CN103457157B - 一种纳米激光器激光合束器件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种纳米激光器激光合束器件的制备方法，包括：曲面多层膜的制备；曲面多层膜的平坦化；曲面多层膜的减薄；涂覆、固化溶胶层；在溶胶层上沉积金属Ag层；反复涂覆溶胶层-沉积Ag层，最终得到这种纳米激光器激光合束器件。该纳米激光器激光合束器件利用人工材料结构实现对激光光束的定向耦合、传输，克服了单个纳米激光器激光功率有限的不足，进而实现多束激光的合束。

Description

一种纳米激光器激光合束器件的制备方法
技术领域
本发明涉及一种制备激光合束器件的方法，尤其涉及纳米激光器激光合束器件的制备方法。
背景技术
1960年第一台红宝石激光器的诞生是20世纪最重要的发明之一。半个多世纪以来，激光器正朝着更小体积、更快调制速度、更大功率、更高效率、更低成本等方向飞速发展。2001年，美国加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员在只有人类头发丝千分之一大小的纳米光导线上制造出世界上最小的激光器-氧化锌纳米激光器。这是纳米技术诞生以来的一项重大实际应用。这类纳米激光器在信息传输的光互连、生物探测、医疗、纳米光刻加工、数据存储等领域有着广泛的应用前景。
但目前报道的纳米激光器大多普遍存在损耗高、功率低等问题，使其在应用方面受到一定的限制。随着研究的深入，发现仅仅利用单一纳米激光器来实现高功率是非常困难的。因此，为了获得高功率的激光，采用激光合束的方法是一条较好且实用的途径。传统激光合束主要是基于物质对光的色散作用，并且多利用棱镜或者光栅的色散作用来实现激光合束的目的。而针对纳米激光器与新型人工材料结构的激光合束研究报道几乎没有。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对单个纳米激光器激光功率有限的不足，通过构建人工材料结构实现对激光的空间耦合、传输，进而实现多束激光的合束来提高纳米激光器的激光功率。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种纳米激光器激光合束器件的制备方法，利用多层膜减薄技术与涂覆多层膜技术制备纳米激光器激光合束器件的方法，包括下列步骤：
步骤（1）、在已制备得到的曲面沟槽上沉积多层膜，共沉积5-20组，每组由2层膜层组成，每层膜厚=15-30nm，所述多层膜总厚度为150-1200nm，其中金属Ag层和SiO2层交替沉积；
步骤（2）、在曲面多层膜上采用涂覆、固化的方法进行平坦化，控制平坦化之后的平面高低起伏<10nm，表面粗糙度RMS<2nm；
步骤（3）、对步骤（2）中得到平坦化之后的结构进行多层膜减薄（刻蚀）工艺，通过控制离子束刻蚀机的束流大小、入射角度、气体流量与基底温度等工艺条件，使减薄之后的曲面多层膜的深度<50nm；
步骤（4）、在步骤（3）中得到的减薄之后的曲面多层膜上涂布一层可固化的溶胶层，溶胶层在表面张力与重力的双重作用下会在曲面多层膜里形成弧面结构，经加热或紫外光照射处理后溶胶层固化；所述溶胶层的厚度为2nm至100nm；
步骤（5）、在步骤（4）中得到的溶胶层上沉积一层金属Ag膜层，所述金属Ag膜层的厚度为2nm至100nm；
步骤（6）、在步骤（5）中所沉积的金属Ag层上交替涂覆固化溶胶层和沉积Ag膜层，得到溶胶层和Ag层交替组成的多层弧面膜层，直到将凹槽填平，即制备得到这种纳米激光器激光合束器件。
所述步骤（1）中所制备的曲面多层膜可以通过磁控溅射镀膜、真空蒸发蒸镀、电子束蒸发镀膜，也可以采用混合方式镀膜。
所述步骤（2）中采用的平坦化材料可以为紫外光刻胶、压印胶也可以为PMMA等聚合物。
所述步骤（3）中打平工艺可以利用RIE、IBE或ICP来实现。刻蚀所选气体可以是SF6、CHF3或Ar。
