專利名稱：一種在紫外吸收材料表面制作光柵的方法及其制品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在紫外吸收材料(有機(jī)和無(wú)機(jī))表面制作光柵的方法及其制品。該方法可用于制作集成光學(xué)中的許多光柵器件；特別是用來(lái)制作分布反饋光波導(dǎo)激光器中的Bragg光柵。
盡管光刻中采用的‘兩步法’過(guò)程(先制作模板，后將模板圖樣通過(guò)曝光腐蝕等過(guò)程后轉(zhuǎn)移到樣品上)可以制作集成光學(xué)所需的大部分圖形，但是，模板的復(fù)制精度受到紫外光源波長(zhǎng)衍射分辨率的影響，特別是半導(dǎo)體材料中制作反射光柵很不合適。因此，一次形成的方法更為有效。通常有兩種技術(shù)被廣泛采用，第一種是用電子束光刻將光柵直接刻在鍍有一層電抗蝕膜的基片上，然后通過(guò)顯影并利用濕刻的各向異性將圖形轉(zhuǎn)換到基片上(參見(jiàn)T.Fuj ita，et al，Opt.Lett.，7，1982578)。在第二種方法中，不用模板，而采用相干的紫外激光對(duì)光敏抗蝕劑曝光。由于兩束相干的光波可以產(chǎn)生干涉條紋，所以可以將下涉條紋直接刻在光敏抗蝕劑上，這一方法又稱作全息曝光技術(shù)(參見(jiàn)W.W.Hg et al，IEEE Trans.Electron Devices，ED-25，19781193)。
可以看出，無(wú)論采用哪種方法，都必須完成對(duì)光敏抗蝕劑的曝光和對(duì)樣品的刻蝕處理。由于這一過(guò)程從工藝上講比較復(fù)雜，不能直接在樣品表面獲得有效的光柵條紋，所以很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的光柵制作。
本發(fā)明的目的是提供一種有效的直接在紫外吸收材料表面刻蝕光柵的方法，使光柵制作更為簡(jiǎn)潔，從而有利于工業(yè)化生產(chǎn)。其制品表面更光潔，周期性更好。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下本發(fā)明的在紫外吸收材料表面制作光柵的方法是用準(zhǔn)分子激光脈沖的干涉條紋直接在紫外吸收材料表面制作光柵結(jié)構(gòu)，即用相干的準(zhǔn)分子結(jié)構(gòu)激光脈沖形成的能量條紋轟擊紫外吸收材料表面，直接刻蝕出周期的光柵結(jié)構(gòu)。
準(zhǔn)分子激光脈沖的干涉條紋可以用準(zhǔn)分子激光脈沖透過(guò)位相光柵模板獲得。
準(zhǔn)分子激光透過(guò)光柵模板后由+1級(jí)和-1級(jí)，或-1級(jí)與0級(jí)衍射形成的周期能量分布的干涉條紋。當(dāng)激光束垂直入射到模板上時(shí)，由±1級(jí)衍射光干涉形成的條紋周期為模板的一半(見(jiàn)圖1，Λ’＝Λ/2)；當(dāng)激光束以角度θ＝sin-1(λ/24)入射到模板上時(shí)，由-1級(jí)和0級(jí)衍射光相干形成周期與模板周期相同的條紋(見(jiàn)圖2，Λ’＝Λ)。
準(zhǔn)分子激光脈沖的干涉條紋也可以用兩束相干的準(zhǔn)分子激光脈沖以角度2α形成，干涉條紋周期為Λ＝λ/2sinα(見(jiàn)圖3)。
使用準(zhǔn)分子激光光柵模板可以提供高質(zhì)量的干涉光束，同時(shí)這種方法簡(jiǎn)潔可靠，有利于工業(yè)化制作。但由于模板的周期受到光刻極限的限制，要獲得極小的周期很困難，所以使用高質(zhì)量的雙光束干涉方法可以解決小周期光柵的制作問(wèn)題。圖4給出了一個(gè)典型的獲取雙光束干涉的光學(xué)系統(tǒng)。
