列的制作方法，采用將光刻膠上的圖形轉(zhuǎn)移到金屬薄膜的方式實(shí)現(xiàn)，方法簡單易行；通過電子束直寫曝光并顯影能夠一次性形成多個(gè)不同偏振方向的微偏振片陣列，刻蝕后得到的微偏振片陣列均勻一致、邊緣光滑，保證優(yōu)異的偏振效果和更高的消光比；所述方法制作的微偏振片陣列的偏振性能高，實(shí)驗(yàn)得到消光比達(dá)到454，比現(xiàn)有技術(shù)提高了近4倍。此外，本發(fā)明所用的光刻膠具有很高的分辨率，圖形轉(zhuǎn)移后形成的金屬線條的直壁性好。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明基于金屬納米光柵的微偏振片陣列的示意圖，圖中顯示0°、45°、90°和135°四個(gè)偏振方向的光柵。
[0028]圖2是本發(fā)明提供的采用單次電子束曝光制備基于金屬納米光柵的微偏振片陣列的工藝流程圖。
[0029]圖3是本發(fā)明實(shí)施例1所獲得的基于金屬納米光柵的微偏振片陣列的掃描電子顯微鏡照片，其中(b)為(a)的局部放大圖，(c)為(b)的局部放大圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面將結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明的實(shí)施方案進(jìn)行詳細(xì)描述。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，以下實(shí)施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，以便于更好地理解本發(fā)明，因而不應(yīng)視為限定本發(fā)明的范圍。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換或改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0031]下述實(shí)施例中的實(shí)驗(yàn)方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法；所用的實(shí)驗(yàn)材料，如無特殊說明，均為自常規(guī)生化試劑廠商購買得到的。
[0032]本發(fā)明提供的制作基于金屬納米光柵的微偏振片陣列的方法，只需單次電子束曝光，即可得到0°、45°、90°和135°四個(gè)偏振方向的圖形，通過電感耦合等離子體刻蝕(Inductively Coupled Plasma, ICP)金屬薄膜層后,獲得基于金屬納米光柵的微偏振片陣列，其示意圖如圖1所示。
[0033]實(shí)施例1
[0034]按照圖2所示的工藝流程，本實(shí)施例提供的采用單次電子束曝光制備基于金屬納米光柵的微偏振片陣列的方法，包括以下步驟:
[0035]步驟1:在玻璃基底上沉積金屬鋁(Al)薄膜層。
[0036]本步驟中，采用磁控濺射技術(shù)，在清洗的玻璃基底上沉積IOOnm厚金屬Al薄膜層。根據(jù)消光要求，Al薄膜層的厚度可以是在100-150nm之間的任意數(shù)值。
[0037]步驟2:在帶金屬Al薄膜層的玻璃基底上旋涂電子束光刻膠，曝光顯影后形成微偏振片陣列的電子束光刻膠圖形，具體過程如下:
[0038]a、將帶金屬Al薄膜層的玻璃基底放置在熱板上180°C烘烤5_10分鐘，去除表面的水分，旋涂ZEP520A (日本丸紅公司)電子束正性光刻膠，并放置在熱板上180°C烘烤2分鐘。
[0039]本步驟中，考慮微偏振片陣列圖形周期(如70nm L/S線條)穩(wěn)定性和Al薄膜層的厚度，ZEP520A膠厚需在150-250nm之間?？紤]到很難將ZEP520A原膠膠厚旋涂到200nm以下，本實(shí)施例使用溶劑苯甲醚，按ZEP520A原膠與苯甲醚體積比0.7:1稀釋ZEP520A原膠。
[0040]b、米用一次電子束曝光,寫出0° >45° >90°和135°四個(gè)偏振方向的圖形,顯影得到ZEP520A膠納米尺度微偏振片陣列圖形。
[0041]本步驟中，使用與電子束膠ZEP520A對應(yīng)的顯影液，對曝光的ZEP520A膠進(jìn)行顯影，本實(shí)施例中使用的顯影液為對二甲苯。
[0042]步驟3:刻蝕金屬薄膜層，把光刻膠圖形轉(zhuǎn)移到金屬薄膜層。
[0043]本步驟中，采用ICP刻蝕技術(shù)，在0.3pa壓力、(TC溫度下，刻蝕上功率250w，下功率50w，刻蝕氣體為20sccm Cl2、20sccm BCl3和3sccm N2，刻蝕Al薄膜層，將ZEP520A膠圖形轉(zhuǎn)移到Al薄膜層。其中，sccm是體積流量單位，即標(biāo)況毫升每分(standard-state cubiccentimeter per minute)。