所述步骤（4）中涂覆的溶胶层包括SOG或PMMA。
所述步骤（5）中沉积的金属Ag膜可以利用真空蒸发沉积也可以利用磁控溅射沉积。
所述步骤（6）中溶胶层与Ag层交替组成的多层弧面膜层的层数为1-20层。
本发明与现有技术相比所具有的优点是：
本发明可以克服现有单个纳米激光器激光功率有限的不足，通过构建人工材料结构实现对激光的空间耦合、传输，进而实现多束激光的合束来提高纳米激光器的激光功率，同时，所制备的纳米激光器激光合束器件具有结构紧凑、性能稳定、容易加工等特点，在一定程度拓展了现有激光合束技术应用范围。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为制备的曲面多层膜结构示意图；
图3为平坦化之后的结构示意图；
图4为减薄后的曲面多层膜结构示意图；
图5为涂覆一层溶胶层后的结构示意图；
图6为在溶胶层上沉积一层金属Ag层结构示意图；
图7为反复涂覆溶胶层-沉积Ag层得到的纳米激光器激光合束器件结构示意图；
图8为设计的激光合束器件对365nm激光的合束效果模拟光场分布图；
图9为设计纳米激光器激光合束器件的合束效果图；其中，X轴表示空间位置坐标。Y轴表示空间位置上的光强分布，合束后，光束的峰值半宽400nm。
图中：1为金属Ag，2为二氧化硅，3为平坦化层，4为固化溶胶层。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例本领域技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
实施例1，如图1所示，在径深200nm的曲面沟槽上制备纳米激光器激光合束器件，其具体实施步骤如下：
（1）在曲面沟槽上沉积曲面多层膜结构。利用磁控溅射沉积，交替沉积金属Ag和介质SiO2，其中金属Ag采用直流溅射沉积，直流功率120w；介质SiO2采用射频溅射沉积，沉积功率200w。每层膜厚为20nm。共沉积10组20层，总膜厚为400nm，如图2所示；1代表金属Ag；2代表二氧化硅。
（2）采用涂覆AZ-3100光刻胶的方式进行平坦化，转速4000rpm，旋涂时间40s，在120℃的热板上烘焙1h。胶厚为1000nm，如图3所示；3代表平坦化层。
（3）通过IBE刻蚀来减薄曲面多层膜。首先通过对平面多层膜与平坦化材料在不同的入射角与不同的离子束流条件下刻蚀速率的研究，得到刻蚀速率随入射角度与离子束流变化的分布曲线，筛选出刻蚀多层膜与平坦化材料速率相差最小或一致的工艺条件，然后利用IBE进行刻蚀。首先选择离子束流20mA，入射角度60°（基片的法线与离子束流的夹角），采用Ar气进行刻蚀。其中刻蚀5min进行一次光刻胶后烘5min，共刻蚀30min。减薄后的曲面沟槽深度为50nm，如图4所示。
（4）在步骤（3）中得到的减薄后的曲面多层膜，涂覆一层PMMA固化溶胶层。涂覆的固化溶胶层在表面张力与重力的作用下会在凹槽位置形成弧面，经120℃加热后PMMA溶胶层层固化，如图5所示；4代表固化溶胶层。
（5）在步骤（4）中得到的固化溶胶层上沉积一层金属Ag层，采用磁控溅射沉积的方式，沉积膜厚20nm，如图6所示。
（6）在步骤（5）中所镀的Ag膜上继续涂覆PMMA固化溶胶层，再沉积Ag层，共重复2次，就得到纳米激光器激光合束器件结构，如图7所示。
实施例2，在如图1所示，在径深250nm的曲面沟槽上制备纳米激光器激光合束器件，其具体实施步骤如下：
（1）在已制备得到的曲面沟槽上沉积曲面多层膜结构。利用蒸发镀膜方式沉积，交替沉积金属Ag和介质SiO2，其中金属Ag采用热蒸发沉积，；介质SiO2采用电子束蒸发沉积。每层膜厚为30nm。共沉积8组16层，总膜厚为480nm，如图2所示；1代表金属Ag；2代表二氧化硅。
