用于产生衍射光栅的方法

用于产生衍射光栅的方法
【专利摘要】公开了一种制造光栅的方法，所述光栅用于对射入所述光栅的光进行角色散。所述光栅包括渐窄结构以及腔。变化腔宽度和/或波纹幅度，以实现计算的期望的光栅效率。公开了用于方便地创建具有可变腔宽度和/或波纹幅度的光栅的方法。所述方法包括将槽图案各向异性地蚀刻到主光栅中的步骤。可选地，产生与所述主光栅互补的副本。通过变化抗蚀剂图案，可以变化所述光栅的腔宽度，从而允许向着不同效率目标进行优化。
【专利说明】用于产生衍射光栅的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及衍射光学领域，尤其涉及高效衍射光栅的设计、生产和使用。
【背景技术】
[0002]术语“光栅”指表面上的周期性或半周期性线阵列。衍射光栅的操作原理是:被光栅线反射或透射的、行经不同光路的光的相位在特定方向上相长干涉，而在其它方向上相消干涉。具有相长干涉的角方向形成所谓衍射级，并已知依赖于光的波长以及光栅的栅距。在这些衍射级之间的角方向上几乎没有光，因为所述方向上的贡献相消干涉。这样的光栅在光学领域中具有各种用途。
[0003]衍射光栅用在例如光谱仪中，以提供光的角色散。衍射光栅的重要参数是其效率(Efficiency),即入射光中被向着目的角衍射的、处于特定波长带宽中的比例，在目的角度上放置例如探测器或进一步的导光器件。总的来说，衍射光栅对于入射光栅的电磁波的横向电场(TE)分量(即其中电场沿光栅线的方向振荡的光)具有最高的操作效率。
[0004]传统上，更高的光栅效率是通过改善光栅的品质来实现的，即通过最小化槽表面的粗糙度、优化槽的形状(例如闪耀角)来最小化杂散光，以最大化特定衍射级上的衍射光。例如，可使用全息方法产生具有非常均匀的线密度的光栅，因此得到有效的衍射行为。典型地，线密度越不均匀，衍射级的角展度越宽，从而光栅的分辨力越低。
[0005]替换地，可利用刻划(ruling)方法产生锯齿光栅。典型地，与全息地产生的光栅相比，刻划光栅的线密度更不均匀。刻划光栅典型地存在由同一光栅上存在的若干线密度生成的“罗兰鬼线”。刻划光栅的优点是比正弦光栅有更大的设计自由度。通过调整刻划尖头相对于样品的角度，可以在锯齿图案中实现特定闪耀角，从而可以相对于全息地产生的光栅得到改善的效率。不利的是，刻划光栅受限于刻划尖头的尺寸和形状以及所述刻划仪器的精度。可从例如 Newport 所著“Diffraction Grating Handbook, sixth Edition” 中找到有关全息光栅以及刻划光栅的进一步的信息。
[0006]Fabini等人(U.S.6, 449, 096)公开了作为偏振、波长、闪耀角、槽/mm、入射角、三角形槽高度以及后角(back angle)的函数的三角形光栅效率的计算。衍射光栅经典地使用刻划机通过在基板中用金刚石笔打磨槽来制造，或全息地使用二激光束相交处生成的干涉条纹来制造，或通过光刻蚀刻(photolithographical etching)的结合来制造。
[0007]Chou等人(U.S.2008/0230947)公开了产生光滑纳米尺度表面图案的方法。该方法是这样实现的:提供具有抗蚀剂(etching resist)材料的纳米尺度图案的模基板晶体材料，并用湿蚀刻剂各向异性地蚀刻所述掩膜的模，所述湿蚀刻剂在〈111〉晶面中的蚀刻速率低于〈100〉面的。通过提供具有可模压表面的工件并压合模以及工件而产生模的副本。一个实施例中，通过在两个相继的沉积步骤中通过抗蚀剂三角形双侧影子蒸发(shadowevaporation)涂覆掩膜材料的方法来改善线均勻度。Chou发现,光栅侧壁的光滑度改善了光栅效率。然而，尤其对于如本公开中例示的感兴趣的光栅操作体制，所述改善实质上无助于整体效率的改善。[0008]仍然需要用于制造具有受控效率的衍射光栅的方法。

【发明内容】

[0009]第一方面中提供一种制造主光栅的方法，所述主光栅用于衍射以特定入射角射入所述主光栅或所述主光栅的复制光栅的特定波长的光。所述主光栅包括沿所述主光栅的平面平行伸展的槽阵列，所述槽被光栅周期间隔开；所述槽包括具有平坦界面的三角形剖面轮廓，其中所述界面中的一个界面形成相对于所述平面的闪耀角。
[0010]所述方法包括:提供晶圆，所述晶圆包括大体上为单晶的材料，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夹角彼此相交；沿晶圆表面切割所述晶圆，所述晶圆表面相对于所述第一晶面的切割角度等于所述闪耀角；以平行条带图案样式将抗蚀剂材料施加于所述晶圆表面的各部分，所述条带的中心被所述光栅周期间隔开，其中所述晶圆表面的暴露部分是形成在所述条带之间；向所述晶圆表面施加各向异性蚀刻工艺，所述各向异性蚀刻工艺在所述第三晶面的法线方向上比在所述第一晶面和第二晶面的法线方向上蚀刻得更快，以在所述暴露部分处形成所述槽，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]所述方法进一步包括:对于给定的所述光栅周期以及闪耀角，将所述槽相对于所述晶圆表面的波纹幅度作为所述光的期望衍射效率的函数来进行计算；以及在施加所述抗蚀剂材料时，对所述条带的线宽度进行控制，使得所述槽形成有所述平坦界面，其中，所述平坦界面自相邻条带的暴露边缘延伸入所述晶圆表面，并在等于所计算的波纹幅度的深度处以所述夹角彼此相交。
[0012]根据所述第一方面所述的方法:对于具体的光栅结构，根据希望的衍射效率计算波纹幅度；并通过控制各向异性蚀刻工艺来制造具有所述希望的波纹幅度的所述具体的光栅。通过控制抗蚀剂材料的条带的线宽度而通过所述各向异性蚀刻工艺控制所述波纹幅度。可以将光栅的衍射效率作为所述光栅剖面轮廓的波纹幅度的函数进行控制。相应地，提供易于制造的具有受控效率的衍射光栅。
[0013]所述各向异性蚀刻工艺影响所述晶圆的暴露部分，即所述各向异性蚀刻工艺发生在抗蚀剂材料的相邻条带的暴露边缘之间。由于所述各向异性蚀刻工艺的性质，沿所述晶圆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确定蚀刻出的槽的深度，即所述波纹幅度。考虑晶面的方向，从而可以控制所述条带的线宽度，使得由所述各向异性蚀刻工艺自动形成具有等于计算的波纹幅度的深度的槽。
[0014]进一步优点可在于提供易于制造的具有可调光栅周期、闪耀角、槽形状以及波纹幅度的光栅。更具体地，可以通过改变抗蚀剂图案的周期来调节所述光栅周期，可以通过改变所述表面相对于晶轴的取向来调节所述闪耀角，可以通过变化晶体材料和/或其晶体取向以及通过调整抗蚀剂线宽度来调节所述槽的形状，且可以通过以上详细所述调整所述抗蚀剂线宽度来调节所述波纹幅度。凭借所述制造方法，所述光栅还可以有有益的杂散光特征。
[0015]第二方面中提供光栅，所述光栅设置用于衍射以特定入射角射入所述光栅的特定波长的光，所述光栅包括沿所述光栅的平面平行伸展的槽或脊部阵列，所述槽或脊部被光栅周期间隔开；所述槽或脊部包括具有平坦界面的三角形剖面轮廓，其中所述界面中的一个界面形成相对于所述平面的闪耀角，其中所述槽或脊部的所述平坦界面包括顶角，其中所述平坦界面以对应于大体上为单晶的材料的晶面的夹角的在65至75度之间的平面角彼此相交；所述槽或脊部被平行于所述平面伸展的平坦界面分隔开；并且对于给定的光栅周期以及闪耀角，所述槽或脊部具有根据所述光的所述希望的衍射效率的、相对于所述平面的波纹幅度。
[0016]可以使用根据第一方面所述的方法来制造这样的光栅，其中可以通过例如对于给定光栅周期以及闪耀角控制所述波纹幅度来控制所述衍射光栅的效率。根据以下【具体实施方式】将明了本系统及方法的其它优点及适用领域。应理解，所述【具体实施方式】以及具体示例代表具体实施例，仅用于说明，并不欲限制本发明的范围。
【专利附图】

【附图说明】
[0017]通过以下【具体实施方式】、所附权利要求以及附图将更好理解本发明设备、系统以及方法的所述以及其它特征、方面、以及优点。
[0018]图1示出了基于空间的光谱仪中高效光栅的应用。
[0019]图2示出了锯齿衍射光栅。
[0020]图3示出了包括探测器的光谱仪的设置。
[0021]图4示出了包括光栅的激光器的设置。
[0022]图5示出了具有入射光的光栅的详细侧视图。
[0023]图6示出了矩形光栅上方的电磁场分布。
[0024]图7示出了作为光栅波纹幅度的函数的矩形光栅的光栅效率。
[0025]图8示出了渐窄(V形)结构光栅上方的能量密度分布。
[0026]图9示出了作为槽底部(腔)宽度的函数的效率曲线。
[0027]图10示出了常规光栅与对于非零衍射级和零衍射级具有最优化的槽底部宽度的光栅之间的比较。
[0028]图11示出了不同波长槽底部宽度的优化曲线。
[0029]图12示出了用于创建具有可调槽底部宽度以及闪耀角的光栅的方法。
[0030]图13示出了图12的方法的示意图。
[0031]图14示出了主模的电子显微镜图像。
[0032]图15示出了复制光栅的电子显微镜图像。
[0033]图16示出了用于优化作为腔的底面宽度的函数的光栅效率的实验方法。
[0034]图17示出了作为光栅幅度和光频率的函数的光栅效率曲线。
[0035]图18示出了第一示例的光栅效率曲线。
[0036]图19示出了第二示例的光栅效率曲线。
[0037]图20示出了第三示例的光栅效率曲线。
[0038]图21示出了第四示例的光栅效率曲线。
[0039]图22示出了衍射光栅的实施例。
[0040]图23示出了用于制造光栅的方法的实施例。