位相光柵模板的制作是采用半導(dǎo)體工藝中常用的電子束光刻技術(shù)完成的。模板材料采用高質(zhì)量的石英玻璃，以便對(duì)紫外激光有高的透過(guò)率。模板的周期和深度是根據(jù)要求設(shè)計(jì)的。按照位相光柵衍射理論，激光透過(guò)光柵后衍射級(jí)的能量分布由入射角度和光柵深度決定，當(dāng)激光垂直入射到模板上時(shí)，要使能量主要分布在±1級(jí)衍射光上(0級(jí)光被抵消)，則光柵深度(h)應(yīng)為h＝λ/2(n-1)≈270nm其中λ是紫外激光波長(zhǎng)，n為模板的折射率。這時(shí)±1級(jí)衍射光干涉條紋周期(Λ)為模板周期(Λ)的一半，所以模板的周期Λ＝2Λ’。當(dāng)激光以角度θ＝sin-1(λ/2Λ)入射到模板上時(shí)，由于0級(jí)光不能抵消，所以由0級(jí)和-1級(jí)光干涉形成的條紋周期為Λ’＝Λ。盡管模板的制作比較復(fù)雜而且要實(shí)現(xiàn)小周期(＜500nm)也比較困難，但是由模板形成的激光干涉條紋質(zhì)量高且模板可以反復(fù)使用，光路簡(jiǎn)潔，易于實(shí)現(xiàn)，所以具有重要的實(shí)用價(jià)值。
本發(fā)明的光柵制作方法可以在無(wú)機(jī)紫外吸收晶體材料，如LiTaO3(LT)，ZnO，SrTi等表面上刻蝕光柵，也可以在有機(jī)高分子材料，如聚酰亞胺等表面上刻蝕光柵。
用本發(fā)明的光柵制作方法制作的光柵具有周期性好，表面成波紋形，且深度均勻，刻槽光滑等特點(diǎn)。
用本發(fā)明的光柵制作方法可以制作出耦合效率高的具有高質(zhì)量光柵波紋面的光柵耦合器，光柵濾波器，光柵透鏡(變周期光柵)或集成化光波導(dǎo)激光器中的分布反饋Bragg光柵。
本發(fā)明方法的特點(diǎn)是利用高能量的準(zhǔn)分子激光脈沖有效地直接在紫外吸收材料表面刻蝕光柵。該方法簡(jiǎn)潔可靠，原子力顯微鏡表明，制作的光柵具有波紋形的表面以及良好的周期性和表面光潔度；X射線衍射表明組成光柵的晶體薄層仍維持原來(lái)的單晶結(jié)構(gòu)；光波耦合特性表明，光柵同樣具有較好的光學(xué)性能。
圖1是準(zhǔn)分子激光束垂直入射到模板上制作光柵的示意圖；圖2是準(zhǔn)分子激光束以角度θ＝sin-1(λ/2Λ)入射到模板上制作光柵的示意圖；圖3是兩束相干的激光脈沖以角度2α形成干涉條紋制作光柵的示意圖；圖4是獲得雙光束干涉的典型光路系統(tǒng)示意圖；圖5是用模板刻蝕光柵的裝置示意圖；圖6是LN單晶基片上刻蝕光柵的原子力顯微鏡照片。
以下通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
實(shí)施例1用光柵模板在LN，LT單晶薄片表面刻蝕周期結(jié)構(gòu)使用的刻蝕光學(xué)系統(tǒng)由KrF準(zhǔn)分子激光器I，柱面透鏡1，反射鏡2和位相光柵模板3組成，它們依次如圖5排列在光路上。KrF準(zhǔn)分子激光器I的激光波長(zhǎng)為248nm，脈沖寬度為30ns。矩形(7mm×22mm)激光束經(jīng)柱面透鏡1對(duì)其長(zhǎng)邊壓縮，形成近似方形的光斑(7mm×7mm)，通過(guò)反射鏡2后直接照射到模板3上。模板3與樣品5之間放置一厚為0.5mm的光欄4。該模板3是用電子束刻蝕制成的，光柵周期為2μm，深度為270nm(模板光柵的周期和深度可根據(jù)要求設(shè)計(jì))。當(dāng)248nm的準(zhǔn)分子激光垂直透過(guò)該光柵后由于0級(jí)衍射相互抵消(＜5％)，使主要的能量分布在±1級(jí)衍射光上(＞90％)，因此，由±1級(jí)光干涉形成的條紋質(zhì)量較好，且能量集中，可以用來(lái)對(duì)紫外吸收材料表面進(jìn)行條紋加工。如果0級(jí)光不能抵消，則可讓激光束以一定角度入射到模板上，使0級(jí)和+1(或-1)級(jí)干涉，可以獲得與模板周期一致的干涉條紋。