[go: up one dir, main page]

RU2841334C1 - Method of saw-tooth type diffraction grating manufacturing - Google Patents

Method of saw-tooth type diffraction grating manufacturing Download PDF

Info

Publication number
RU2841334C1
RU2841334C1 RU2024117366A RU2024117366A RU2841334C1 RU 2841334 C1 RU2841334 C1 RU 2841334C1 RU 2024117366 A RU2024117366 A RU 2024117366A RU 2024117366 A RU2024117366 A RU 2024117366A RU 2841334 C1 RU2841334 C1 RU 2841334C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
chromium
grating
binary
sawtooth
sample
Prior art date
Application number
RU2024117366A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Степанович Соловьев
Сергей Дмитриевич Полетаев
Сергей Петрович Тимошенков
Андрей Сергеевич Тимошенков
Денис Васильевич Вертянов
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Application granted granted Critical
Publication of RU2841334C1 publication Critical patent/RU2841334C1/en

Links

Abstract

FIELD: optical instrument making.
SUBSTANCE: invention relates to optical instrument-making and a method of making a sawtooth diffraction grating. Method involves applying a layer of chromium onto the surface of a silicon substrate. Resist layer is deposited on the chrome, wherein a pattern of alternating parallel strips is illuminated with a laser, light or electron beam and then developed. Further, method comprises performing anisotropic chemical etching or plasma-chemical etching, accompanied by formation of a binary profile of relief, with protrusions. Chromium is sputtered onto the prepared sample of the binary grating in the sample swinging mode in the angle range from normal incidence of 90 degrees relative to sample to 30 degrees for formation of saw-tooth profile of chromium between projections of the binary grating. Further, the second anisotropic plasma-chemical etching is carried out, during which the initial binary grating is removed and a sawtooth grating remains. Then, vertical chromium filaments left after chromium sputtering in swinging mode are removed in cerium etchant solution, and a reflecting layer is sputtered.
EFFECT: improved quality of the grating and high efficiency of inputting radiation into the waveguide using a diffraction grating.
1 cl, 10 dwg

Description

Дифракционные решетки широко применяются в различных оптических устройствах: спектральных приборах для получения монохроматического света (монохроматоры, спектрофотометры и др.), в качестве оптических датчиков линейных и угловых перемещений, для поляризаторов и оптических фильтров и даже в так называемых антибликовых покрытиях. В настоящее время в связи с быстрым развитием фотоники дифракционные решетки стали широко применять в фотонных устройствах для ввода света в плоские волноводы. Эффективность ввода в плоские волноводы сильно зависит от формы дифракционной решетки. Форма решетки, которая дает максимальную дифракционную эффективность, - пилообразная. Поэтому была поставлена задача изготовить пилообразную дифрационную решетку.Diffraction gratings are widely used in various optical devices: spectral instruments for obtaining monochromatic light (monochromators, spectrophotometers, etc.), as optical sensors of linear and angular displacements, for polarizers and optical filters, and even in so-called anti-glare coatings. Currently, due to the rapid development of photonics, diffraction gratings have come to be widely used in photonic devices for inputting light into flat waveguides. The efficiency of input into flat waveguides depends heavily on the shape of the diffraction grating. The shape of the grating that provides the maximum diffraction efficiency is sawtooth. Therefore, the task was set to manufacture a sawtooth diffraction grating.

Изобретение относится к технологии изготовления оптических приборов, а точнее к способу изготовления дифракционной решетки как отражательного типа, так и решетки на пропускание при копировании на светопропускающие материалы.The invention relates to the technology of manufacturing optical devices, and more precisely to a method of manufacturing a diffraction grating of both a reflective type and a transmission grating when copying onto light-transmitting materials.

В патенте [1] описан способ изготовления дифракционной решетки. На стеклянную подложку в вакууме наносят слой металла (например, алюминия), затем с помощью делительной машины алмазным резцом формируют микропрофиль, состоящий из штрихов необходимой частоты с требуемым углом наклона рабочей грани.The patent [1] describes a method for producing a diffraction grating. A layer of metal (for example, aluminum) is applied to a glass substrate in a vacuum, then a microprofile is formed using a dividing machine with a diamond cutter, consisting of strokes of the required frequency with the required angle of inclination of the working face.