[0041]图24示出了用于制造主光栅的方法的具体实施例。【具体实施方式】
[0042]以下【具体实施方式】仅用于例示，并不意在限制本公开、其应用或用法。以下对本系统、装置以及方法的实施例的详细说明中参考了附图，附图形成本文一部分，附图中示意显示了可实行所述装置以及方法的具体实施例。对这些实施例的描述足够详细，使本领域技术人员能实行本文公开的系统以及方法，并且应理解，可以利用其它实施例，并且可以进行结构以及逻辑改动而不背离本系统的精神以及范围。因此不应将以下【具体实施方式】理解为限制，且本系统的范围仅由所附权利要求限定。此外，为清楚起见，略去了公知装置以及方法的【具体实施方式】，以便突出对本系统的说明。
[0043]请参考附图阅读来对所述【具体实施方式】的说明，附图应视为整个说明书的部分。说明书中，相对性的术语及其衍生应理解为指当时所述的或如所讨论的附图中所示的取向。这些相对性的术语是为了方便说明，并不要求以特定取向构建或操作所述设备。除非另外明文说明，有关附接，耦合等的术语是指其中结构直接或通过中介结构间接地彼此固定或附接的关系、以及活动的或刚性的附接或关系。
[0044]图1示出了基于空间的光谱仪中高效和/或低杂散光光栅的应用。采集自物体(此处为地球110)的电磁(EM)波形式的光115被输入耦合透镜120捕获，并投影到狭缝130上。进入狭缝130的光被准直透镜140捕获。准直透镜140将经准直的光束投影到光栅150上。光栅150使作为光的波长的函数的光发生角色散。所述角色散的光束以不同衍射角被发送到成像透镜160上。成像透镜160将图像投影到图像平面170上。
[0045]被投影的图像可以包括所述狭缝130的波长分散的投影。为了捕获所述图像，可以在成像平面170中放置包括传感器的探测器。所述传感器可以包括例如光电二极管，以将光转换为电信号。可以扫描所述图像，例如通过在所述成像平面中旋转所述光栅和/或移动所述传感器。所述传感器可以包括单个像素或探测所述图像某部分的多个像素。后者允许连续监测多个波长。
[0046]图2示出了常规锯齿衍射光栅的侧视图。所述光栅包括沿光栅的平面200平行伸展的交替的脊部210以及槽1210的周期性阵列。光栅周期d是所述周期性结构之间的距离。这种情况下所述周期d是所述脊部的顶部之间的测量值。或者，也可以将光栅周期d限定为例如所述脊部的中心之间的距离。脊部210相对于光栅的平面200形成闪耀角0b。以入射角Qi入射光栅的光LI以线密度及波长依赖的衍射角Gd发生角色散。所述色散可以发生在不同衍射级m，对应的路径长度差值等于入射光的波长λ的m倍。所述衍射角Qd例如由以下光栅方程给出
[0047](El) d (sin ( Θ j) +sin (θ?Ν))=πιλ
[0048]由该方程可以观察到，对于非零衍射级m，不同波长λ以不同角度9d衍射。对于m=0，该方程导致Θ d0=- Θ i，即为相对于光栅平面200的法线250的反射。
[0049]市售光栅总的来说被设置构建为根据一组使用参数使用。这些参数可以是例如与待售光栅产品一起广告，使得潜在的顾客知道光栅是否适于其计划的用途。或者，顾客可以定制提供计划使用参数的光栅。所述使用参数总的来说包括计划的波长或波长范围λ以及可选地一个或更多个优选的入射角91和/或光栅周期d (可以根据方程(El)相联系)。此外，可以提供所导致的一系列衍射角9d;如果已知光栅周期山则也可以使用方程(EI)计算出衍射角ed。这样的参数从而可以视为光栅的特征性质，并可以从例如所述光栅周期、闪耀角和/或所述光栅的涂层材料推导出来。例如被构建设置用于光的特定中心波长λ。的光栅将总的来说具有反射涂层，例如金属，使得该光以高于50% (优选高于80%，更优选闻于90%、最优选闻于95%、并最最优选等于100%)的反射率被所述涂层反射。
[0050]图3不出了光谱仪300的设置。入射光115被一输入f禹合器(incoupIer)120 (诸如透镜)耦合到光入口 130 (诸如狭缝或其它开口)中。使用第一导光器件140 (此处为准直抛物柱面反射镜)使所述入射光准直，并以受控的相对于光栅法线250的入射角Θ i将经准直的光束LI导向到光栅150 (以下揭示)上。所述光的特定的非零衍射级以波长以及线密度依赖的衍射角Gd自所述光栅被衍射。该波长分散的光L2的至少一部分被第二导光器件160 (此处为另一抛物柱面反射镜160)捕获。所述第二导光器件设置用于将被所述光栅以频率依赖的衍射角Θ d以非零衍射级衍射的光L2导向到光谱仪的成像平面170上，使得例如波长范围Λ λ的中心波长λ ^映射到成像平面170的中心上。可以将带有包括探测像素的传感器355的探测器350放置在成像平面170中，以捕获频散图像。
[0051]应理解对于光谱仪300的操作，可以向光谱仪300添加或自光谱仪300略去任何数目的光学元件，只要将要分析的光束以受控的入射角导向到所述光栅上，并且将以特定非零衍射级被所述光栅衍射的光导向和/或投影到成像平面上。尤其注意，虽然在所示光谱仪中使用了一定数目的光学元件将所述入射光转换为经准直的光束，在例如所述入射光已经是准直的(例如激光束或来自远处物体的光诸如星光)这样的情况下，可以略去这样的元件。此时例如可以略去输入耦合透镜120、狭缝140以及准直器140。也可以在光谱仪中使用非经准直的光束。同时，例如当所述入射光为窄光束(诸如窄激光束)时，还可以略去成像反射镜160。尽管本图中，光谱仪300示出为在所述成像平面中包括探测器350，替换地，可以使用随后的导光器件(例如使用光纤、附加的反射镜和/或透镜)进一步继续导向被投影的图像。可以使用透镜替换所示抛物柱面反射镜(反之亦然)。作为抛物柱面反射镜的替代，也可以利用诸如球面镜之类的其它聚焦反射镜。
[0052]图4示出了激光器400，激光器400包括下文将要描述的增益介质420、输出耦合器440以及光栅150。光栅150以及输出耦合器440形成激光腔450，其中所述光栅设置为背反射腔反射镜。所述输出耦合器`可以为半透明的背反射镜(例如95%反射、5%透射)。灯410泵浦增益介质420 (例如诸如钛宝石(Titanium sapphire)或其它晶体材料的激光棒)。所述灯可以是例如闪光灯或二极管。注意在激光器或其它利特罗(Littrow)构形的情况下，将光导控到光栅上的第一导光器件可以与捕捉以波长依赖的衍射角以非零衍射级被光栅衍射的光的第二导光器件相同。
[0053]所述灯在所述增益介质中产生粒子数反转。在光栅150以及输出耦合器440之间的腔450中来回反射的光束每次往返通过所述腔时均通过在所述增益介质中受激辐射而获得附加的能量。所述增益介质总的来说具有特定的最优增益频率范围，在该最优增益频率范围中，所述增益介质具有最优性能。该频率例如由所述增益介质中不同激发态之间的能量差值确定。在一个有利的实施例中，光栅150设置为使最优增益频率的光430a自所述光栅以角度Qd= Qi衍射，而其它次优频率的光431则被衍射出所述腔。换言之，对于具有最优增益频率的光而言，所述光栅被设置为利特罗结构。替换地，所述光栅对于任何其它希望的激光器频率均设置为利特罗结构。光每次往返的部分430b通过输出耦合器440被耦合出所述激光腔。[0054]注意特别可取的是在激光腔中拥有高效光栅，因为激光器要持续操作的话，光栅引起的任何损耗必须由增益介质中的增益补偿。这样(例如以被光栅吸收的形式)的损耗也可能引起附加的热量问题，尤其对于高能激光器，可能会损坏光栅。利特罗结构对于激光腔尤其可取，因为这时光栅可以充当腔端反射镜。高效以及低杂散光将有益于该激光器应用。
[0055]二极管激光器的另一个有利的实施例中，所述光栅可以用作外部腔450的一部分并放置在可选内部腔反射镜460后，从而为主腔470提供种子波长。例如渗过腔背反射镜460的光可以自利特罗光栅150反射，所述光栅选择的波长再被送回到主腔470中，以便以选中的波长启动产生激光的过程，从而使该波长稳定。这样设置的优点是，可以降低光栅经历的能量强度，并且/或者可以进一步最小化损耗。
[0056]图5示出了光栅150更详细的示意侧视图。光栅150包括在所述光栅的平面内平行伸展的交替的渐窄结构210以及底面220的周期性阵列。所述渐窄结构形成自光栅的平面200突出的细长的线。所述渐窄结构包括朝向入射光LI方向的平坦界面601以及对侧翼面602。注意，为了取得如下最优化的光栅结构的效应，所述入射光不一定垂直于界面601。平坦界面601相对于平面200形成闪耀角Θ b。底面220平行于所述光栅的平面200伸展。
[0057]本发明人令人惊讶地发现，特定的底部宽度W可以使所述光栅的效率增加，例如底部宽度在光栅周期d的10%到90%之间(即0.10<ff/d<0.9)时，光栅结构可以形成有利的腔形状。该效率提高可以解释为特定部分的入射光可以穿透到所述腔中，并经历其中的有益干涉效应。
[0058]例如使用诸如PCGrateiW，的计算机软件程序，可以输入例如如图5所示的光栅结构，并可以将入射光的指定的偏振状态(例如TE、TM)的衍射效率作为光栅结构的波纹幅度“A”的函数进行计算。可以选择特定的对应于希望的衍射效率的波纹幅度“A”，并随即根据如图12中所示的第一方面的方法制造所述光栅。代替使用计算机软件程序，也可以使用其它(例如解析、数值或其组合)方法来计算作为波纹幅度的函数的光栅效率。
[0059]不受限于理论，当前发现，底面220形成腔底部，且入射光在以这些腔底部220为界的腔中形成电磁场构形。如以下将进一步详述的，所述电磁场构形可以作为腔宽度W和/或波纹幅度A的函数进行计算。可以根据计算的电磁场构形预设所述衍射效率。一个实施例中，当电磁场振幅对于直接地邻接腔底面220的区域中的入射光的指定的偏振状态取极值时，获得有利的衍射效率。