[0044]步驟4:去除電子束光刻膠，形成基于金屬納米光柵的微偏振片陣列。
[0045]完成對Al薄膜層的刻蝕后，需要去除剩余的ZEP520A膠，本實(shí)施例使用去膠劑丁酮，并伴隨超聲處理去除剩余的ZEP520A膠。
[0046]實(shí)施例2
[0047]按照圖2所示的工藝流程，本實(shí)施例提供的采用單次電子束曝光制備基于金屬納米光柵的微偏振片陣列的方法，包括以下步驟:
[0048]步驟1:在玻璃基底上沉積金屬鉻(Cr)薄膜層。
[0049]本步驟中，采用電子束蒸發(fā)技術(shù)，在清洗的玻璃基底上沉積120nm厚金屬Cr薄膜層。根據(jù)消光要求，Cr薄膜層的厚度可以在100-150nm之間的任意數(shù)值。
[0050]步驟2:在帶金屬Cr薄膜層的玻璃基底上旋涂電子束光刻膠，曝光顯影后形成微偏振片陣列的電子束光刻膠圖形，具體過程如下:
[0051]a、將帶金屬Cr薄膜層的玻璃基底放置在熱板上150°C烘烤5_10分鐘，去除表面的水分，旋涂ZEP520A (日本丸紅公司)電子束正性光刻膠，并放置在熱板上220°C烘烤10分鐘。
[0052]本步驟中，考慮微偏振片陣列圖形周期(如70nm L/S線條)穩(wěn)定性和Cr薄膜層的厚度，ZEP520A膠厚需在150-250nm之間?？紤]到很難將ZEP520A原膠膠厚旋涂到200nm以下，本實(shí)施例使用溶劑苯甲醚，按ZEP520A原膠與苯甲醚體積比0.7:1稀釋ZEP520A原膠。
[0053]b、米用一次電子束曝光,寫出0° >45° >90°和135°四個(gè)偏振方向的圖形,顯影得到ZEP520A膠納米尺度微偏振片陣列圖形。
[0054]本步驟中，使用與電子束膠ZEP520A對應(yīng)的顯影液，對曝光的ZEP膠進(jìn)行顯影，本實(shí)施例中使用的顯影液為對乙酸戊酯。
[0055]步驟3:刻蝕金屬薄膜層，把光刻膠圖形轉(zhuǎn)移到金屬薄膜層。
[0056]本步驟中，采用ICP刻蝕技術(shù)，在0.4pa壓力、(TC溫度下，刻蝕上功率300w，下功率300w，刻蝕氣體為50sccm Ar、5sccm Cl2，刻蝕Cr薄膜層，將ZEP520A膠圖形轉(zhuǎn)移到Cr薄膜層。
[0057]步驟4:去除電子束光刻膠，形成基于金屬納米光柵的微偏振片陣列。
[0058]完成對Cr薄膜層的刻蝕后，需要去除剩余的ZEP520A膠，本實(shí)施例使用去膠劑丁酮，并伴隨超聲處理去除剩余的ZEP520A膠。
[0059]實(shí)施例3
[0060]按照圖2所示的工藝流程，本實(shí)施例提供的采用單次電子束曝光制備基于金屬納米光柵的微偏振片陣列的方法，包括以下步驟:[0061]步驟1:在玻璃基底上沉積金屬(Al)薄膜層。
[0062]本步驟中，采用電子束蒸發(fā)技術(shù)，在清洗的玻璃基底上沉積IOOnm厚金屬Al薄膜層。根據(jù)消光要求，Al薄膜層的厚度可以是在100-150nm之間的任意數(shù)值。
[0063]步驟2:在帶金屬Al薄膜層的玻璃基底上旋涂電子束光刻膠，曝光顯影后形成微偏振片陣列的電子束光刻膠圖形，具體過程如下:
[0064]a、將帶金屬Al薄膜層的玻璃基底放置在烘箱內(nèi)170°C烘烤40分鐘，去除表面的水分，旋涂SX AR-P6200 (德國Allresist公司)電子束正性光刻膠，并放置在烘箱內(nèi)170°C烘烤50分鐘。
[0065]本步驟中，考慮微偏振片陣列圖形周期(如70nm L/S線條)穩(wěn)定性和Al薄膜層的厚度，SX AR-P6200膠厚需在150-250nm之間。
[0066]b、米用一次電子束曝光,寫出0° >45° >90°和135°四個(gè)偏振方向的圖形,顯影得到SX AR-P6200膠納米尺度微偏振片陣列圖形。
[0067]本步驟中，使用與電子束膠SX AR-P6200對應(yīng)的顯影液，對曝光的ZEP520A膠進(jìn)行顯影，本實(shí)施例中使用的顯影液為對二甲苯。
[0068]步驟3:刻蝕金屬薄膜層，把光刻膠圖形轉(zhuǎn)移到金屬薄膜層。
[0069]本步驟中，采用ICP刻蝕技術(shù)，在0.3pa壓力、(TC溫度下，刻蝕上功率250w，下功率50w，刻蝕氣體為 20sccm Cl2、20sccm BCl3 和 3sccm N2，刻蝕 Al 薄膜層，將 SX AR-P6200 膠圖形轉(zhuǎn)移到Al薄膜層。
[0070]步驟4:去除電子束光刻膠，形成基于金屬納米光柵的微偏振片陣列。
[0071]完成對Al薄膜層的刻蝕后，需要去除剩余的SX AR-P6200膠，本實(shí)施例使用去膠劑丁酮，并伴隨超聲處理去除剩余的SX AR-P6200膠。
