[发明专利]用于400-1000nm波段的单层梯形光栅结构及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于400‑1000nm波段的单层梯形光栅结构及其制备方法，解决了现有多层光栅结构选材复杂，加工工艺步骤多、误差大的问题。本发明包含光栅层和基底层；所述光栅层为单层梯形光栅结构；所述单层梯形光栅结构为单层光栅层的表面蚀刻出均布的若干横截面为梯形的光栅结构造型；所述基底层的材质为石英，形成石英基片；所述光栅层的材质采用氮化硅陶瓷，形成氮化硅层。

技术领域

本发明属于微纳器件设计技术领域，涉及一种用于400-1000nm波段的单层光栅结构及其制备方法。

背景技术

光栅(grating)指由大量平行狭缝构成的光学器件，也称衍射光栅。光栅将光分解为光谱利用的是多缝衍射原理。通常情况下，光栅是在特定的基片上刻出大量平行等间距的狭缝(刻线)构成，狭缝的形态、尺寸直接影响了光栅的光谱选通效应。光通过衍射光栅形成光谱是单缝衍射和多缝干涉共同作用的结果。

光栅的光谱选通作用使其可以用于高性能滤光片的制作。随着微纳制造技术的发展，利用电子束直写、纳米压印等手段，可以刻写线宽十纳米级、百纳米级的狭缝，这一突破使得在小面积单元上制作不同结构的光栅滤光片阵列成为了可能。光栅是光谱光栅滤光片阵列的基本组成单元。由光栅组成的光谱光栅滤光片阵列结构紧凑、轻小、不需要额外的驱动设备，是多光谱/超光谱成像领域的重要研究方向。设计具有新型结构的光栅单元是光谱光栅滤光片阵列发展的前提和基础。

亚波长波导光栅，光栅层可以近似的等效于折射率为光栅平均折射率的各向同性波导。此时，可以用等效波导理论进行分析。根据等效波导理论设计的传统光谱光栅往往具有多层结构，这类多层光栅在实际加工过程中，由于选材的多样和加工误差的存在，会导致理论光谱响应曲线与实际光谱曲线出现较大差异，使得设计的多层结构难以应用于实际生产。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种用于400-1000nm波段的单层梯形光栅结构及其制备方法，解决了现有多层光栅结构选材复杂，加工工艺步骤多、误差大的问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

用于400-1000nm波段的单层梯形光栅结构，其特征在于：包含光栅层和基底层；所述光栅层为单层梯形光栅结构；所述单层梯形光栅结构为单层光栅层的表面蚀刻出均布的若干横截面为梯形的光栅结构造型；

所述基底层的材质为石英，形成石英基片；所述光栅层的材质采用氮化硅陶瓷，形成氮化硅层。

作为本发明公开的光栅结构的一种优选实施方式：石英基片厚度为0.5mm，占空比0.6；氮化硅层厚度为210nm，氮化硅层刻蚀深度为50nm。

本发明还公开了用于400-1000nm波段的单层梯形光栅结构的制备方法，其特征在于：包含如下步骤：

(1)氮化硅薄膜的形成；采用PECVD方法制备氮化硅薄膜，在非平衡等离子体中，非平衡状态的电子由于质量小，在高频电场的作用之下，其平均温度会比分子、原子等其他离子高出1-2个数量级，在高温电子的作用下，反应腔体内的反应气体被离解、活化，并吸附在衬底表面进行化学反应，从而在基片上沉积出所期望的薄膜；

(2)氮化硅等离子体刻蚀：等离子体刻蚀是通过化学作用或者物理作用，或者化学和物理的共同作用来实现的；反应腔室内的CF₄，CH₃F，O₂气体通过辉光放电，产生包括离子、电子等活性物质的等离子体，这些等离子体扩散吸附到介质表面，与介质表面的原子产生化学反应，同时高能离子对介质表面进行物理冲击从而完成刻蚀，去除沉积的反应产物和聚合物，通过化学和物理的共同作用来完成对氮化硅层的刻蚀；

刻蚀氮化硅和二氧化硅的化学反应如下：