При этом на нерабочей грани образуется «навал». После чего для коррекции микропрофиля дифракционную решетку помещают в вакуумную камеру, где поверхностный микропрофиль подвергают направленному воздействию ионного потока инертного газа (например, аргона), в результате чего микропрофиль штрихов приобретает вид, соответствующий требуемому теоретическому треугольному. При этом повышается дифракционная эффективность, и снижается уровень паразитного мешающего излучения.In this case, a "piled-up" is formed on the non-working face. After that, to correct the microprofile, the diffraction grating is placed in a vacuum chamber, where the surface microprofile is subjected to the directed action of an ion flow of inert gas (for example, argon), as a result of which the microprofile of the lines acquires a form corresponding to the required theoretical triangular one. In this case, the diffraction efficiency increases, and the level of parasitic interfering radiation decreases.

Используется метод нарезных дифракционных решеток, заключающийся в формировании поверхностного треугольного микропрофиля штрихов алмазным резцом на специальной делительной машине в слое металла, чаще всего алюминия, напыленного в вакууме на стеклянную подложку. Способ позволяет изготавливать широкую номенклатуру дифракционных решеток с высокой дифракционной эффективностью с пространственной частотой до 2400 штрихов на миллиметр и с различным углом наклона рабочей грани (так называемый угол «блеска»), определяющим максимум спектральной характеристики. Недостатком этого способа является необходимость использования очень сложного, уникального и дорогого оборудования - делительной машины, которая алмазным резцом нарезает дифракционные решетки с пилообразным профилем. Механическая нарезка занимает очень много времени. В случае большой решетки алмаз к концу нарезки проходит путь до 10 км и больше. За это время он стирается, поэтому форма и глубина штриха в конце нарезки несколько отличаются от начальной. С этим связано заметное фокусирующее действие некоторых плоских решеток, которое, однако, не вызывает существенных неудобств при работе. Алмаз, режущий решетку по мягкому металлу, выдавливает его, создавая довольно сложный профиль штриха, который не всегда точно воспроизводится. Поэтому инструментальный контур и распределение энергии по порядкам не совсем точно совпадает с расчетным.The method of cut diffraction gratings is used, which consists in forming a surface triangular microprofile of lines with a diamond cutter on a special dividing machine in a layer of metal, most often aluminum, vacuum-sputtered onto a glass substrate. The method allows for the production of a wide range of diffraction gratings with high diffraction efficiency with a spatial frequency of up to 2400 lines per millimeter and with different angles of inclination of the working face (the so-called "shine" angle), which determines the maximum spectral characteristic. The disadvantage of this method is the need to use very complex, unique and expensive equipment - a dividing machine that cuts diffraction gratings with a sawtooth profile with a diamond cutter. Mechanical cutting takes a very long time. In the case of a large grating, the diamond travels up to 10 km or more by the end of the cut. During this time, it wears out, so the shape and depth of the line at the end of the cut are somewhat different from the initial one. This is due to the noticeable focusing effect of some flat gratings, which, however, does not cause significant inconveniences during operation. The diamond cutting the grating on soft metal squeezes it out, creating a rather complex profile of the stroke, which is not always accurately reproduced. Therefore, the instrumental contour and the distribution of energy by orders do not quite exactly coincide with the calculated one.

Принципиальным недостатком способа нарезки на делительной машине является отличие формы реализуемого микро профиля от теоретического треугольного за счет неизбежного образования так называемого «навала» на нерабочей грани штриха, являющегося причиной паразитного рассеянного излучения и снижения дифракционной эффективности, ухудшающих характеристики спектральных приборов. В патенте [1] коррекцию треугольного микро профиля штрихов производят путем удаления «навала» на нерабочей грани штриха путем направленного воздействия ионного потока инертного газа на поверхностный микро профиль, достигается существенное улучшение оптических характеристик дифракционных решеток.The fundamental disadvantage of the cutting method on a dividing machine is the difference in the shape of the realized micro profile from the theoretical triangular one due to the inevitable formation of the so-called "heap" on the non-working edge of the line, which is the cause of parasitic scattered radiation and a decrease in diffraction efficiency, worsening the characteristics of spectral devices. In the patent [1], the correction of the triangular micro profile of lines is carried out by removing the "heap" on the non-working edge of the line by the directed action of the ion flow of inert gas on the surface micro profile, a significant improvement in the optical characteristics of diffraction gratings is achieved.

