一种基于纳米压印的图形转移制备光栅的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光学薄膜微纳结构制备技术领域，具体涉及一种基于纳米压印的全新微纳图形转移制备光栅的方法。
【背景技术】
[0002]光栅是由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件，作为一种分光元件，广泛应用于光谱测量、光计算及光学信息处理等领域中。不仅是分析物质成分、探索宇宙奥秘的必用仪器，同时也推动了物理学、天文学、生物学等学科的协调发展。自从1819年夫琅和费制成世界上第一块光栅，光栅制造技术经历了几次大的改进，每次大的改进都依赖于技术上的进步和理论上的突破，当今光栅的发展趋势正朝着高衍射效率、大面积、新品种的方向发展，具有广阔的应用前景。
[0003]为了进一步优化光栅制备工艺，降低生产成本，简化制备流程，将光栅产品推广应用，人们在光栅制备方法和工艺进行了大量的研究。机械式刻划光栅为应用最早的衍射光栅，主要是利用装在光栅刻划机的金刚石等硬刀头，在事先镀好金属涂层的光栅毛坯表面做往复运动，刻成大量平行的、等距的、非常平直的刻槽。制备的光栅精度不高，光栅线密度较大，而且刻划机对环境要求非常高。利用单色激光的双光束干涉图样直接曝光涂有光刻胶的基片，再经腐蚀显影、定影和烘干程序后在真空系统中镀膜获得的全息光栅以其完全无鬼线、高信噪比、制作周期短、面型较特殊的光栅也能制作等优点被广泛应用于光栅制备。但在全息曝光过程中，来自光学元件表面的加工痕迹、折射率的不均一、透镜粘合界面等的杂散光也相干地叠加到主干涉光束中，曝光、显影后的光栅浮雕图形上相应叠加有不想要的结构图形等缺点也推动着光栅制备工艺的进一步发展。利用惰性气体电离后撞击材料表面产生的物理溅射效应制备的离子束刻蚀光栅集中了刻划光栅高衍射效率和全息光栅低杂散光、高信噪比、无鬼线的优点于一身。但由于离子束刻蚀过程中参与了多种物理和化学反应，因而转移到基底上的微结构图形是否符合期望值具有不确定性。
[0004]自1995年普林斯顿大学纳米中心主任StephenChou提出了纳米压印技术，纳米压印就以其独特的性能优势引起了国内外诸多学者的关注，广泛地应用于半导体加工和光电子器件加工等领域。纳米压印是一种基于胶的流动特性的直接机械接触式的图形复制技术。与传统的光刻技术相比，纳米压印的图形尺寸不受光学衍射极限的限制，只与模板精度有关，因此具有更高的分辨率，且成本低，重复性好，可控性强等一系列优点。对于纳米压印制作的光栅掩模的图形转移，目前还是以离子束刻蚀为主。由于工艺复杂，制备成本高且转移到基底上的微结构图形具有不确定性，因此探索一种新的基于纳米压印的微纳图形转移法制备光栅的方法非常具有意义。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是一种基于纳米压印的图形转移制备光栅的方法，该方法制备工艺简单，生产成本低。
[0006]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种基于纳米压印的图形转移制备光栅的方法，其特征在于包括有以下步骤:
1)基片上聚合物的涂布:在光滑洁净的基片上均匀的旋涂一层聚合物，放入烘箱中烘干备用；
2)压模模板的制备:将压模毛坯材料加工成所需光栅几何结构的压模模板；
3)压印过程:把涂敷聚合物的基片及压模模板安装到压印机的两个压印盘上，加热到聚合物玻璃态相变点温度附近时，加压(压力为4X106Pa)，使聚合物充满压模图案，然后进行冷却；当温度降到相变点附近时，将压模模板与基片分开；当温度降到室温时，将基片烘干后即得到聚合物掩模槽型；
4)微纳图形转移:直接利用电子束蒸发法将所需光栅脊材料填充进聚合物掩模槽型中，利用光控膜厚技术监控沉积厚度，再用有机溶剂溶解聚合物花纹，形成与掩模互补的光栅结构，得到基于纳米压印的图形转移制备的光栅。
[0007]按上述方案，步骤1)所述基片(纳米压印术制作纳米器件所用的基片)是各种光学玻璃或镀膜玻璃，与通常光刻工艺所用的类似，可以是Si片、光学玻璃、镀有介质或金属膜层的光学玻璃等。
[0008]按上述方案，步骤1)所述的聚合物为热压印材料(各种热压印光刻胶)，通常为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等中的一种。
[0009]按上述方案，步骤1)所述的聚合物旋涂厚度为300-450nm。