（2）采用涂覆AR-P3120光刻胶溶胶层的方式进行平坦化，转速5000rpm，悬涂时间40s，在100℃的热板上烘焙1h。胶厚为600nm，如图3所示；3代表平坦化层。
（3）通过IBE刻蚀来减薄曲面多层膜。选择刻蚀多层膜与刻蚀平坦化材料速率相差不大或一致的工艺参数进行刻蚀。采用离子束流50mA，入射角度45°。其中刻蚀3min进行一次光刻胶后烘。后烘温度100℃，后烘3min，共刻蚀15min。减薄后的曲面沟槽深度为30-50nm，如图4所示。
（4）在步骤（3）中得到的减薄后的曲面多层膜，涂覆一层SOG固化溶胶层。涂覆的固化溶胶层在表面张力与重力的作用下会在凹槽位置形成弧面，经100℃加热后介质层固化，如图5所示；4代表固化溶胶层。
（5）在步骤（4）中得到的固化溶胶层上沉积一层金属Ag层，采用热蒸发沉积的方式，沉积膜厚20-30nm，如图6所示。
（6）在步骤（5）中所镀的Ag膜上继续涂覆AR-P3170固化溶胶层，再沉积Ag层，共反复重复3次，就得到纳米激光器激光合束器件结构，如图7所示。
实施例3，如图1所示，在径深300nm的曲面沟槽上制备纳米激光器激光合束器件，其具体实施步骤如下：
（1）在曲面沟槽上沉积曲面多层膜结构。利用磁控溅射沉积，交替沉积金属Ag和介质SiO2，其中金属Ag采用直流溅射沉积，直流功率120w；介质SiO2采用射频溅射沉积，沉积功率200w。每层膜厚为15nm。共沉积20组40层，总膜厚为600nm，如图2所示；1代表金属Ag；2代表二氧化硅。
（2）采用涂覆AR-P3170光刻胶的方式进行平坦化，转速2000rpm，旋涂时间40s，重复涂覆5次。在120℃的热板上烘焙1h。胶厚为600nm，如图3所示；3代表平坦化层。
（3）通过IBE刻蚀来减薄曲面多层膜。首先通过对平面多层膜与平坦化材料在不同的入射角与不同的离子束流条件下刻蚀速率的研究，得到刻蚀速率随入射角度与离子束流变化的分布曲线，筛选出刻蚀多层膜与平坦化材料速率相差一致的工艺条件，然后利用IBE进行刻蚀。首先选择离子束流40mA，入射角度75°（基片的法线与离子束流的夹角），采用Ar气进行刻蚀。其中刻蚀2min进行一次光刻胶后烘5min，共刻蚀20min。减薄后的曲面沟槽深度为30nm，如图4所示。
（4）在步骤（3）中得到的减薄后的曲面多层膜，涂覆一层PMMA固化溶胶层。涂覆的固化溶胶层在表面张力与重力的作用下会在凹槽位置形成弧面，经180℃加热后PMMA溶胶层层固化，如图5所示；4代表固化溶胶层。
（5）在步骤（4）中得到的固化溶胶层上沉积一层金属Ag层，采用磁控溅射沉积的方式，沉积膜厚15nm，如图6所示。
（6）在步骤（5）中所镀的Ag膜上继续涂覆PMMA固化溶胶层，再沉积Ag层，共重复3次，就得到纳米激光器激光合束器件结构，如图7所示；
实施例4，如图1所示，在径深200nm的曲面沟槽上制备纳米激光器激光合束器件，其具体实施步骤如下：
（1）在曲面沟槽上沉积曲面多层膜结构。利用蒸发沉积，交替沉积金属Ag和介质SiO2，其中金属Ag采用热蒸发的方式沉积；介质SiO2采用电子束蒸发沉积。每层膜厚为15nm。共沉积16组32层，总膜厚为480nm，如图2所示；1代表金属Ag；2代表二氧化硅。
（2）采用涂覆PMMA的方式进行平坦化，转速3000rpm，旋涂时间50s，重复涂覆7次。在120℃的热板上烘焙1h。胶厚为600nm，如图3所示；3代表平坦化层。
（3）通过IBE刻蚀来减薄曲面多层膜。首先通过对平面多层膜与平坦化材料在不同的入射角与不同的离子束流条件下刻蚀速率的研究，得到刻蚀速率随入射角度与离子束流变化的分布曲线，筛选出刻蚀多层膜与平坦化材料速率相差一致的工艺条件，然后利用IBE进行刻蚀。首先选择离子束流50mA，入射角度75°（基片的法线与离子束流的夹角），采用Ar气进行刻蚀。其中刻蚀1min进行一次光刻胶后烘5min，共刻蚀18min。减薄后的曲面沟槽深度为20nm，如图4所示。