[0060]有利地，根据图5的实施例，渐窄结构210可以由脊部形成。术语“渐窄”是指所述脊部的翼面在顶部会合，形成典型地在10到90度之间的顶角。(当自较大的入射角照耀时)较小的顶角可使所述光栅获得更高的线密度。但是对于过小的角度，所述波纹幅度会过高。在一个有利的实施例中，所述顶角约在60至80度之间，优选在65至75度之间。优选所述渐窄结构的顶部形成锐利的边缘以最大化光栅效率，但可以容许所述顶部上有一定的扁平。尤其可取的是入射光照射的脊部表面形成尽可能平坦以及光滑的界面，以最小化杂散光和/或散射效应。
[0061]一些类似图5实施例的实施例可以进一步利用已知为利特罗条件的特殊条件，利特罗条件中，Qd，其中射入所述光栅的光大体上以与入射角相同的角度被衍射回来。对于2d sin ( Θ，该利特罗条件大致满足，其中m是所述衍射级，λ是所述波长。本文中我们将述及利特罗条件或近利特罗条件(当入射角91与衍射角0(1在10度平面角内重叠)。在一个光谱仪的实际构形中(如图3中所示)，可能需要以略微不同的角度(例如10度)衍射光束，以便从空间上分开入射光束以及出射光束，而依然得益于利特罗条件的可能更高的效率。因此，在一个有利的构形中，光栅设置为使入射角(Qi)与衍射角(0(1)大致(优选在10度平面角内、更优选在5度平面角内、最优选在I度平面角内)重叠，或(在机器精度内)精确重合。
[0062]图6示出了根据光栅周期d沿所述光栅的平面200平行伸展的交替的细长的光栅结构210’阵列一部分。所述结构设置在所述光栅的平面200内，并包括具有波纹深度A的腔底面220。入射光在以腔底面220为界的共振腔225中形成电磁场，并作为波纹深度A的函数进行计算。
[0063]图6A-C示出了可以通过改变波纹深度A而根据期望的衍射效率来控制入射光的衍射效率。有利地，设定波纹深度A，使得沿平行于光栅结构210’方向的电磁场幅度Hy在直接地邻接腔底部220的区域中对于入射光的指定偏振状态取极值。例如，可以通过纳米光刻(nanolithography)以及蚀刻技术制造图6的结构。图6示出了射入光栅并自光栅结构衍射的TM光所形成的矩形光栅上方的Hy磁场密度分布。Hy场是沿平行于光栅线的“y”方向，即垂直于所给视图(参考提供的xyz轴)的H磁场。分别以亮色(Hy_high)以及暗色(Hy_low)标示较高以及较低电磁场幅度的区域。
[0064]图6A示出了 800nm深剖面轮廓的Hy场，图6B示出了 150nm深剖面轮廓的Hy场，图6C示出了 IOOnm深剖面轮廓的Hy场，均具有50度平面角的入射角。这些曲线显示，光栅上方Hy场显示出密度涨落。根据对称性论证可以断定，该涨落具有遵从光栅结构本身的周期性的沿光栅长度的周期性。但是，在向上的方向上，所述涨落则多少更为复杂。在槽中，图6A中密度涨落具有依赖于光的波长的周期P。可以将该密度涨落描述为例如槽中的驻波。所述场涨落来自入射光栅结构以及自光栅结构折射的局域电磁场的干涉图案的涨落。
[0065]从图6B (显示150nm深光栅)可以观察到，该光栅接近于最优效率，因为此处沿平行于光栅结构的y_方向的电磁场幅度Hy对于在直接地邻接腔底部220区域中的射入的TM-偏振光而言取极值。图6A的800nm深光栅更接近于最小效率。可以自这些Hy绘图推导最优波纹深度。全局来说，电磁场需要与光栅的侧部和底部发生最优的相互作用，当接近光栅表面220的电磁场较高(Hy_high)时即为这种情况。对于当前情况(从图7也可推导出)，最优波纹深度约为150nm。
[0066]尽管当前曲线中使用Hy磁场阐释最优效率的条件，但也可以有其它阐释方式。具体地，对于TE偏振光，当沿着细长的渐窄结构长度(即沿光栅线)的“y”方向上的电场幅度Ey (其作为光栅结构的波纹幅度和/或其它几何变化，诸如腔宽度的变化，的函数)在接近所述腔底部处最大时，则实现较高的效率。
[0067]尤其对于具有横向磁场(TM)偏振的入射光，当作为腔宽度的函数的沿渐窄结构方向的磁场分量Hy在腔底部处最大时,衍射效率最大。对于具有横向电场(TE)偏振的入射光，当作为腔宽度的函数的沿渐窄结构方向的电场分量Ey在腔底部处最大时，衍射效率最大。当然要理解还可将入射光的其它偏振分解为TM以及TE分量，从而对于上述标准的结合达到最大效率。
[0068]图7的曲线701示出了作为图6矩形光栅的波纹深度的函数的横向磁场入射光的-1级(m=-l)的效率的波动。不受限于理论，就场回路而言，例如由Popov (Prog.Optics, Vol.31，pp.141 - 190，1993)给出了对此类波动的物理解释。
[0069]当前情况下，依赖于腔深度和/或形状，光栅结构的腔中电磁场的波动可相长或相消干涉。当前观察到，存在效率非常高的波纹深度。对于最优效率，电磁场振幅应该在接近腔底部处为最大。作为腔宽度或波纹幅度的函数的效率中可以有多个最优值。光栅具有渐窄结构的大多数实际情况中，波纹深度将仅足以到达效率的第一最优值，即为浅光栅。曲线702中显示矩形光栅的第一最大值的细节。
[0070]图8示出了针对渐窄结构光栅150的波纹幅度A以及最优腔宽度W的S场或能量密度以及方向(坡印廷矢量场)的近场绘图。较高能量密度的区域以及较低能量密度的区域分别被标示为Shigh和SlOT。计算针对的入射光的波长为800nm，入射角为42度平面角。可以观察到，在能量密度中，能量在渐窄结构210之间在接近(共振)腔225的底部220处较低(SlOTt)。能量密度流场显示出沿光栅的周期性，根据上述Popov所著文章("Lightdiffraction by relief gratings:a macroscopic and microscopic view,〃Prog.0ptics, Vol.31，pp.141 - 190, 1993)，该周期性对应于光栅本身的周期性。
[0071]可以例如使用以下方程自电磁场计算局域能量密度以及方向:
[0072](E2) S=R e (ExH*);
[0073]其中S为坡印廷矢量，S的方向以及大小指明了能量的流动以及密度，Re (…)是实算子，用于取方程的实部，E为电场，H*为H磁场的复共轭。
[0074]在一个有利的实施例中，提供具有光栅150的光栅装置,光栅150包括根据光栅周期d在光栅的平面200内平行伸展的交替的渐窄结构210以及腔底面220的周期性阵列。渐窄结构210突出或突入光栅的平面200，并包括朝向入射光(LI)方向的平坦界面601。平坦界面601相对于平面200形成闪耀角。共振腔225包括平坦腔底面220。腔底面220以如所标示的腔宽度W分开所述渐窄结构。优选将腔宽度W设定在0.1至0.9倍光栅周期d之间的范围内，以根据期望的衍射效率控制入射光的衍射效率。
[0075]如图8所示，入射光在接近腔底面220处形成能量流场800，能量流场800可以作为腔宽度W的函数进行计算。图8还显示，渐窄结构210之间可以形成入射光的共振腔225。术语“共振腔”指从入射光的角度而言为凹陷的结构，在所述共振腔中，入射光可以与自腔壁感应的电磁场发生干涉，所述腔壁由腔底部以及渐窄结构210的侧部形成，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辐射的任何其它电磁场(例如表面等离子体)的结合可导致相长或相消干涉。本发明人发现，尤其是本公开提出的包括被平坦腔底面分开的渐窄结构的光栅可以提供有利的可调共振腔。共振腔的概念多少类比于在适应于管的波长处的声波在风琴管内共振。
[0076]术语“渐窄结构210”可以指进入光栅的V形槽或自光栅突出的V形脊部。在图8中的情况下，渐窄结构为突出的脊部。
[0077]在浸没光栅的另一个实施例中，例如图14中所示，渐窄结构可为光栅中的槽，且可以在光栅材料内形成所述腔。任何情况下，都要将渐窄结构210朝向光射入的光栅150的一侧。在射入光的方向上形成射入光的(共振)腔225。当光来自自由空间(正面光栅)时，如图8所示，可以在所述脊部之间形成腔。当光自穿过光栅材料的方向射入腔底面(浸没光栅，图14)时，可以在所述槽之间形成所述腔。可以将光栅效率作为在V形脊部或槽之间的腔的底面宽度的函数进行优化。所述优化可依赖于光栅是作为正面光栅还是作为浸没光栅使用，即依赖于光射入所述光栅的侧，最优腔宽度可以不同。
[0078]图9示出了作为腔宽度W的函数的光栅效率η的曲线。所述效率可以限定为处于特定波长带宽中的入射光被衍射向成像平面的比例。曲线中，效率901、902、903分别针对横向电场(TE)、横向磁场(TM)以及非偏振光。
[0079]使用计算机软件程序PCGrate⑩以以下参数生成该曲线:光栅周期d=500nm，闪耀角Θ b=54.7度,光栅材料:resin_l-mkm_Vis-NIR_RG-Newport,光栅涂层50nm招,入射角Θ i=60度，入射光波长632.8nm。扫描不规则四边形景观，以IOnm步长使槽底部从O变至250nm。使用有限低型边界传导性的穿透(penetrating solver)算法。精度优化具有加速的收敛、相等的S间距，配置点数目为500，且最大数目的可解释+/_项或阶为250。
[0080]自该曲线可以观察到，与TM效率相比，TE效率901更少依赖于腔宽度。TE光的效率在对于锯齿光栅(W=Onm)的约50% (h=0.5)至对于W=250nm的约35%之间变化。从而腔宽度越高效率越低。一旦腔宽度自对于锯齿光栅(W=Onm)的约7%变化至对于约170nm的腔宽度的约80%，则TM光的效率显著提高。整体效率为TE光和TM光的平均，并在约W=170nm具有约65%的峰值。该宽度处比率W/d为170/500=0.34。