[0010]按上述方案，步骤2)所述的压模毛坯材料通常用S1、Si02、氮化硅、金刚石或熔融石英等。压模通常选择强度高、不易磨损、热变形小的材料作为压模材料。
[0011]按上述方案，步骤3)所述的聚合物玻璃态相变点温度附近通常是比相变点高‘Ο-ι 00°C ο
[0012]按上述方案，步骤4)所述的光栅脊材料为各种常用光栅层介质材料或金属材料，可为Si02、Hf02或其他介质材料，也可以是Au、Al等金属材料。
[0013]纳米压印术在压印时涉及到压模与基片表面聚合物薄膜的物理接触，在接触和分离过程中压模的变形和磨损就成了影响图案复制的严重问题，因此压模必需有足够的强度，并且在多次压印中保证其耐用性。压模通常用S1、Si02、氮化硅、金刚石等材料制成。这些材料具有很多优良的性质:压缩强度、大抗拉强度可以减少压模的变形和磨损;高热导率和低热膨胀系数，使得在加热过程中压模的热变形很小。另外，重复的压印制作会污染压模，需要用强酸和有机溶剂来清洁压模，这就要求制作压模的材料是抗腐蚀的惰性材料。
[0014]按上述方案，步骤4)所述的溶解聚合物的有机溶剂可以是二氯乙烷、氯仿、丙酮、冰醋酸、二氧六环、四氢呋喃等中的一种，视所采用的聚合物而定。
[0015]按上述方案，所述的微纳图形转移中，电子束蒸发沉积光栅脊材料的高度可以小于或等于聚合物掩模槽型高度，其沉积厚度可以根据所需光栅脊高度而定。经有机溶剂洗去聚合物光刻胶掩模后，需再次进行烘干处理，工艺条件和上述方案，步骤1)所述烘烤工艺一样，最后获得与掩模结构互补的光栅微纳结构图形。
[0016]本发明基本概念是将坚硬的压模毛坯加工成一个压模;然后在基片上旋涂一层聚合物薄膜，将其放入压印机加热、加压，然后降低温度到聚合物玻璃化温度以下，将压模与聚合物层相分离，形成光栅掩膜;最后再利用电子束蒸发光栅层材料的方法直接将所需光栅脊材料填充进掩模槽中，然后用有机溶剂溶解聚合物图形结构，形成与掩模结构互补的光栅结构。此微纳图形转移法省去了传统的纳米压印后的离子束刻蚀过程，简化了制作工艺，节约成本，具有光栅脊沉积高度可调节和重复性高的优点，为光栅制备提供新的可能。
[0017]本发明的有益效果是:优化光栅制备工艺，降低生产成本，省去了纳米压印后光栅掩模图形转移的离子束刻蚀，仅用电子束蒸发光栅脊材料填充掩模以获得所需光栅结构，为微纳图形转移提供了新方法，同时降低光栅制备成本，制备方法简单，易于工业化生产等优点。
【附图说明】
[0018]图1是本发明实施例步骤3)的纳米压印过程流程图。
[0019]图2是本发明实施例步骤4)微纳图形转移过程流程图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
[0021]实施例1
步骤1):取一上表面洁净光滑的基片作为旋涂聚合物光刻胶的基底，基片材料可以是K9玻璃或熔融石英，基片形状可以是圆片或方形片。本实施例使用的是直径为30mm的圆形K9玻璃作为基底，用丙酮在预涂聚合物面仔细擦拭三遍，待丙酮自然挥发干燥后，放入德国Karl Suss公司CT62型甩胶台中心。开启液压氮气吸住平台上的基片，向基片中心滴入3滴聚合物(PMMA)溶剂，设置转速为3500r/min，时间为30s，此设置下旋涂的聚合物薄膜厚度在350nm左右。合上旋转盖，开启旋转台。待用胶结束后取出基片，放入德国Heraeus公司的烘箱中进行烘干，设置烘箱温度为90°C，烘烤时间为30min，待烘干结束后取出旋涂好聚合物(PMMA)的K9基片。
[0022]步骤2):选取表面洁净光滑lOmmxlOmm的矩形熔融石英作为压模模板材料，用丙酮在预刻蚀光栅的表面仔细擦拭三遍，待丙酮自然挥发干燥后放入甩胶台，滴入3滴光刻胶溶剂，设置转速为3500r/min，时间为30s。待甩胶结束后取出熔融石英放入烘箱中烘干，设置烘箱温度为90°C，烘烤时间为30min。待烘干结束后取出旋涂好光刻胶的熔融石英，采用100keV高能量的电子束曝光，经显影干燥后放入JBX5000LS型电子束光刻机中进行刻蚀。根据所需槽型深度和占宽比要求设置相应工艺参数，待刻蚀完毕后取出样品放入有机溶剂丙酮中洗去表面残余光刻胶，烘干后得到压模模板。
[0023]步骤3):利用步骤1)制备的旋涂有聚合物(PMMA)的K9基片和步骤2)制备的压模模板进行纳米压印的压印过程。将旋涂后的基片及压模模板(图1中的模具)安装到压印机的两个压印盘上。压印的操作程序如图1所示。把所放基片及压模模板加热到聚合