К недостаткам данного способа относится то, что в итоге изготовление дифракционных решеток, приведенное патенте [1], сводится к коррекции качества нарезных дифракционных решеток и не имеет самостоятельного применения. Также этот способ не позволяет изменять геометрию нарезанных алмазом штрихов.The disadvantages of this method include the fact that the production of diffraction gratings, as described in the patent [1], ultimately comes down to correcting the quality of the cut diffraction gratings and has no independent application. Also, this method does not allow changing the geometry of the diamond-cut lines.

Известен способ [2]. Авторы этого способа также усовершенствуют способ изготовления дифракционных решеток, предложенный в патенте [1], по которому на полированную подложку из оптического стекла наносят слой пластичного материала и формируют в нем штрихи с помощью алмазного резца на делительной машине с системой интерференционного управления [3].A method is known [2]. The authors of this method also improve the method for producing diffraction gratings proposed in the patent [1], according to which a layer of plastic material is applied to a polished substrate made of optical glass and lines are formed in it using a diamond cutter on a dividing machine with an interference control system [3].

В результате получают оригинальную решетку-матрицу, которую используют для получения реплик дифракционных решеток. При таком способе изготовления нарезных дифракционных решеток заданная геометрия профиля штрихов определяется в основном формой используемого для этого алмазного резца, а также пластичными свойствами материала, в котором формируют штрихи. Основным недостатком известного способа является низкая дифракционная эффективность реплик дифракционных решеток, получаемых с матрицы решетки-эшелле, в спектральном диапазоне коротких длин волн, обусловленная тем, что угол «блеска», который определяет область максимальной дифракционной эффективности решетки, равен 63,5° при частоте штрихов типовых решеток-эшелле 300, 75 и 37,5 штр/мм [3]. Кроме того, в процессе формирования штрихов алмазным резцом неизбежно возникает «навал» над нерабочей гранью штриха, являющийся причиной паразитного рассеянного излучения. Для повышения дифракционной эффективности в указанном диапазоне нарезных дифракционных решеток необходимо увеличивать угол «блеска». Однако практический максимальный угол заточки алмазного резца правильной геометрии (угол наклона его рабочей грани примерно равен углу «блеска» решетки) не превышает 70°. Увеличение этого угла является очень сложной, трудоемкой и не всегда выполнимой задачей. Кроме того, форма профиля штрихов не является идеально треугольной. Практически задача повышения качества дифракционных решеток, предложенных в патенте [2], решается с помощью нарезки на делительной машине менее глубоких штрихов и травление приготовленной подложки в анизотропной плазме. Увеличение глубины штрихов происходит за счет разности скоростей травления нанесенного на подложку материала и собственно подложки, у которой скорость травления больше, чем у материала с нанесенными штрихами. Так что и в этом патенте необходимо использовать делительную машину, которая режет решетки на меньшую глубину и поэтому меньше изнашивается.As a result, an original matrix grating is obtained, which is used to obtain replicas of diffraction gratings. With this method of manufacturing cut diffraction gratings, the given geometry of the groove profile is determined mainly by the shape of the diamond cutter used for this, as well as the plastic properties of the material in which the grooves are formed. The main disadvantage of the known method is the low diffraction efficiency of replicas of diffraction gratings obtained from the matrix of the echelle grating in the spectral range of short wavelengths, due to the fact that the "shine" angle, which determines the region of maximum diffraction efficiency of the grating, is equal to 63.5° with a groove frequency of typical echelle gratings of 300, 75 and 37.5 lines/mm [3]. In addition, in the process of forming grooves with a diamond cutter, a "pillar" inevitably occurs over the non-working edge of the groove, which is the cause of parasitic scattered radiation. To increase the diffraction efficiency in the specified range of cut diffraction gratings, it is necessary to increase the "shine" angle. However, the practical maximum sharpening angle of a diamond cutter of the correct geometry (the angle of inclination of its working edge is approximately equal to the "shine" angle of the grating) does not exceed 70°. Increasing this angle is a very complex, labor-intensive and not always feasible task. In addition, the shape of the groove profile is not ideally triangular. In practice, the problem of improving the quality of the diffraction gratings proposed in the patent [2] is solved by cutting shallower grooves on a dividing machine and etching the prepared substrate in anisotropic plasma. The increase in the groove depth occurs due to the difference in the etching rates of the material applied to the substrate and the substrate itself, which has a higher etching rate than the material with the applied grooves. So, in this patent, it is also necessary to use a dividing machine that cuts the gratings to a smaller depth and therefore wears out less.