[0081]不受限于理论，推测对于TM光，效率提高是入射光和腔模之间更好耦合的结果。对于给定周期d以及闪耀角ΘΒ，更高的腔宽度对应于更低的波纹幅度A。推测当变化起皱时，对应的腔模也变化。腔模的变化引起O到170nm之间范围内效率提高。但是对于给定的入射角，低于特定阈值的任何波纹幅度均会存在效率的竞争降低。尤其，当所述入射光开始不射入到突出的脊部上，而是射入到平坦腔底部上时，可能发生效率降低。此处对于大于170nm的腔宽度可以观察到这样的效率降低的竞争效应。
[0082]注意该效应尤其会影响具有垂直于光栅线的电场分量的TM辐射，所述TM辐射因此可以比大部分被细长突出结构的线反射的TE辐射更深地穿透到腔中。该偏振依赖效应例如可类比于金属线栅起偏器，所述金属线栅起偏器主要反射沿金属线长度的偏振，而许可垂直于金属线的偏振通过。
[0083]另一个有利的实施例中，希望的衍射效率至少为可以通过变化(例如通过方程(E3)联系起来的)腔宽度和/或波纹幅度A实现的最大效率的90%。为此，根据计算设定腔宽度W和/或波纹幅度A，以便将衍射效率控制到最大可实现的衍射效率的至少90%。例如当作为波纹幅度的函数的最大衍射效率是绝对最大衍射效率的80%时，根据计算设定波纹幅度A，以便将衍射效率控制到绝对最大衍射效率的至少72% (=90% X 80%)。
[0084]替换地或附加地，优选根据计算设定波纹幅度A，以便将衍射效率控制到 > 绝对最大衍射效率的90%。
[0085]在偏振光栅的有利的实施例中，衍射入射光的横向磁场分量的希望的衍射效率与衍射入射光的横向电场分量的效率大不相同。大体上，为获得偏振光栅，所述差值至少为可以通过变化腔宽度和/或波纹幅度A实现的最大差值的90%。为此，根据计算设定腔宽度W和/或波纹幅度A,例如腔宽度选择为使得入射光的横向磁场分量、横向电场分量之一的电磁场幅度作为腔宽度的函数取最小值。这使得对于该偏振状态的效率最小。
[0086]非偏振光栅的另一个有利的实施例中，衍射入射光的横向磁场分量的希望的效率大致等于衍射入射光的横向电场分量的效率，以获得非偏振光栅。为实现该条件，根据计算设定腔宽度(W)和/或波纹幅度A，例如变化腔宽度，使得电磁场幅度在腔底部处对于入射光的横向磁场(TM)以及横向电场(TE)分量平衡。具体地，平衡所述电磁场振幅，使得TE以及TM衍射效率大致(例如在内10%)相等。
[0087]图10的曲线1001、1002示出了在常规锯齿光栅(1001)和对于非零衍射级(1002)具有最优化的槽底部宽度的光栅之间进行的TM效率的比较。所述效率示出为波长倒数I/入以及入射角的正弦的函数。对于曲线1001，腔宽度为0nm(即锯齿)，且对于曲线1002，腔宽度为170nm。所有其它参数均与图9中相同。曲线较暗的区域对应于更高的效率，较亮区域对应于更低的效率。二曲线的颜色标度相同。标示的点1011以及1012大致相应于图9的入射角以及波长。
[0088]注意虽然二曲线均示出作为波长和入射角的函数的效率的变化，对于绝大部分参数空间而言，具有170nm腔宽度的光栅的TM效率优于锯齿光栅。还注意，尽管锯齿光栅具有几块略微更高的效率，具有170nm腔宽度的光栅在较宽参数空间具有较高效率。例如可以观察到，对于sin Θ i约在0.35至0.50之间(Θ i在20至30度之间)的特定入射角，对于所有所示波长，所述效率均高于约70%。锯齿光栅不具有这样宽的波长带宽效率。
[0089]图10的曲线1003、1004分别类似于曲线1001、1002，但针对零衍射级(m=0)，即相对于光栅平面200的法线250的反射(见图2:0^00。图10的曲线1003显示常规锯齿光栅(腔宽度W=Onm)的零级衍射的TM效率。曲线1004显示具有腔宽度W=170nm的光栅的零级衍射的TM效率。当比较曲线1003和1004时，注意对于绝大部分参数空间而言，锯齿光栅具有更高的零级反射率(以较暗区域标示)。当将曲线1003、1004分别与曲线1001、1002进行比较时，注意这些曲线多少是互补的。对于非零级衍射较高的区域，零级反射率较低(反之亦然)。从而显示较低或最小的零级反射率与较高的非零级衍射效率相关。可以有利地利用该效应如下。通过测量例如作为腔宽度W或任何其它参数的函数的零级反射率的最小值，可以找到对应的非零衍射级的最大值。可以例如结合(例如如图16所示的)具有变化的腔宽度的光栅使用该`方法。替换地，当然也可以将非零衍射级作为腔宽度的函数而直接测量非零衍射级的最大值。
[0090]图11的曲线1101-1104示出了针对不同波长的槽底部宽度的优化曲线。所有图均针对37度的闪耀角。
[0091]曲线1101显示针对725nm波长的腔宽度W的效率扫描。对W=430nm实现了最大效率Hmax=0.68。腔宽度范围W9tl=W ( η>η9(ι)限定为在仅腔宽度变化时光栅效率在可实现的最大效率的90%以内，即η>0.9η_。具体地，在该范围内，所述光栅的效率比常规锯齿光栅的效率高10%以上。替换地，可以将有利的腔宽度范围限定为对于TM辐射和/或整体随机偏振辐射实现了高于最大改善(即零腔宽度和最优腔宽度之间的差值)的50%、优选80%、更优选90%的光栅效率的腔宽度。
[0092]曲线1102示出了针对曲线1101的具有470nm腔宽度(即在最优腔宽度范围90%Ww内)的光栅的波长扫描。所述曲线分裂为TE效率、TM效率以及平均(avg.)效率。可以观察到，对于在约700到775nm之间的所有波长，效率相当均匀。在特定点1111，TE效率和TM效率相等,对于该波长获得非偏振光栅，即衍射时不偏振入射光的光栅。一个有利的方法中，通过变化腔宽度获得非偏振光栅，使得电磁波的TM分量的衍射效率大致等于横向电场(TE)分量的。替换地，如果希望有最大偏振的光栅，可以变化腔宽度，使得例如TM分量最小而TE分量最大,或反之亦然。[0093]曲线1103显示针对(入射光)波长λ =755nm的腔宽度W的扫描。所有其它参数与曲线1101的相同。注意针对该更长的波长的最大效率Hmax高于针对725nm的最大效率(约高0.74)，并发生在约400nm的多少更低的腔宽度处。从而实现在该最大值90%以内的效率的范围W9tl也不同于针对λ =725nm (曲线1101)的范围%0。
[0094]曲线1104显示针对最大效率腔宽度W=400nm的波长扫描。同样示出针对TE、TM及非偏振(平均)光的效率。可以观察到，尽管针对该腔宽度的最大效率更高，比起针对W=470nm的效率，效率作为波长的函数的变化也更大。因此,如果希望有更独立于波长的光栅，可以优选W=470，而如果希望有最大效率，则可以优选W=400。
[0095]图12示出了用于创建具有可调槽底部宽度以及闪耀角的副本150的方法。所述方法包括以下步骤:提供包括槽1210以及坝1220的图案的主光栅1200，槽1210以及坝1220分别与要创建的副本150的脊部210以及谷220’互补。注意这样的主光栅1200本身也可以例如用作浸没光栅。槽1210具有对应于要创建的脊部210的顶角α的槽角α’。所述槽具有相对于主光栅1200的表面200’的倾角9b’，对应于脊部210的闪耀角0b。槽1210的槽深度A对应于脊部210的波纹幅度A。坝宽度W对应(主光栅的浸入腔或副本的前表面腔的)腔宽度W。
[0096]坝宽度W从而限定腔宽度W，而晶圆表面200’则形成以腔宽度W分开槽1210的腔底面220’。在一个有利的实施例中，例如基于图8(其中所述能量流场在具有腔底面220的腔225中形成)中详细示出的能量流场的计算，根据希望的衍射效率设定腔宽度W。
[0097]槽1210的深度A以及槽间的坝宽度W依赖于抗蚀剂材料1201的线宽度。坝宽度W限定腔宽度W，其中晶圆表面200’形成以腔宽度W分开槽1210的腔底面。如图8中详细示出的，可以在具有所述腔底面的腔中形成能量流场。在一个有利的实施例中，根据其中得到的希望的衍射效率来设定腔宽度W。
[0098]主光栅1200包括在主光栅1200的平面200’中平行伸展的槽1210阵列。各槽1210由光栅周期d间隔开。槽1210包括具有平坦界面601’、602’的三角形剖面轮廓。所述界面中的一个界面601’相对于平面200’形成闪耀角Θ b。
[0099]制造主光栅1200的方法包括:提供晶圆1250，晶圆1250包括大致为单晶的材料，所述材料具有以一夹角α’彼此相交的第一晶面和第二晶面llla、lllb。所述方法进一步包括:相对于第一晶面Illa以等于闪耀角Θ b的切割角度沿晶圆表面200’切割晶圆1250。以平行条带1211图案样式将抗蚀剂材料1201施加于晶圆表面200’的各部分，其中条带1211的中心被光栅周期d间隔开，且在条带1211之间形成晶圆表面200’的暴露部分。向晶圆表面200’施加各向异性蚀刻工艺1202，所述过程在第三晶面100的法线方向上比在第一晶面和第二晶面IllaUllb的法线方向上蚀刻得更快，以在所述暴露部分处形成槽1210，其中沿第二晶面111形成所述槽的所述平坦界面。