通過(guò)控制激光脈沖的能量和焦距的位置，采用一個(gè)激光脈沖即可將放置在模板下的樣品(LN和LT)表面刻出良好的光柵結(jié)構(gòu)。圖6是LN表面光柵的原子力顯微鏡照片，可以看出，光柵具有良好的周期性和較高的表面光潔度，光柵呈光滑的波紋狀。光柵的X-ray分析結(jié)果表明，光柵的晶體結(jié)構(gòu)仍然為良好的單晶，說(shuō)明LN單晶在激光的照射下，融化形成光柵后再結(jié)晶時(shí)沒(méi)有發(fā)生結(jié)構(gòu)的變化，光柵將保持原有材料的各種物理性質(zhì)。LT光柵的刻蝕結(jié)果與LN相似，在此不另外


了。實(shí)施例2用雙光束干涉在LN，LT單晶薄片表面刻蝕周期結(jié)構(gòu)。
使用的刻蝕光學(xué)系統(tǒng)由KrF準(zhǔn)分子激光器I，柱面透鏡1，半透半反鏡6，全反鏡7、8組成。它們依次如圖4排列在光路上，KrF準(zhǔn)分子激光器I發(fā)射出準(zhǔn)分子激光，經(jīng)柱面透鏡1，對(duì)其長(zhǎng)邊壓縮，形成近似方形的光斑，再經(jīng)過(guò)半透半反鏡6，使其變成兩束光，半透半反鏡是由石英上鍍半透半反膜制成，與準(zhǔn)分子激光入射方向成45°角度放置。兩束準(zhǔn)分子光束由全反鏡7、8調(diào)整角度使其成2α，并形成干涉條紋，照射在樣品5上，在樣品(LN或LT)薄片表面刻蝕出周期結(jié)構(gòu)，形成光柵。制作出的LN和LT光柵與實(shí)施例1的結(jié)果相似。實(shí)施例3ZnO，SiTi單晶薄片和波導(dǎo)表面周期結(jié)構(gòu)的刻蝕采用與實(shí)施例1同樣的系統(tǒng)，將拋光的ZnO，SrTi樣品薄片或波導(dǎo)放置在圖5所示的模板下面，采用單個(gè)激光脈沖刻蝕，在ZnO，SiTi樣品表面同樣制作出了光柵結(jié)構(gòu)。實(shí)施例4LN和LT平面和條形光柵耦合器的制作在本實(shí)施例中，用實(shí)施例1的光學(xué)系統(tǒng)，先將光柵刻蝕到具有光學(xué)表面光潔度的LN或LT單晶表層，然后通過(guò)Ti擴(kuò)散技術(shù)(Ti-diffused，參閱J.L.Jackel，et al.，Appl.Phys.Lett.38，1981509)或質(zhì)子交換技術(shù)(proton exchange technique，參閱J.L.Jackel，et al.，Appl.Phys.Lett.41，1982607)在樣品薄片表面(或沿與光柵條紋垂直的方向)制作出LN或LT平面(或條形)光波導(dǎo)。這樣，高質(zhì)量的平面(或條形)光柵耦合器便制成了。實(shí)施例5LN和LT平面及條形波導(dǎo)中Bragg光柵的制作集成光學(xué)中Bragg光柵的應(yīng)用十分廣泛，它不僅可用作光學(xué)濾波器，模式轉(zhuǎn)換器，還可作為分布反饋激光器的諧振腔反射鏡。因此，Bragg光柵的制作技術(shù)非常重要。J.Sochtig等報(bào)導(dǎo)的摻雜LN平面光波導(dǎo)分布反饋激光器中的Bragg光柵是采用半導(dǎo)體中光刻技術(shù)完成的。其制作過(guò)程復(fù)雜，成本高(見(jiàn)J.Sochtig，et al.，Elect ron.Lett.，31，1995551)。采用本發(fā)明可以簡(jiǎn)化制作過(guò)程，提高制作效率，而且光柵具有較高的質(zhì)量和表面光潔度。具體制作過(guò)程是先制作出摻雜的LN條形光波導(dǎo)，然后采用實(shí)施例1的光學(xué)系統(tǒng)，用單個(gè)激光脈沖在波導(dǎo)的特定位置制作出Bragg光柵。模板的周期是根據(jù)Bragg反射波長(zhǎng)的要求而設(shè)計(jì)的。當(dāng)然，也可采用雙光束干涉的方法進(jìn)行光柵制作。