一种新的制备介质膜光栅的思路

导读

    该论文是发表于2021年OE的一篇通过激光干涉光刻、纳米压印、原子层沉积和反应性离子束刻蚀相结合制备矩形多层介质光栅的文章，文章题目为《Rectangular multilayer dielectric gratings with broadband high diffraction efficiency and enhanced laser damage resistance》（具有宽带高衍射效率和增强抗激光损伤性能的矩形多层介质光栅）。作者从事关于高性能光学薄膜器件与系统研究工作。在这项工作中，首次实现了具有矩形HfO2光栅轮廓的宽带多层介质光栅（MDG）。首先，与其他梯形剖面相比，矩形光栅轮廓在光栅柱内表现出最低的电场强度（EFI）增强。其次，该蚀刻工艺没有在 HfO2的边缘产生纳米吸收缺陷，这是在传统的光栅制造过程中不可避免。该项成果为制备出大面积的高衍射效率及高损伤阈值的衍射光栅提供了新思路。

背景

    啁啾脉冲放大（CPA）技术的发明是超强超短激光器的一个重大突破。衍射光栅作为CPA压缩机中的关键光学元件，应满足在宽频带上有着高衍射效率（DE）和高激光诱发损伤阈值（LIDT）的要求。金属光栅首先被用作CPA激光系统中的衍射光栅，但金光栅材料的固有吸收损耗会大大限制光学性能和抗激光损伤能力。多层介质光栅（MDG）首先由Svakhin等人提出，由于介质材料的吸收损失可以忽略不计，因此可以增加激光的传输距离。经常使用的光栅材料是SiO2和HfO2，但制造矩形HfO2/ SiO2光栅是非常困难的。因此，如何制造矩形HfO2/ SiO2光栅是光栅刻蚀研究中的一个难点。

内容

    在传统的光栅加工工艺中，光栅形貌会随着刻蚀时间的增加而逐渐变化。采用激光干涉光刻、纳米压印、原子层沉积和反应性离子束刻蚀相结合的新型制造工艺，可以成功的制造出具有垂直矩形结构的宽带多层介质膜光栅。讨论了多层介质膜光栅的衍射效率以及电场强度分布。

    矩形多层介质膜光栅制备：通过激光干涉光刻，Cr掩模的剥离工艺和反应离子刻蚀（RIE）在最佳刻蚀条件下制备出大面积占空比大的矩形硅光栅模板，模板周期为502nm、占空比为0.73、侧壁近似垂直。Si光栅主模的高度为283nm，大于目标HfO2光栅的高度。在UV-NIL步骤中，使用PDMS作为对硅模板的软模，以提高压印过程的图案质量。然后，将PDMS模具通过UV-NIL压印到自旋涂覆在多层介质反射镜上的抗蚀剂(PMMA)中，得到与目标HfO2光栅结构相反的PMMA光栅结构。采用ALD技术沉积HfO2膜，然后用RIE去除表面的HfO2膜（CHF3与Ar）。最后，用O2等离子体去除残余PMMA，制备了矩形HfO2光栅结构。   

图 1结合激光干涉光刻、纳米压印、原子层沉积和反应离子束刻蚀的光栅制备工艺示意图

图2 矩形光栅形貌表征及衍射效率分析

评论

    通过激光干涉光刻、纳米压印、原子层沉积和反应离子束刻蚀的工艺来制造的矩形HfO2光栅，具有良好的高宽带衍射性能。同时，与其他梯形轮廓相比，矩形光栅轮廓在光栅柱内表现出最小的电场强度（EFI）增强；其次，该蚀刻工艺没有在电场强度峰值所在的HfO2光栅边缘产生纳米吸收缺陷，这在传统制造工艺中是不可避免的。但是利用激光干涉光刻、纳米压印、原子层沉积和反应性离子束刻蚀相结合的新型制造工艺仍然存在一些问题：首先，采用原子层沉积方法在PMMA上沉积HfO2时，随着沉积时间的增加，会在PMMA上方形成高低起伏的一层HfO2薄膜，如何把该膜层变得平整仍然是需要详细探究的一个问题。第二，在使用原子层沉积技术在多层介质膜中沉积HfO2时，HfO2与多层介质膜之间的粘附力是该加工工艺中存在的一个关键性技术问题，这将直接影响到制备完成的多层介质膜光栅的损伤阈值。所以这种技术路线需要实现大规模应用，还需要进一步研究原子层沉积过程中膜系平整度以及粘附力的问题。随着对加工工艺的改进，将有助于突破传统光栅刻蚀工艺制作中的局限性，制备出大面积的高垂直度的衍射光栅。