[0100]所述方法进一步包括:对于给定的光栅周期d以及闪耀角Θ b，计算作为光的期望衍射效率η的函数的、槽1210相对于晶圆表面200’的波纹幅度A ;并施加抗蚀剂材料1201。例如如图12所示，对条带1211的线宽度W进行控制，使得槽1210形成有平坦界面601’、602’，其中平坦界面601’、602’自相邻条带的暴露边缘延伸入晶圆表面200’，并在等于所希望的(计算的)波纹幅度A的深度处以夹角α’彼此相交。这也展示在图16中，其中解释了所述抗蚀剂条带的宽度W和波纹幅度A之间的关系。[0101]在另一个实施例中，可以制造复制光栅150。副本是所述主光栅的复制品。方法包括:按上述方法制造主光栅；向主光栅1200施加可模压材料，以形成复制光栅150 ;以及使复制光栅150自主光栅1200分离。复制光栅150包括脊部210阵列,所述脊部210与主光栅1200的槽1210阵列互补。可以将波纹幅度A作为如此获得的复制光栅150的期望衍射效率的函数来进行计算。需要理解的是，所述复制光栅包括具有可控的波纹幅度的锐利的突出的结构，所述可控的波纹幅度无法通过其它方法轻易获得。可以创建复制光栅15的副本，以获得所述主光栅的原始剖面轮廓。
[0102]优选所述单晶材料是硅。可得益于针对该材料的丰富的处理经验。替换地也可以使用例如晶面具有不同相对取向的其它单晶材料，以获得不同顶角和闪耀角。
[0103]一个实施例中，向主光栅1200或复制光栅250施加反射层。所述反射层可以是例如金属层或介电层。替换地，对于希望的目的，所述主光栅或所述可模压材料具有足够的反射性，不需要进一步添加反射层。
[0104]一个实施例中，抗蚀剂材料1201的条带是使用压印光刻技术在晶圆上提供的。对于创建均匀尺寸的抗蚀剂材料的条带，压印光刻可以提供希望的精度以及可靠性。
[0105]例如，一种由Eindhoven的Philips Research研发的已知为“基板保角压印光刻”(SCIL, Substrate Conformal Imprint Lithography)的技术可能适用。所述基板保角压印光刻(SCIL)技术结合了用于刚性玻璃载体的较大区域图案化的软复合材料工作印章的优点，以获得低图案变形以及最佳分辨率。SCIL利用施加毛细作用力而非背压的顺序压印原理，即使在较大区域上也能最小化气包(air inclusions),从而确保最高的均勻度。印章和基板顺序分离避免了较高的力，并允许干净可靠地分离而不损坏所述图案化结构。较大区域上基板一致性以及图案保真度方面的性能可以使该压印技术成为适合LED/VCSEL、光学元件、图案化介质或诸如印刷电子或RFID的功能材料等应用的工具。
[0106]替换地或附加地，可以使用纳米压印光刻(NIL)来施加所述抗蚀剂材料的条带。可以例如使用全息技术来制造所述压印光刻步骤中使用的印章，以提供相对较大的光栅表面和光栅线之间的希望的一致度。
[0107]如本文中用法，可以用所谓米勒指数的数学描述来描述晶面以及晶格方向。这允许指明、研究并讨论晶体的具体平面以及方向。例如在立方晶格系统中，方向<hkl>或(h，k，I)限定特定平面或面表面的法线矢量方向。用米勒指数指代晶体的晶轴。晶轴因此不必取向为直角，但它们可以对应于立方晶格结构中的x、y、z轴。对于单斜和三斜晶体，每个米勒指数可以有四个数字。但立方晶格可以仅有三个数字。用于确定这些米勒指数的算法可以如下:
[0108](I)确定给定的晶面与所述三轴相交处的交点，例如(a，0，0)，(0，b，0)，(0，0，c)。如果所述平面平行于一轴，则说所述平面与所述轴相交于无穷远处。
[0109](2)所述面的米勒指数则标记为(1/a，1/b，1/c)，其中所述三个数字表示为(去掉公因数的)最小整数。可例如将负量标示为上横线。
[0110]第一晶面和第二晶面IllaUllb结构上可以类似，例如它们可以都为(镜面对称的)〈111〉晶面。从而第一晶面Illa的法线方向上的蚀刻速率可大致等于第二晶面Illb的法线方向上的蚀刻速率。第三晶面100 (例如〈100〉晶面)的法线方向上的蚀刻速率可以比第一晶面和第二晶面IllaUllb的法线方向上的蚀刻速率快得多。该蚀刻速率差值可形成优先蚀刻方向，即各向异性蚀刻。
[0111]—个有利的方法中，可以以如下方式创建主光栅1200。以相对于晶体取向1251的特定角度切割单晶娃晶圆1250。例如如图12以及图13所不，所述单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以一夹角α ’彼此相交。相对于第一晶面以等于所述闪耀角的切割角度沿晶圆表面切割所述晶圆。切割表面200’覆盖有将充当抗蚀剂1201的氮化硅(SiN)层。所述SiN层覆盖有光致抗蚀剂(photo resist)(例如如图23中所示)。例如用已知的光刻技术将光图案投影到所述光致抗蚀剂上。所述图案包括一系列平行条纹，条纹间中心到中心距离等于光栅周期d，且条纹宽度大致对应于腔宽度或脊部宽度(依赖于使用正性光致抗蚀剂还是负性光致抗蚀剂)。从而如图12中所示，以平行条带1211图案样式将抗蚀剂材料1201施加于晶圆表面200’的各部分，其中条带1211的中心被光栅周期d间隔开，且在条带1211之间形成晶圆表面200’的暴露部分。
[0112]随后长成所述光致抗蚀剂，从而形成在要创建所述坝的区域大致覆盖所述SiN抗蚀剂的光致抗蚀剂的平行线的图案样式(见图12)。随后使用反应离子过程蚀刻掉所述SiN层的暴露区域。然后可以去掉其余的光致抗蚀剂。图12中显示得到的抗蚀剂1201的图案样式。随后的过程中，向所述主光栅表面施加各向异性(湿)蚀刻剂1202例如氢氧化钾(KOH)0也可以利用其它蚀刻剂和/或方法，只要所述蚀刻剂和/或方法提供各向异性蚀刻速率，即所述晶体的不同方向上的不同速率。在未被抗蚀剂1201覆盖的区域，自所述表面向下蚀刻所述硅晶圆。现在由于硅的晶体结构，所述蚀刻工艺将是各向异性的，即并非所有方向都相同。具体地，所述各向异性蚀刻剂在垂直于〈100〉晶面的方向上的蚀刻比在垂直于〈111〉晶面方向上约快100倍(依赖于温度，例如见U.S.2008/0230947)。参考图12，向晶圆表面200’施加各向异性蚀刻工艺，所述过程在第三晶面100的法线方向比在第一晶面和第二晶面IllaUllb的法线方向蚀刻得更快，以在所述暴露部分处形成槽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]得到的槽图案从而具有多半平行于〈111〉晶面的边缘(见图13)。归因于硅中晶面的相对取向，这形成(例如在65度至75度平面角之间的)约70.5度的槽角。允许所述蚀刻工艺进行，直到到达所述抗蚀剂边缘，从而形成大致等于所述抗蚀剂的线宽度的坝宽度。所述蚀刻工艺停止后，可以例如使用蚀刻氮化硅比蚀刻硅更快的氟化氢(HF)或其它化合物来去掉抗蚀剂1201。尽管以上描述了特别有利的用于创建具有希望的特征的主光栅的方法，但也可以利用其它已知的方法得到相同的主光栅。
[0114]一旦如此获得主光栅1200，则可以在相反的复制步骤1221中复制主光栅1200。该相反的复制步骤1221例如可以包括:提供具有可模压表面诸如非硬化树脂(non hardenedresin)的工件。将所述可模压表面压入所述主光栅的槽和坝结构，从而所述可模压表面获得与所述主光栅表面形状互补的形状。随后例如通过冷却使所述树脂硬化，并自主光栅1200移除所述工件，从而形成副本150。
[0115]替换所述可模压表面，例如可使用液体(环氧)树脂填充主光栅1200的槽。可以随后使该液体树脂硬化，以形成类似以上所述的工件。如此获得副本150后，可以使用诸如化学气相沉积、原子层沉积、外延膜生长(epitaxial film growth)、派射(sputter)沉积等任何已知的技术在所述副本上施加或沉积金属层。在施加所述反射金属层后，终于获得衍射光栅。注意尤其在所述可模压表面本身具反射性的情况下，可以不需要进一步的金属涂层。
[0116]例如Chou等人在U.S.2008/0280947中给出硅的各向异性蚀刻方法以及自主晶圆复制光栅的进一步的细节。例如Newport所著“Diffraction Grating Handbook, sixthEdition”中也讨论了光栅的复制。除了各向异性蚀刻，也可使用诸如刻划等其它方法产生例如如图5以及图6中所示的具有平坦腔底面以及突出的脊部的光栅。但是，所提出的各向异性蚀刻方法不仅特别适合仔细控制得到的光栅脊部的波纹幅度，还特别适合例如通过选择不同的切割容易地调整所述闪耀角。例如在刻划光栅的情况下，所述闪耀角典型地依赖于划过所述主光栅中槽的尖头的形状。此外，本公开提出的蚀刻方法提供了与任何现有光栅相比具有低杂散光散射特征的非常光滑的光栅表面。尤其可利用所述光滑表面形成所述光栅的平坦反射界面。术语“平坦界面”是指相对于界面尺寸并不显著弯曲的界面。平坦界面的定义可以是例如所述界面上的曲率半径高于2倍、优选高于5倍、更优选高于10倍(沿所述界面从底部至顶部的)所述界面的高度。具体地，具有连续正弦的或接近正弦的起皱的光栅并不视为具有平坦界面或定义良好的闪耀角。
[0117]相应地，在一个有利的实施例中，提供了包括具有取向1251的大致为单晶材料的晶圆，取向1251由例如如图13中显示的〈100〉和〈111〉晶面限定。所述晶圆包括相对于所述晶面形成切割角度的表面200’ ；所述晶圆的表面200’提供有具有特定线宽度的平行线的图案样式的抗蚀剂材料1201，所述各平行线的中心由对应于光栅周期d的线周期d间隔开。
[0118]有利地，使用基于硅蚀刻的制造方法，原则上可以获得原子级的平坦界面。
[0119]图13以不意的整体不图不出了用于自娃材主光栅1200创建复制光栅150的方法。主光栅1200中显示了〈100〉和〈111〉晶面。硅材中，〈100〉和〈111〉晶面之间的角度约70.6度。〈111〉晶面(IllaUllb)之间的角度约54.7度。在相反的复制步骤1221中获得复制光栅150。所述复制过程中，向主光栅1200施加诸如树脂等可模压材料1300，以形成要创建的光栅表面。在随后的步骤中，将所述可模压材料自所述光栅分离，并可向所述光栅结构施加金属层，以形成光栅的传导界面。
