亞波長金屬光柵偏振器制備技術(shù)研究

楊江濤，王健安，王 銀，胡 嘯

（太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山西 太原030024）

0 引言

由兩條金屬線通過濺射的方式形成了一組窄縫，這組窄縫的距離小于入射光的波長，這就形成了亞波長金屬光柵偏振器，它的體積屬于納米級別，但其偏振性能卻非常好且容易集成，因此它被廣泛應(yīng)用于光通訊及液晶顯示屏的制造中。其中雙層金屬納米光柵偏振器屬于納米光柵偏振器件中的一種，由于其偏振效果更好得到人們的青睞。

納米壓印光刻技術(shù)在1995年首次由美國人提出[1]，是近20年才發(fā)展起來的新型的微細(xì)加工工藝，它是利用高分辨率的模板來復(fù)制加工微納結(jié)構(gòu)的一種新工藝，所以可以說這種技術(shù)首先建立在光刻技術(shù)上。第一個(gè)提出亞波長金屬光柵具有檢偏的偏振特性的是Hertz 教授[2-3]，隨后才相繼出現(xiàn)了有關(guān)亞波長金屬光柵相關(guān)理論及其制造方法。2005年，韓國LG 電子研究院利用周期140 nm 的硅基亞波長光柵作為壓印模板制作了單層金屬偏振光柵。2006年瑞士保羅謝爾研究所[4-5]在石英板上通過極紫外干涉光刻技術(shù)制備了周期為100 nm 的亞波長光柵。隨后幾年，美國密歇根大學(xué)[6-7]開發(fā)一種可以連續(xù)制備周期為200 nm 的亞波長結(jié)構(gòu)的亞波長光柵，利用電子束在光柵上方沉積一層金屬鋁，經(jīng)過測量其消光比為1000。這種壓印技術(shù)在當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是未來制備亞波長金屬光柵的有效方法[8]。但是隨著社會(huì)的快速發(fā)展，越來越多的曲面屏及可折疊屏成為了人們生活的主流[9-10]，這就讓人不得不往柔性偏振器上思考。但是，目前對柔性納米光柵偏振器的研究甚少。所以，通過對柔性納米光柵偏振器在結(jié)構(gòu)和制作工藝方面的研究，以制作出成本低、產(chǎn)出高的偏振器，這對柔性電子器件的工藝推進(jìn)起到了很大的支撐作用。

基于以上分析，本文在嚴(yán)格耦合波理論[11]的基礎(chǔ)上以復(fù)眼結(jié)構(gòu)中的偏振敏感單元為模仿對象，利用微加工工藝制備了一種可用于仿生的偏振光光電傳感器的偏振器。 該偏振器是以柔性材料 PC（Polycarbonate）作為基底利用納米壓印和磁控濺射技術(shù)制作而成的柔性雙層金屬光柵偏振器，并對制作的偏振器利用光譜測試系統(tǒng)進(jìn)行偏振特性測試。

1 實(shí)驗(yàn)

圖1 為PC 上制作的偏振器的模型圖，將入射光中垂直和平行與于電場方向的光分別稱為TM 偏振光和TE 偏振光。當(dāng)TM 偏振光照射在偏振器上時(shí)，由于電子振蕩通過柵線方向時(shí)會(huì)受到阻礙，此時(shí)的光柵層就如同介質(zhì)層可使TM 光透過。電子會(huì)在TE 光入射時(shí)以自由振蕩的形式出現(xiàn)，導(dǎo)致TE 光反射。

1.1 模板介紹

模板對于納米壓印相當(dāng)重要，因此選擇上海納騰公司提供的模板，模板的周期是278 nm，線寬是139 nm，高度100 nm，模板的掃描電子顯微鏡圖如圖2所示。模板防粘使用了來自Sigma-Aldrich 公司的Trichloro (1H，1H，2H，2H-heptadecafluorodecyl)silane[12-13]。這種硅烷可以很好地與Si 或SiO2表面的OH 鍵結(jié)合形成含有C-F 功能基單分子層，這種分子層在襯底表面表現(xiàn)出了很好的抗粘性能。做過表面處理的Si 模版接觸角從30°增大為110°，如圖3所示，表現(xiàn)出較好的疏水性能，將有利于壓印時(shí)脫模。