（4）在步骤（3）中得到的减薄后的曲面多层膜，涂覆一层SOG固化溶胶层。涂覆的固化溶胶层在表面张力与重力的作用下会在凹槽位置形成弧面，经200℃加热后SOG溶胶层层固化，如图5所示；4代表固化溶胶层。
（5）在步骤（4）中得到的固化溶胶层上沉积一层金属Ag层，采用电子束蒸发沉积的方式，沉积膜厚15nm，如图6所示。
（6）在步骤（5）中所镀的Ag膜上继续涂覆SOG固化溶胶层，再沉积Ag层，共重复2次，就得到纳米激光器激光合束器件结构，如图7所示。
图9为设计纳米激光器激光合束器件的合束效果图；其中，X轴表示空间位置坐标。Y轴表示空间位置上的光强分布，合束后，光束的峰值半宽400nm。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (7)

1.一种纳米激光器激光合束器件的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤(1)、在已制备得到的曲面沟槽上沉积多层膜，共沉积5-20组，每组由2层膜层组成，每层膜厚＝15-30nm，所述多层膜总厚度为150-1200nm，其中Ag层和SiO2层交替沉积；
步骤(2)、在曲面多层膜上采用涂覆、固化的方法进行平坦化，控制平坦化之后的平面高低起伏<10nm，表面粗糙度RMS<2nm；
步骤(3)、对步骤(2)中得到平坦化之后的结构进行多层膜减薄刻蚀工艺，通过控制离子束刻蚀机的束流大小、入射角度、气体流量与基底温度工艺条件，使减薄之后的曲面多层膜的深度<50nm；
步骤(4)在步骤(3)中得到的减薄之后的曲面多层膜上涂布一层可固化的溶胶层，溶胶层在表面张力与重力的双重作用下会在曲面多层膜里形成弧面结构，经加热或紫外光照射处理后溶胶层固化，所述溶胶层的厚度为2nm至100nm；
步骤(5)在步骤(4)中得到的溶胶层上沉积一层金属Ag膜层，所述金属Ag膜层的厚度为2nm至100nm；
步骤(6)在步骤(5)中所沉积的金属Ag膜层上交替涂覆固化溶胶层和沉积Ag膜层，得到溶胶层和Ag层交替组成的多层弧面膜层，即制备得到这种纳米激光器激光合束器件。
2.根据权利要求1所述的一种纳米激光器激光合束器件的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中所制备的曲面多层膜可以通过磁控溅射镀膜、电子束蒸发镀膜，也可以采用混合方式镀膜。
3.根据权利要求1所述的一种纳米激光器激光合束器件的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中采用的平坦化材料可以为紫外光刻胶、压印胶也可以为PMMA聚合物。
4.根据权利要求1所述的一种纳米激光器激光合束器件的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中曲面多层膜的减薄工艺可以利用RIE、IBE或ICP来实现，刻蚀所选气体可以是SF6、CHF3或Ar。
5.根据权利要求1所述的一种纳米激光器激光合束器件的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中涂覆的溶胶层包括SOG或PMMA。
6.根据权利要求1所述的一种纳米激光器激光合束器件的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中沉积的金属Ag膜层可以利用真空蒸发沉积，也可以利用磁控溅射沉积。
7.根据权利要求1所述的一种纳米激光器激光合束器件的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)中溶胶层与Ag层交替组成的多层弧面膜层的层数为1-20层。
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