[0120]本图中，主光栅1200的切割表面对应于〈100〉晶面。对于该切割，获得对称槽图案。得到的复制光栅将具有约54.7度的闪耀角。此时共轭闪耀角等于所述闪耀角，所述光栅将具有对称脊部。
[0121]替换地，例如对于沿〈112〉晶面的切割(例如如图22中所示)，可以获得约19.4度的闪耀角Qb以及90度的共轭闪耀角0b*。
[0122]总的来说，通过选择所述晶圆相对于所述晶体取向的特定切割角度，可以实现任何其它希望的闪耀角Qb，其中所述闪耀角由〈100〉或〈ill〉晶面和沿其进行切割的表面之间的角度确定。相应地提供包括具有由〈100〉和〈111〉晶面限定的取向的大致为单晶的材料的晶圆，所述晶圆包括表面200’，所述表面200’相对于〈100〉面形成O度的切割角度，且相对于〈111〉晶面形成约54.V的切割角度。
[0123]另一方面，所述槽角依赖于〈111〉和〈111〉晶面的相对取向，对于娃所述槽角约70.5度。这也将约为副本150中脊部的顶角a。所述坝宽度将对应于腔宽度W，波纹幅度A将对应于槽深度。
[0124]几何上的考虑容易显示，波纹幅度A、腔宽度W、光栅周期d、闪耀角eb及共轭闪耀角eb*之间关系如下:
[0125](E3) d=ff+A/tan ( Θ b) +A/tan ( 9b*)。
[0126]从而应理解本文中，至少当所有其它参数相同时，变化腔宽度，则所述波纹幅度也变化。具体地，对于相同的周期d和闪耀角0b、0b*，更大的腔宽度W对应于较小的波纹幅度A。从而可使用以上提供的转换关系互换A以及W。当然取代共轭闪耀角eb*，也可使用以下测角(goniometrical)关系替代顶角α
[0127](Ε4) Θ b+ Θ b*+a =180。。
[0128]图14示出了硅材主光栅1200的电子显微镜图像。以鸟瞰视角显示了槽1210以及坝1220。所述光栅周期约为600nm。还显示了槽角α’以及槽闪耀角Θ b’。
[0129]坝宽度W限定腔(底部)宽度。如以上图8中详细示出的，可以在具有所述腔底面的腔中形成电磁场构形。在一个有利的实施例中，根据得到的希望的衍射效率设定腔宽度W (或如上所述等价地，波纹幅度A)。
[0130]—些实施例中，主光栅1200用作浸没光栅。此时,将在槽1210之间在主光栅的内部(即在作为浸没光栅的主光栅的光学介质内)形成具有腔底面220的腔225。
[0131]其它实施例中，可以复制主光栅，以形成如图13中所示的具有与主光栅的槽的图案互补的脊部图案的正面光栅。此时将在所述主光栅外部的光学介质(例如空气或真空)中的所述脊部之间在所述正面光栅外部形成腔。从而可以由如图14所示的坝或如图8所示的谷形成所述腔底部。
[0132]图15示出了复制光栅的电子显微镜图像，可以通过复制如图14所示的硅材主光栅、并随即施加金属(例如铝、金、银或在感兴趣的频率范围内具有合适反射率以及SPP传导率的其它金属)层1502而获得所述复制光栅。换言之，金属层1502在所述光栅的表面形成传导界面。可以观察到，尽管副本材料1501可以具有锐利的顶角，但所施加的金属层1502多少会削弱该锐利度。更重要的是可以观察到，由于金属层1502，所述光栅的腔宽度多少会小于所述副本的腔宽度。尽管该效可能很小，但也可以(例如通过在设计所述主光栅的坝宽度时考虑要沉积的金属层的厚度)进行补偿。
[0133]在对自蚀刻的硅材主光栅创建的光栅进行测量时本发明人发现，除了提供方便的用于变化腔宽度的方法，得到的光栅还提供了令人惊讶的接近于(对应于由有限数目的被照亮的槽引起的杂散光的)杂散光理论极小值的低杂散光散射。其原因可能是沿所述晶面蚀刻所述硅导致粗糙度几乎为零。所述复制过程会增加一定的粗糙度，但进行得当的话可以忽略该粗糙度增加。这意味着所述基于硅材的方法不仅造成更高的效率，还由于更低的粗糙度而造成更低的杂散光。更低的杂散光将导致更高品质的光谱图像，因为来自一频率的杂散光不与另一频率的图像发生干涉。
[0134]本发明人检查时，用原子力显微镜(AFM)分析了根据本文公开的方法产生的光栅的蚀刻的Si样品，以确定槽的侧面斜坡的表面粗糙度。使用轻敲模式Si探针以VEECODimension3100SPM (扫描探针显微镜)进行测量。扫描800X800nm2的区域。得到的高度数据显示rms (均方根)粗糙度系数Rq〈1.5nm。相应地，在一个有利的实施例中，根据本文公开的方法产生的主光栅或复制品光栅的平坦界面(图13中601、602或601’、602’)具有小于1.5纳米的均方根粗糙度系数Rq。
[0135]图16示出了用于优化作为腔的底面宽度W的函数的光栅效率的实验方法。具体地，以上图12 -图15中提供的方法提供用于快捷设计和研发对于给定的闪耀角以及光栅周期d具有任何希望的腔宽度W和/或波纹幅度的光栅的方便方法。
[0136]一个有利的方法中，可以通过在所述主光栅的制造过程中变化所述抗蚀剂材料的线宽度而变化槽深度来创建单个主光栅。提供俯视图1600，其中在宽度变化的条带1211中施加所述抗蚀剂，此处W=0.ld、0.5d及0.9d，即光栅周期d的10%、50%及80%。得到的主光栅1200具有变化的槽深度A/、A2’、A3’的图案。在复制主光栅时，所述副本将具有一系列对应的波纹幅度Ap A2、A3以及变化的腔宽度W。对于一定数目的为所述光栅的子区域1601、1602或1603的部分的槽，腔宽度是恒定的。一个有利的方法中，由此创建具有不同腔宽度的区域的光栅150。可以用诸如要针对其对光栅150进行优化的特定波长的激光等扫描光束扫描所述可变腔宽度表面，例如第一射入区域1601，然后是1602，然后是1603。可以例如通过放置在成像平面中的传感器来测量不同区域的效率。例如可以利用如图3所示的光谱仪的设置，由此侧向地(即在平行于所述光栅表面的方向上)扫描所述光栅。优选入射光光束足够狭窄，使得仅照亮具特定腔宽度的子区域。
[0137]通过这种方式，可使用测试光栅来实验地优化腔宽度W，以获得希望的(例如最优的)效率。一旦确立最优腔宽度，则可以产生具有该特定腔宽度的第二光栅。
[0138]所示范围和/或步长是示意性的，实际中可以系统地(例如以5%步长在10% - 90%的腔宽度之间)进行选择。还可以迭代所述过程，例如首先通过粗略扫描(例如使用10%间距)确立对最优效率腔宽度的粗略估计，并在于所述粗略扫描中找到最高效率的区域中以1%间距进行重复。
[0139]以上从而说明，光栅的衍射效率可以作为腔宽度的函数被优化，其中所述光栅的剖面轮廓包括渐窄结构，且渐窄结构之间形成腔底部。一个优点是，可以独立于所述光栅周期并使用方便的蚀刻技术进行该优化。类似地说明如何通过控制条带1211的宽度W来控制波纹幅度H
[0140]提供以下图17-图21中示例，用以非限制性地说明以上展示的原理(可以通过调节诸如图12-图16中所示的V形槽或脊部剖面轮廓的腔宽度来获得希望的光栅效率)的广泛应用。
[0141]图17示出了对m=l衍射级中效率的模拟。亮色对应于较高的效率，暗色对应于较低的效率。除了规则的效率剖面轮廓，本发明人还注意到表面等离子体效应引起的一系列狭窄的共振。具体观察到，对于以箭头1701标示的约380THZ的特定频率，表面等离子体的存在会导致光栅的效率降低。例如如果入射光的能量被耦合到光栅中的表面等离子体上(其中所述能量被耗散在所述光栅表面上或折射到其它方向上)，则可以发生这样的效率降低。然而令人惊讶的是，在所述表面等离子体共振的另一衍射级(以箭头1702标示)，所述光栅效率实际有所提高。对于本示例，这是第三级等离子体共振。在其它实施例中，所述效率提高则可发生在其它级。在特别有利的实施例中，例如对于点1703的频率以及光栅幅度，所述等尚子体共振的提闻的效率可以与腔宽度调节引起的整体效率提闻相结合。
[0142]图18示出了用于C02探测卫星的非利特罗浸没光栅的示例，所述示例具有以下特征:
[0143]-波长范围1590nm - 1675nm，
[0144]-线密度4801/mm，[0145]-衍射级-7
[0146]-入射角47。
[0147]-现宽度250nm - 950nm
[0148]-铝涂层
[0149]-介质硅
[0150]曲线2101中可以观察到，例如对于600nm的坝宽度达到最优整体效率。
[0151]注意该示例涉及浸没光栅，即入射光自内部打到所述光栅上的光栅。这是可能的，因为硅对于所给定的波长范围而言是透明的。从而注意上述变化腔宽度的原理同样适用于浸没光栅，其中自所述光栅外部看来，所述细长突出结构实际上是槽。此处所述腔在硅材料内部形成，且所述腔底面由坝顶部形成。所述坝宽度从而对应于腔宽度。注意尽管本示例施中施加了一层铝，但(例如在基板材料界面，此处为硅，已经提供了反射界面的情况下)并不总是需要向光栅基板施加反射层。
[0152]曲线2102示出了对于600nm的坝宽度的作为波长的函数的光栅效率。其显示给定频率范围的每个地方的非偏振效率>60%。偏振从1675nm处的2%到1590nm处的24%。此外计算出角色散从53.7°至63.0°。
[0153]图19示出了用于C02探测卫星的非利特罗浸没光栅(non-Littrow immersiongrating)的另一示例，具有以下特征:
[0154]-波长范围1590nm - 1675nm
[0155]-线密度25001/mm
[0156]-衍射级-1
[0157]-入射角40。
[0158]-现宽度Onm - 350nm