圖1 金屬光柵偏振示意圖Fig.1 Schematic of metal grating

圖2 模板的SEM 圖Fig.2 Scanning electron microscope (SEM) image of nanoimprint template

1.2 雙層金屬納米光柵偏振片的制作

在介質(zhì)光柵的頂端和底端都沉積一層金屬層的光柵稱之為雙層金屬光柵。包含雙層金屬光柵的偏振器的制作只需在光柵上鍍一次鋁膜，比單層或包裹型金屬光柵不僅降低了制作工藝難度，而且偏振和濾波效果更佳。①選擇鋁作為偏振器的金屬層，是因?yàn)殇X可以實(shí)現(xiàn)可見光波段的最優(yōu)偏振特性；②0.5 的占空比在同一波段具有最大的透射率和最大的消光比，由于透射率與金屬的厚度成正比關(guān)系，但是，隨著金屬高度的增加，偏振器的消光比呈指數(shù)倍增大。但是，金屬線柵高度的增加又會(huì)增大加工難度。因此，綜合考慮，濺射金屬鋁的厚度為70 nm；③偏振器的消光比會(huì)因?yàn)榻饘俟鈻艑又g距離的逐漸增大呈周期性震蕩，根據(jù)文獻(xiàn)[14]中的仿真本文選擇金屬光柵層的距離是50 nm；④光柵的周期和PC 光柵高度是由模板決定的，目前的模板參數(shù)是周期278 nm，高度為100 nm[14]。

使用納米壓印的熱壓過程在柔性材料PC（聚碳酸酯）上壓印納米光柵。納米壓印技術(shù)最早由周郁教授提出的，它的優(yōu)點(diǎn)在于可完成納米結(jié)構(gòu)的制作[15-16]。將模板與含有壓印膠的基底緊密結(jié)合，等壓印結(jié)束后小心地將模板和基底分開，這樣就會(huì)在基底上形成模板上的圖案。圖4所示為壓印，脫模，和鋁沉積的雙層金屬線柵偏振器的制造過程的示意圖。本文使用的PC 基底材料的厚度為0.2 mm。PC 具備非常優(yōu)異的性能，包括高透光率、高折射率、高抗沖性、尺寸穩(wěn)定性及易加工成型等，因此PC 被廣泛應(yīng)用于光學(xué)器件的制備中。另外，其熱穩(wěn)定性好，成型溫度范圍寬，是作為壓印基底的一種理想材料。所使用的納米壓印儀（型號為NIL-150）是從中國上海納騰儀器有限公司引進(jìn)的最新微納結(jié)構(gòu)加工設(shè)備。

圖3 模板防粘Fig.3 Anti sticking of Si template

實(shí)驗(yàn)前需要將去掉保護(hù)膜的PC 基底材料裁剪為20 mm×20 mm 的正方形備用。但是剪切下來的PC片表面并不是很平整，會(huì)使其在壓印過程中不能和模板完全接觸，這就會(huì)影響應(yīng)力的分布在加壓和保壓的過程中不能使結(jié)構(gòu)完全地轉(zhuǎn)移到基底上。為了解決這個(gè)問題，如圖5所示在壓印的過程中在PC 基底下面又增加了一片 1 mm 厚的聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane：PDMS）柔性薄膜，因?yàn)镻DMS具有很好的柔韌性和高溫穩(wěn)定性，在高溫施壓的過程中可以很好地分散加載在硬質(zhì)模板上的應(yīng)力，同時(shí)對模板起到一個(gè)保護(hù)作用。

圖4 柔性雙層金屬光柵偏振器的制作工藝流程圖Fig.4 Manufacturing process flow chart of flexible double layer metal grating polarizer