[0072]本發(fā)明實(shí)施例1-3制作的基于金屬納米光柵的微偏振片陣列經(jīng)實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。其中圖3為采用本發(fā)明實(shí)施例1的技術(shù)方案所獲得的基于金屬納米光柵的微偏振片陣列的掃描電子顯微鏡照片，其中(b)為(a)的局部放大圖，(C)為(b)的局部放大圖，可以看出，0°、45°、90°和135°四個(gè)偏振方向金屬Al納米光柵線寬均勻一致，邊緣光滑，線寬和間隔均約為70nm，取得了良好的效果。經(jīng)測試，本發(fā)明實(shí)施例1的技術(shù)方案所獲得的基于金屬納米光柵的微偏振片陣列的消光比為454，比文獻(xiàn)(Optics Express，19，P24361，2011)報(bào)道的消光比95提高了近4倍。
[0073]本發(fā)明實(shí)施例2和3制作的基于金屬納米光柵的微偏振片陣列的掃描電子顯微鏡照片類似于圖3，它們的消光比均與實(shí)施例1接近。
[0074] 申請人:聲明，本發(fā)明通過上述實(shí)施例來說明本發(fā)明的詳細(xì)特征以及詳細(xì)方法，但本發(fā)明并不局限于上述詳細(xì)特征以及詳細(xì)方法，即不意味著本發(fā)明必須依賴上述詳細(xì)特征以及詳細(xì)方法才能實(shí)施。所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員應(yīng)該明了，對本發(fā)明的任何改進(jìn)，對本發(fā)明選用組分的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍和公開范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于金屬納米光柵的微偏振片陣列的制作方法，包括以下步驟: (1)在基底上鍍一層金屬薄膜層并干燥處理； (2)在所述金屬薄膜層上旋涂電子束正性光刻膠層并干燥處理； (3)在所述光刻膠層上通過電子束直寫曝光并顯影得到光刻膠納米尺度微偏振片陣列圖形； (4)采用電感耦合等離子體刻蝕，以帶有所述圖形的光刻膠層為掩膜，刻蝕所述金屬薄膜層，以將所述圖形轉(zhuǎn)移到金屬薄膜層； (5 )去除所述光刻膠層，得到所述微偏振片陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步驟(I)中通過濺射工藝或電子束蒸發(fā)工藝在基底上鍍一層金屬薄膜層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制作方法，其特征在于，所述金屬薄膜層的厚度為100nm_150nmo
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的制作方法，其特征在于，所述步驟(I)中的干燥處理為采用熱板或烘箱烘烤； 優(yōu)選地，所述烘烤溫度為120-220°C，所述烘烤時(shí)間為2-60分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的制作方法，其特征在于，所述光刻膠層的厚度為150_250nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的制作方法，其特征在于，所述步驟(2)中的干燥處理為采用熱板或烘箱烘烤； 優(yōu)選地，所述烘烤溫度為120-220°C，所述烘烤時(shí)間為2-60分鐘。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的制作方法，其特征在于，所述步驟(3)得到的圖形為多個(gè)偏振方向的圖形，優(yōu)選為0°、45°、90°和135°四個(gè)偏振方向的圖形。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的制作方法，其特征在于，所述步驟(4)中采用氯基氣體進(jìn)行刻蝕； 優(yōu)選地，所述刻蝕后用去離子水清洗殘留的氯基氣體。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的制作方法，其特征在于，所述步驟(5)中采用丁酮伴隨超聲處理或用O2等離子體去除所述光刻膠層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的制作方法，其特征在于，所述基底選自透明材料玻璃、二氧化硅或聚對苯二甲酸乙二醇酯； 優(yōu)選地，所述金屬選自鋁、金或鉻； 優(yōu)選地，所述光刻膠選自ZEP520A和/或SX AR-P6200。
【文檔編號】G02B5/30GK103760681SQ201410028203
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月21日
【發(fā)明者】董鳳良, 徐麗華, 苗霈, 宋志偉, 閆蘭琴, 褚衛(wèi)國 申請人:國家納米科學(xué)中心