[0159]-出射圆锥30。-34。
[0160]-铝涂层
[0161]-介质硅
[0162]曲线2201示出了作为坝宽度(即，腔宽度)的函数的光栅效率。曲线2201中可以观察到，尽管横向电场(TE)效率随坝宽度增加而下降，但横向磁场(TM)效率在130nm附近具有最大值。整体平均(avg)效率在约140nm的坝宽度处最高。可以用图5中描述的影子效应(即因为更多光直接地打到光栅底部并简单地以零衍射级被反射)来解释TE效率降低的效应。另一方面TM效率有提高，则可能是因为腔形状以及尺寸提供了对穿透更深的TM辐射的共振(金属线栅效应)，且该共振(例如通过前述局域场振幅的机制)提供了提高的效率。最后，由于坝宽度进一步增加，即>130nm，(可能归因于图5的竞争影子效应，)TM辐射的效率也下降。
[0163]曲线2202示出了针对最优坝宽度(140nm)的作为波长的函数的光栅效率。观察到在整个波长范围内，整体光栅效率>75%，而偏振效应(即TE效率和TM效率之间的差值)保持在约在6%到13%之间。这样的低偏振光栅的优点是使得引入到光学系统中的不希望的偏振异常最小。
[0164]图20示出了用于可见光波长范围的非利特罗正面光栅(对比浸没光栅)的示例，所述示例具有以下特征:[0165]-光栅周期500nm
[0166]-现宽度Onm - 300nm
[0167]-闪耀角54.74°
[0168]-入射角42。
[0169]-金属IOOnm 招(Palik 手册)
[0170]-树脂Resin_l-mkm_Vis-NIR_RG-Newport
[0171]-波长605nm
[0172]曲线2300示出了作为平坦谷底部宽度(B卩，腔宽度)的函数的光栅效率。注意以下兴趣点。对于Onm的宽度(箭头2301)，获得了最大偏振的光栅。对于130nm的宽度(箭头2302)，获得几乎非偏振的光栅。对于170nm的宽度(箭头2303)，获得最大整体效率(对于当前剖面轮廓以及设定可以通过变化腔宽度获得最大整体效率)。对于ISOnm的宽度(箭头2304)，获得偏振(TM)光的最大效率。注意该偏振效率高于整体效率。
[0173]图21示出了具有以下特征的利特罗光栅:
[0174]-光栅周期500nm
[0175]-坝宽度175nm
[0176]-闪耀角54.74°
[0177]-入射角:可变(依赖于波长)
[0178]-金属IOOnm 金(Palik 手册)
[0179]-树脂Resin_l-mkm_Vis-NIR_RG-Newport
[0180]-波长200_980nm
[0181]曲线2400示出了所述光栅在较宽波长范围2401内对于TM光具有>95%的非常高的效率。所示特征使所述光栅非常适于用作例如如图4所示激光腔中频率选择的背反射器。具体地，通过旋转所述光栅，可以选择提供的范围内的各种波长。适合的激光器可例如为(TM)偏振T1:宝石激光器(也称为T1:A1203激光器、钛-宝石激光器，或简单地称为Ti:sapph)。另一个有利的实施例中，例如在Rb D2线1=780.2nm处在原子钟的激光腔中使用例如如图21中公开的利特罗光栅。所述光栅从而用于稳定波长。
[0182]图22示出了衍射光栅150的另一个实施例的剖面轮廓的侧视图。所述光栅具有周期d=500nm以及约70.6度的顶角α。所述光栅可适用于操作于300nm波长范围中。所述光栅包括闪耀角0b=19.4度。支撑壁602具有角0b*=9O度。优选入射角0i=3度。这使得在衍射级-1中衍射角9d=-34度。根据希望的衍射效率计算针对该构形的波纹幅度A以及底面宽度W。所述实施例中，A、W在130nm近似相等。所述实施例中，支撑壁602处在影子中，但是，底部平面220are几乎完全被照亮。令人惊讶的是这不一定对所述效率产生不利影响。
[0183]如上所述，可以通过复制主光栅来制造光栅，其中通过对沿〈112〉晶面切割的硅晶圆进行各向异性蚀刻来制造所述主光栅。腔底部220对应于沿其切割主光栅的〈112〉晶面。平坦界面601、602对应于主光栅的〈111〉晶面。
[0184]在各向异性蚀刻前，可以(例如使用上述SCIL技术)向所述硅晶圆施加抗蚀剂材料的条带。使用抗蚀剂图案的宽度确定主光栅的V-槽之间的坝宽度。所述条带可约为130nm宽，余下相邻条带之间的暴露部分约为370nm。通过各向异性蚀刻在所述暴露部分上蚀刻所述槽。当所述槽到达V底部处的点时，各向异性蚀刻工艺的性质使得所述蚀刻工艺可以自动停止或至少显著减缓。从而由所述条带的宽度确定所述坝的深度A以及宽度W。复制所述主光栅后，所述坝成为底面220。要理解底部平面220的宽度W可以影响光栅150的效率以及偏振性能。因此优选很好地控制宽度W的均匀性。
[0185]图23示出了测得的作为等离子体蚀刻时间Tp (以秒为单位)的函数的抗蚀线宽度(以纳米为单位)的降低Rw的曲线。大致可辨别出三个斜率:
[0186]SLl:0-125s在光致抗蚀剂以及底部防反射涂层中蚀刻；
[0187]SL2:125-300s仅在光致抗蚀剂中蚀刻；以及
[0188]SL3:300-400s仅在底部防反射涂层中蚀刻。
[0189]使用该蚀刻方法可以精确地控制所述光栅的线宽度。这允许精确调节例如所述光栅的偏振效率。
[0190]相应地，在根据第一方面的方法的另一个实施例中，使用反应离子蚀刻(RIE)缩小所述抗蚀线(即平行条带的图案)的宽度。RIE技术可以提供对所述抗蚀剂条带的线宽度的进一步控制。RIE可以与SCIL结合使用，以进一步改善所述条带的均勻性和/或一致度。
[0191]图24示出了用于制造根据以上(例如参考图12的)实施方式的主光栅1200的方法的具体实施例。
[0192]步骤SI中，将硅盘2351 (即所述晶圆)抛光到X/50rms平坦度。步骤S2中，使用低压化学气相沉积(LPCVD)沉积IOOnm的氮化硅层2352。依赖于所述光栅周期，可优选使用UV光刻或压印光刻。
[0193]对于大于I微米的光栅周期，步骤S3中，使用自旋涂层添加光致抗蚀剂层2353。步骤S4中，使用UV光刻使光致抗蚀剂2353’图案化。步骤S5中，通过等离子体蚀刻将所述图案转移到氮化硅层2352’中。步骤S6中，移除光致抗蚀剂2352’，余下所述图案化氮化硅层2352’。步骤S7中，使用KOH各向异性地蚀刻所述硅盘。步骤S8中，在HF中移除氮化硅掩膜2353，且可选地自所述硅盘中切去光栅1200。
[0194]对于小于I微米的光栅周期，步骤S3中，使用自旋涂层施加溶胶-凝胶层(Solgel)0步骤S4中，使用压印光刻(SCIL)进行图案化。步骤S5中，通过等离子体蚀刻将所述图案转移到氮化硅层2352’中。在可选步骤S6中，移除其余的溶胶-凝胶层2352’，余下所述图案化氮化硅层2352’。从而获得主光栅1200。
[0195]可选地，例如图12中所示，将可模压材料施加于主光栅1200以及自所述主光栅分离从而获得复制光栅。可选地，向主光栅1200和/或所述复制光栅施加反射涂层。虽然展示的是获得对称槽/脊部图案的过程，但也可以通过(例如如图22中所示)相对于所述晶面倾斜所述硅盘的切割角度而获得非对称槽/脊部。要理解可以由所述抗蚀剂图案的宽度使用具有各向异性蚀刻速率(即所述晶体的不同方向上的不同速率)的蚀刻剂(例如如图12以及图16中所示)来确定所述主光栅和/或所述复制光栅的波纹幅度。可根据针对希望的衍射效率进行的计算来确定所述波纹幅度。
[0196]讨论和示出的所述实施例的各个要素的优点在于提供改善的衍射光栅效率和/或用于创建这样的光栅的方法等。本发明中，根据希望的衍射效率例如通过K’(h_akvR.|及其它模拟程序通过在数值计算中变化腔宽度W和/或波纹幅度A来预设所述衍射效率。从而可以通过将腔宽度设定在例如在0.1至0.9倍光栅周期d之间的范围内，而根据希望的衍射效率，针对所公开的渐窄结构来数值地控制入射光的衍射效率，这样的腔宽度W在使用中将使入射光在以腔底面220为界的共振腔225中形成能量流场，该电磁场构形可以作为腔宽度W的函数进行计算。
[0197]例如，PCGrate?-S (x)v.6.432/64位针对下述类型的1-D反射以及透射缓解及相位光栅(全息、刻划等)以及1-D和2-D光子(photonic)晶体来计算衍射效率以及近区衍射场针:所述光栅晶体具有(有不同边界或有沿所述光栅周期的非均匀的竖直厚度的)任意形状多层、可变槽深度和/或空间、凹陷及凸起、圆锥形支架，被非平面波辐射，处于一般偏振状态，具有各种周期性层及随机层的粗糙度，并处于超宽光谱范围中。用于分析衍射光栅效率的严格的边界积分方程方法可以扩展到任何非周期性结构以及非函数边界剖面轮廓的情况。包括用于(尤其以高斯相关函数)生成随机粗糙的工具，以便能增加边界剖面轮廓的一面(部分)上的微观粗糙度。可以根据所公开的在各向异性蚀刻工艺中控制抗蚀剂材料的线宽度的方法来实现具有希望的腔宽度W和/或波纹幅度A的衍射光栅。
[0198]当然，要理解任一上述实施例或过程都可以与一个或更多个其它实施例或过程相结合，以便在发现和匹配设计和优点时进行更进一步的改善。理解该发明针对激光器以及光谱仪提供具体优点，且一般可以应用于任何关切光栅效率和/或杂散光的光学领域。
[0199]本文公开的方法的可能的应用可以是例如高效光栅的低成本和/或大批量生产。这样的大批量生产可以开启使用这样的光栅的新区域，例如电信用途、波长复用、例如用于确定涂料、家具、伤痕等的颜色的用户装置。此外，任何能得益于更低的杂散光以及更高的信号的应用原则上均能得益于此类光栅。这包括用于激光腔中以调节到特定波长的应用。