圖5 在PC 基底壓印亞波長光柵Fig.5 Printing subwavelength grating on PC substrate

壓印參數(shù)為：真空度為0.07 MPa，壓力為0.65 MPa，壓印溫度為160℃，壓印時(shí)間設(shè)定為5 min。等壓印時(shí)間一到立馬開啟冷卻水進(jìn)行腔室的降溫，直到操作面板上的溫度顯示40℃時(shí)關(guān)閉壓力閥往里面充氮?dú)?，待室門自動(dòng)開啟后用鑷子取出樣品然后小心地將兩者分開，就可得到光柵結(jié)構(gòu)，實(shí)物圖和SEM 圖如圖6所示。

圖6 PC 光柵結(jié)構(gòu)的實(shí)物圖和SEM 圖Fig.6 Physical and SEM pictures of PC grating structure

最后，利用真空度為7×10－6Mbar 的磁控濺射在光柵結(jié)構(gòu)上表面濺射一層厚度為70 nm 的Al，加工參數(shù)如表1所示。

表1 柔性雙層金屬光柵偏振器的參數(shù)Table 1 Parameters of subwavelength metal grating polarizer

2 結(jié)果和討論

偏振器的性能由透過率和消光比決定，因此利用搭建的光譜測試系統(tǒng)對制造的金屬光柵偏振器進(jìn)行了透過率和消光比的測量[17]，光譜測試系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 光柵偏振特性測試裝置示意圖Fig.7 Schematic of laboratory measurement setup

利用氙氣燈發(fā)出的白光作為檢測光源，經(jīng)透鏡聚光后再經(jīng)過小孔光闌后作為點(diǎn)光源，非線偏光透過偏振片后形成線偏光。透過的偏振光直接垂直照射在光柵上，光柵后面放置愛萬提斯光纖光譜儀，利用光纖探頭測試透射光光譜。旋轉(zhuǎn)偏振片的相應(yīng)位置分別得到TE 和TM 偏振光的最大與最小透射強(qiáng)度。然后利用公式：

ER＝TTM/TTE

計(jì)算得到消光比，式中TTM、TTE分別表示TM 和TE 偏振光的透射率。

應(yīng)用嚴(yán)格耦合波理論對制造的柔性雙層金屬光柵偏振器進(jìn)行了TM 透射率及消光比的計(jì)算，由于一般只有TM 偏振光才能透過偏振器，而且計(jì)算消光比也已用到TE 偏振光的信息，所以文中不單獨(dú)對TE偏振光進(jìn)行分析。如圖8所示為本文制造的柔性雙層金屬光柵偏振器的性能測試圖，從圖上可以看出本文制造的偏振器在入射光波長范圍為350～800 nm 時(shí)的透過率可達(dá)48%，消光比可達(dá)100000，具有非常好的偏振效果，達(dá)到了用于偏振導(dǎo)航的需求。

圖8 柔性雙層金屬光柵偏振器的性能測試圖Fig.8 Performance test chart of flexible double layer metal grating polarizer

3 結(jié)論

利用納米壓印技術(shù)和磁控濺射在柔性材料上通過簡單的方法制作出了柔性雙層金屬光柵偏振器，并進(jìn)行了透過率和消光比的測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)入射光的波長在350～800 nm 之間，加工的偏振器性能優(yōu)良，透過率和消光比分別高達(dá)48%和100000，具有較好的偏振效果，達(dá)到了用于偏振導(dǎo)航的要求。制作的柔性雙層金屬光柵偏振器只涉及納米壓印和磁控濺射兩個(gè)工藝，并且不包括任何抗蝕劑旋涂、剝離和刻蝕工藝，制作過程是非常簡單的，適合大批量生產(chǎn)。本文制造的柔性雙層金屬光柵偏振器有望應(yīng)用到光學(xué)系統(tǒng)中，特別是在液晶顯示器領(lǐng)域。