К недостаткам данного способа относится длительность, сложность и трудоемкость. Другим недостатком данного метода является использование сложного уникального технологического оборудования - делительной машины. Также этот способ не позволяет изменять геометрию нарезанных алмазом штрихов.The disadvantages of this method include duration, complexity and labor intensity. Another disadvantage of this method is the use of complex unique technological equipment - a dividing machine. Also, this method does not allow changing the geometry of the diamond-cut strokes.

В качестве прототипа выбран [4]. В этом методе формирования дифракционной решетки обходятся без делительной машины, которая алмазным резцом нарезает линии. Способ изготовления дифракционной решетки заключается в том, что на поверхности подложки монокристаллического кремния (111) с углом разориентации α формируют защитную маску, через которую осуществляют анизотропное химическое травление в растворе калия гидроксида, сопровождающееся образованием профиля с наклонной плоскостью канавки с углом наклона α и выступом на гребне треугольного профиля, удаляют защитную маску, удаляют выступы кремния и наносят отражающее покрытие. Для формирования защитной маски на поверхность подложки наносят слой резиста, в котором лазерным или электронным лучом засвечивают, а затем проявляют обработкой водным раствором тетраметиламмония гидроксида или калия гидроксида рисунок чередующихся параллельных полос; на всю поверхность подложки наносят слой хрома; формируют защитную маску методом взрывной литографии, удаляя полосы фоторезиста, с нанесенным слоем хрома в органическом растворителе, после чего осуществляют анизотропное химическое травление в растворе калия гидроксида, сопровождающееся образованием профиля с наклонной плоскостью канавки с углом наклона а и выступом на гребне профиля, удаляют защитную маску хрома травлением в цериевом травителе, удаляют выступы анизотропным химическим травлением.[4] was chosen as a prototype. This method for forming a diffraction grating does not require a dividing machine, which cuts lines with a diamond cutter. The method for producing a diffraction grating consists of forming a protective mask on the surface of a monocrystalline silicon substrate (111) with a misorientation angle α, through which anisotropic chemical etching is carried out in a potassium hydroxide solution, accompanied by the formation of a profile with an inclined groove plane with an inclination angle α and a protrusion on the ridge of a triangular profile, removing the protective mask, removing the silicon protrusions and applying a reflective coating. To form a protective mask, a resist layer is applied to the surface of the substrate, in which a laser or electron beam is used to expose and then develop a pattern of alternating parallel stripes by treating with an aqueous solution of tetramethylammonium hydroxide or potassium hydroxide; a chromium layer is applied to the entire surface of the substrate; a protective mask is formed by lift-off lithography, removing stripes of photoresist with a layer of chromium applied in an organic solvent, after which anisotropic chemical etching is carried out in a solution of potassium hydroxide, accompanied by the formation of a profile with an inclined plane of a groove with an inclination angle a and a protrusion on the ridge of the profile, the protective mask of chromium is removed by etching in a cerium etchant, the protrusions are removed by anisotropic chemical etching.

Угол пилообразного наклона создается за счет кристаллографической разориентации на подложках кремния путем анизотропного травления в растворе КОН 20%. Угол наклона пилообразной решетки при этом менее 1 градуса.The sawtooth tilt angle is created by crystallographic misorientation on silicon substrates by anisotropic etching in a 20% KOH solution. The tilt angle of the sawtooth lattice is less than 1 degree.

К недостаткам данного способа относится привязка к кристаллографической разориентации подложек кремния, малый угол наклона штриха, невозможность сделать угол наклона, который будет необходим в различных приложениях. Угол наклона для некоторых приложений должен быть больше 45-60 градусов.The disadvantages of this method include binding to the crystallographic misorientation of silicon substrates, a small angle of inclination of the line, and the impossibility of making an angle of inclination that will be necessary in various applications. The angle of inclination for some applications should be greater than 45-60 degrees.

Задача изобретения состояла в увеличении эффективности ввода излучения в волновод.The objective of the invention was to increase the efficiency of radiation input into the waveguide.