[0200]使用如本文公开的光栅，针对特定偏振状态的效率可以达到90%或更高。这意味着所有偏振依赖的系统都能得益于该光栅。例如，激光器系统可以典型地使用偏振光，但也可以偏振散射光。其它应用可以包括使用光谱偏振测量系统确定气雾剂(aerosol)浓度的测量方法，该应用能极大地得益于此类光栅。另一示例中，可将对偏振不敏感的高效光栅应用于例如如图1所示基于空间的分光镜(spectroscope)。
[0201]替换地，也可以通过偏振光栅高效地衍射非偏振光，例如首先将所述非偏振光分裂为二个互补的偏振状态，并将具有不同偏振状态的二个光束饲入分别对于对应的偏振而言具有最优化的光栅的两个分光计(spectrometer)。替换地,可以(例如使用波片或半波片)将分裂后的一个偏振旋转为与另一偏振相同。然后可将(因此具有相同偏振的)二光束重新结合到同一分光计中，并且/或者被同一光栅衍射。
[0202]最后，以上所述用于说明本系统，不应理解为将所附权利要求限制为任何特定实施例或实施例组。从而，虽然参考其中【具体实施方式】具体详细描述了本系统，应理解本领域技术人员可以设计许多变型以及替换的实施例而不背离如所附权利要求所述的更宽以及所意图的本系统的精神以及范围。相应地说明书以及附图应视为示意性的，并不欲限制所附权利要求范围。
[0203]在解释所附权利要求时，应理解词语〃包括〃不排除给定权利要求中所列出的元件或动作之外的其它元件或动作的存在;要素前的“一”不排除多个这样的要素的存在;权利要求中任何附图标记均不限制其范围；相同或不同项或实施的结构或功能可以代表若干方式；除非明确做出特别说明，任何所公开的装置或其部分都可以结合在一起或进一步分成各部分；除非明确说明，不要求有动作或步骤的具体次序；除非明确标示，不要求有元件的具体次序。
【权利要求】
1.一种制造主光栅(1200)的方法，所述主光栅用于衍射以特定入射角(0i)射入所述主光栅(1200)或所述主光栅(1200)的复制光栅(150)的特定波长(λ )的光，所述主光栅(1200)包括沿所述主光栅(1200)的平面(200’)平行伸展的槽(1210)阵列，所述槽(1210)被光栅周期(d)间隔开；所述槽(1210)包括具有平坦界面(601’、602’)的三角形剖面轮廓，其中所述界面中的一个界面(601’)形成相对于所述平面(200’)的闪耀角(0b);所述方法包括: -提供晶圆(1250)，所述晶圆包括大体上单晶的材料，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 )晶面以一夹角(α ’)彼此相交；沿晶圆表面(200’)切割所述晶圆(1250)，所述晶圆表面(200’)相对于所述第一晶面(Illa)的切割角度等于所述闪耀角(0b)； -以平行条带(1211)图案样式向所述晶圆表面(200’)的各部分施加抗蚀剂材料(1201)，所述条带(1211)的中心被所述光栅周期(d)间隔开，其中所述晶圆表面(200’)的暴露部分是形成在所述条带(1211)之间； -向所述晶圆表面(2 O O ’)施加各向异性蚀刻工艺(12 O 2 )，所述各向异性蚀刻工艺(1202)在所述第三晶面(10 0)的法线方向上比在所述第一晶面和第二晶面(111a、Illb)的法线方向上蚀刻得更快，以在所述暴露部分处形成所述槽(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，所述方法进一步包括: -对于给定的所述光栅周期(d)以及闪耀角(0b)，将所述槽(1210)相对于所述晶圆表面(200’)的波纹幅度(A)作为所述光的期望衍射效率(η )的函数来进行计算；以及 在施加所述抗蚀剂材料(1201)时，对所述条带(1211)的线宽度(W)进行控制，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’)自相邻条带的暴露边缘延伸入所述晶圆表面(200’)，并在等于所计算的波纹幅度(A)的深度处以所述夹角(α ’)彼此相交。
2.—种制造复制光栅(150)的方法,包括: -根据权利要求1制造主光栅(1200)； -向所述主光栅(1200)施加可模压材料(1300)，以形成所述复制光栅(150)，其中所述复制光栅(150)包括脊部(210)阵列，所述脊部(210)阵列与所述主光栅(1200)的所述槽(1210)阵列互补；以及 -将所述复制光栅(150)自所述主光栅(1200)分离，其中 所述波纹幅度(A)是作为所述复制光栅(150)的所述期望衍射效率(η )的函数来进行计算的。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述单晶材料是硅。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括:向所述主光栅(1200)或复制光栅(250 )施加反射层。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述抗蚀剂材料(1201)的所述条带是使用压印光刻技术提供在所述晶圆上的。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在施加所述各向异性蚀刻工艺之前，使用反应离子蚀刻来缩小所述条带的所述宽度(W)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中根据期望衍射效率来设定所述波纹幅度(A)，所述期望衍射效率是作为所述波纹幅度(A)的函数的最大可实现的衍射效率(^ max ) ?
8.据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中根据期望衍射效率来设定所述波纹幅度(A)，其中所述入射光的TE偏振状态以及TM偏振状态具有作为所述波纹幅度(A)的函数的衍射效率的最大可实现的差值。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中根据期望衍射效率来设定所述波纹幅度(A)，其中所述入射光的TE偏振状态以及TM偏振状态的衍射效率相等。
10.通过根据前述权利要求中任一项所述的方法而获得的光栅(1200、150)，所述光栅(1200、150)设置用于衍射以特定入射角(Θ i)射入所述光栅(1200、150)的特定波长(入)的光，所述光栅(1200、150)包括沿所述光栅(1200、150)的平面平行伸展的槽(1210)或脊部(210)阵列，所述槽(1210)或脊部(210)被光栅周期(d)间隔开；所述槽(1210)或脊部(210)包括具有平坦界面(601’、602’、601、602)的三角形剖面轮廓，其中所述界面中的一个界面(601’、601)形成相对于所述平面(200’、200)的闪耀角(Θ b);其中 -所述槽或脊部的所述平坦界面包括顶角，其中所述平坦界面以对应于大体上单晶的材料的晶面(111a、Illb)的夹角的角度彼此相交； -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开；并且对于给定的所述光栅周期(d)以及闪耀角(0b)，所述槽(1210)或脊部(210)具有根据所述光的所述期望衍射效率(H)的、相对于所述平面的波纹幅度(A)。
11.根据权利要求10所述的光栅，其中所述平坦界面具有小于1.5纳米的均方根粗糙度系数(Rq)。`
12.根据权利要求10或11所述的光栅，其中所述顶角是在65度至75度之间的平面角。
13.一种光谱仪(300)，用于具有中心波长(λ。)的特定波长范围(Λ λ)内的光(LI)的谱分析，所述光谱仪(300))包括: -根据权利要求10至12中任一项所述的光栅(1200、150)； -第一导光器件(140)，设置用于将所述光(LI)导向所述光栅(150)，使得所述光(LI)以受控的入射角(Θ J射入所述光栅(150)； -第二导光器件(160)，设置用于将以非零衍射级(m)以频率依赖的衍射角(0d)被所述光栅衍射的光(L2)导向到所述光谱仪(130)的成像平面(170)上；以及 成像装置(350)，其包括传感器(355)，所述传感器(355)大体上放置在所述图像平面(170)内，以用于记录有角度色散的光的光谱图像。
14.根据权利要求13所述的光谱仪，其中所述闪耀角(0b)设定为(E12)使得所述入射光(LI)从所述脊部的所述平坦界面(601)镜面反射的反射光大体上与以所述非零衍射级(N)被所述光栅衍射的具有所述中心波长(Xci)的所述光(L2)重叠。
15.一种激光器(400)，包括: -光放大增益介质(420)； -光泵浦(410)，用于泵浦所述增益介质(420)； -输出耦合器(440)，包括半透明的背反射表面；以及 -根据权利要求10至12中任一项所述的光栅(150)，其中所述增益介质设置在由所述光栅(150)以及所述输出耦合器(440)形成的激光腔(450)的路径中，其中所 述光栅(150)设置为背反射腔反射镜，并且被所述增益介质(420)放大并被所述光栅(150)衍射的光大体上沿与射入所述光栅(150)的光相同的方向折回。
【文档编号】G02B5/18GK103765253SQ201280039162
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2012年6月7日 优先权日:2011年6月8日
【发明者】亨利·约翰尼斯·彼得勒斯·文克, H·菲瑟, 阿勒德特·希德·范·阿默荣恩 申请人:荷兰应用自然科学研究组织Tno, 荷兰太空研究所 Sron基金会