實(shí)施例6變周期光柵的制作由于變周期光柵可以將光束會(huì)聚，因此可以用作集成光學(xué)中的光柵透鏡。應(yīng)用本發(fā)明同樣可以制作變周期光柵，方法是先根據(jù)要求制作出變周期模板，然后采用實(shí)施例1的光學(xué)系統(tǒng)將模板圖樣復(fù)到基片上。實(shí)施例7聚酰亞胺等有機(jī)薄膜材料表面的光柵制作用本發(fā)明同樣可以在一些紫外吸收的有機(jī)材料表面刻蝕出有效的光柵結(jié)構(gòu)，本實(shí)施例便是采用與實(shí)施例1同樣的光學(xué)系統(tǒng)，在聚合物聚酰亞胺薄膜表面用單個(gè)準(zhǔn)分子激光脈沖刻蝕出了光柵結(jié)構(gòu)。光柵在光學(xué)顯微鏡和原子力顯微鏡下同樣具有良好的周期性和均勻性。目前，許多具有強(qiáng)光學(xué)非線性現(xiàn)象的有機(jī)材料被用來(lái)作為集成光學(xué)中實(shí)現(xiàn)光學(xué)非線性效應(yīng)的材料，用本發(fā)明對(duì)其進(jìn)行有效的加工(如制作聚合物光柵等)使得它們具有更大的應(yīng)用價(jià)值。實(shí)施例8紫外吸收的半導(dǎo)體材料表面光柵的刻蝕許多半導(dǎo)體材料具有紫外吸收特性(如非晶硅，單晶和多晶硅等)，所以同樣可以利用本發(fā)明在半導(dǎo)體表面進(jìn)行光柵的制作。采用與實(shí)施例1同樣的光學(xué)系統(tǒng)，將表面拋光的非晶硅等材料放在圖5的樣品位置，用單個(gè)準(zhǔn)分子激光脈沖進(jìn)行刻蝕，制作出紫外吸收的半導(dǎo)體材料光柵結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種在紫外吸收材料表面制作光柵的方法，其特征是用準(zhǔn)分子激光脈沖的干涉條紋直接作用于紫外吸收材料表面，制作出光柵結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作光柵的方法，其特征是準(zhǔn)分子激光脈沖的干涉條紋用準(zhǔn)分子激光脈沖透過(guò)位相光柵模板獲得。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作光柵的方法，其特征是準(zhǔn)分子激光脈沖的干涉條紋用兩束相干的準(zhǔn)分子激光脈沖獲得。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作光柵的方法，其特征是紫外吸收材料是無(wú)機(jī)紫外吸收晶體材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作光柵的方法，其特征是紫外吸收材料是有機(jī)高分子材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作光柵方法制作的制品，其特征是刻蝕表面成波紋形的、刻蝕深度均勻、刻槽光滑的光柵濾波器、光柵耦合器、光柵透鏡或分布反饋Bragg光柵。
全文摘要
一種在紫外吸收材料表面制作光柵的方法，它是用準(zhǔn)分子激光脈沖的干涉條紋直接作用于紫外吸收材料表面，使表面刻蝕出周期結(jié)構(gòu)，制作出光柵。本方法制作的光柵，原子力顯微鏡表明，有波紋形的表面，有良好的周期性，刻蝕深度均勻，刻槽光滑，用本方法便于工業(yè)化制作光柵濾波器、光柵耦合器、光柵透鏡或分布反饋Bragg光柵。
文檔編號(hào)G02B5/18GK1168981SQ96116970
公開(kāi)日1997年12月31日 申請(qǐng)日期1996年6月19日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月19日
發(fā)明者駱桂蓬, 祝世寧, 劉治國(guó), 朱永元, 葛傳珍, 陸亞林, 閔乃本 申請(qǐng)人:南京大學(xué)