Способ изготовления дифракционной решетки пилообразного типа, заключающийся в том, что на поверхность подложки кремния наносят слой хрома, на хром наносят слой резиста, в котором лазерным, световым или электронным лучом засвечивают, а затем проявляют обработкой водным раствором щелочи рисунок чередующихся параллельных полос, после чего осуществляют анизотропное химическое травление или плазмохимическое травление сопровождающееся образованием бинарного профиля рельефа, с выступами, далее на приготовленный образец бинарной решетки производится напыление хрома в режиме качания образца в диапазоне углов от нормального падения 90 градусов по отношению к образцу до 30 градусов, для образования пилообразного профиля хрома между выступами бинарной решетки, после чего проводится второе анизотропное плазмохимическое травление после которого образуется пилообразный профиль в подложке кремния между выступами, затем в растворе цериевого травителя убираются вертикальные нити хрома, оставшиеся на выступах после напыления хрома в режиме качения, и напыляется отражающий слой, отличающийся тем, что формирование профиля рельефа создается следующим образом:A method for producing a sawtooth-type diffraction grating, which consists in applying a chromium layer to the surface of a silicon substrate, applying a resist layer to the chromium, in which a pattern of alternating parallel stripes is exposed by a laser, light or electron beam, and then developed by treatment with an aqueous alkali solution, after which anisotropic chemical etching or plasma-chemical etching is carried out, accompanied by the formation of a binary relief profile with protrusions, then chromium is sprayed onto the prepared sample of the binary grating in the sample swing mode in the range of angles from normal incidence of 90 degrees with respect to the sample to 30 degrees, to form a sawtooth profile of chromium between the protrusions of the binary grating, after which a second anisotropic plasma-chemical etching is carried out, after which a sawtooth profile is formed in the silicon substrate between the protrusions, then vertical chromium threads remaining on the protrusions after chromium spraying in the mode are removed in a cerium etchant solution. rolling, and a reflective layer is sprayed, characterized in that the formation of the relief profile is created as follows:

- на приготовленный образец бинарной решетки производится напыление хрома в режиме качания образца в диапазоне углов от нормального падения 90 градусов по отношению к образцу до 30 градусов, для образования пилообразного профиля хрома между выступами бинарной решетки, после чего проводят второе анизотропное плазмохимическое травление, при котором убирается первоначальная бинарная решетка с выступами и остается пилообразная, после которого в растворе цериевого травителя убираются вертикальные нити хрома, оставшиеся после напыления хрома в режиме качания, и напыляется отражающий слой.- chromium is sprayed onto the prepared binary grating sample in the sample swing mode in the range of angles from normal incidence of 90 degrees relative to the sample to 30 degrees, to form a sawtooth profile of chromium between the protrusions of the binary grating, after which a second anisotropic plasma-chemical etching is carried out, during which the initial binary grating with protrusions is removed and a sawtooth remains, after which the vertical chromium threads remaining after chromium spraying in the swing mode are removed in a cerium etchant solution, and a reflective layer is sprayed.

Необходимо было ввести излучение в плоский волновод. Недостаток бинарных решеток при вводе излучения в волновод в том, что эффективность ввода всегда меньше 50 процентов в идеальном случае, и угол ввода излучения не может быть нормальным, т.е. составлять 90 градусов, что необходимо при вводе излучения с помощью вертикально-излучающего лазера VCSEL. Пилообразная решетка позволяет теоретически ввести 100 процентов излучения в идеальном случае при угле ввода излучения 90 градусов, как того требуют новые лазеры VCSEL.It was necessary to introduce radiation into a flat waveguide. The disadvantage of binary gratings when introducing radiation into a waveguide is that the efficiency of introduction is always less than 50 percent in the ideal case, and the angle of radiation introduction cannot be normal, i.e. 90 degrees, which is necessary when introducing radiation using a vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL). A sawtooth grating allows theoretically introducing 100 percent of radiation in the ideal case at an angle of radiation introduction of 90 degrees, as required by new VCSEL lasers.

Заявленный способ дифракционной решетки, которая может быть выполнена не только на кремниевой подложке, а на любой другой независимо от кристаллической структуры материал, был реализован для решения задачи ввода излучения в плоские волноводы для реализации фотонных схем обработки информации. Качественно позволяет в едином технологическом цикле при изготовлении Фотонной Интегральной Схемы (ФИС) изготавливать дифракционные решетки вместе с волноводами для ввода и вывода излучения в ФИС. Также позволяет использовать новые лазеры VCSEL для вертикального ввода излучения в ФИС. По сравнению с используемыми бинарными решетками ввода излучения позволяет теоретически вводить 100 процентов излучения в волновод.The claimed method of a diffraction grating, which can be made not only on a silicon substrate, but on any other material regardless of the crystal structure, was implemented to solve the problem of inputting radiation into flat waveguides for the implementation of photonic information processing circuits. It qualitatively allows in a single technological cycle during the manufacture of a Photonic Integrated Circuit (PIC) to manufacture diffraction gratings together with waveguides for inputting and outputting radiation into the PIC. It also allows the use of new VCSEL lasers for vertical input of radiation into the PIC. Compared to the binary gratings used for inputting radiation, it allows theoretically inputting 100 percent of radiation into the waveguide.

Технологический процесс описан ниже и приведен на Фиг.1-10.The technological process is described below and shown in Fig. 1-10.

Для отработки многочисленных технологических режимов при изготовлении решетки в системе Автокад 2010 был разработан шаблон для вывода на одной пластине 60 экземпляров решетки с различными периодами. Были запрограммированы решетки с периодами 1.6 мкм, 3 мкм, 6 мкм и 25 мкм. См. Фиг.1.To test numerous process modes in the manufacture of a grating in the AutoCAD 2010 system, a template was developed for outputting 60 grating copies with different periods on one plate. Gratings with periods of 1.6 µm, 3 µm, 6 µm and 25 µm were programmed. See Fig. 1.

Увеличенное изображение одной секции показано на Фиг.2An enlarged image of one section is shown in Fig.2.

Фотошаблон изготавливали, используя немецкий литограф ZBA-21 с технологическим режимом разрешающей способности 90 нм.The photomask was produced using a German ZBA-21 lithograph with a technological resolution mode of 90 nm.

После изготовления фотошаблона производили заготовку для создания пилообразной решетки. Заготовка создавалась путем нанесения на кремниевую пластину (кремний КДБ12 ориентация - 100, толщина 460 ± 20 мкм) последовательно хрома и позитивного резиста ФП-3515 толщиной 1 мкм.After manufacturing the photomask, a blank was produced to create a sawtooth grating. The blank was created by successively applying chromium and positive resist FP-3515 with a thickness of 1 μm to a silicon wafer (KDB12 silicon, orientation - 100, thickness 460 ± 20 μm).

На установке вакуумного напыления на кремниевую пластину напыляли хром толщиной 50 нм, наносили фоторезист, экспонировали фотошаблон с решетками и делали бинарную решетку на слое хрома. После этого проводили вертикальное травление полученного образца в анизотропной плазме. В результате получали бинарную решетку, показанную на Фиг.З. Далее производили травление в цериевом травителе, для того чтобы убрать хром с образца Фиг.4.Using a vacuum deposition setup, 50 nm thick chromium was deposited on a silicon wafer, photoresist was applied, a photomask with gratings was exposed, and a binary grating was made on the chromium layer. After this, vertical etching of the obtained sample was performed in anisotropic plasma. As a result, the binary grating shown in Fig. 3 was obtained. Then, etching was performed in a cerium etchant in order to remove chromium from the sample Fig. 4.

Далее производилось напыление хрома с качанием образца. Изменение направления потока напыляемого хрома при вращении заготовки с бинарным рельефом показано на Фиг.5. Здесь видно, что при угле наклона 45 градусов происходит затенение потока хрома соседними выступами, и остается зона вблизи выступа с правой стороны, куда хром не попадает. Высота бинарной решетки выбирается в соответствии с периодом дифракционной решетки Т и может быть выбрана с коэффициентом 1-0.25 от необходимого периода дифракционной решетки. Соотношение периода решетки с шириной выступа желательно брать как можно больше, насколько позволит разрешающая способность литографа, так как ширина выступа ограничит протяженность пилообразного участка по зоне и уменьшит в конечном итоге дифракционную эффективность решетки. Далее эта решетка закрепляется на устройство, которое механически поворачивает решетку в угловых пределах от 90 до 20 градусов в одну сторону с возвратом в начальное положение и помещается в установку термического напыления. Угол качания при повороте от нормали в одну сторону и обратно определяется как арктангенс соотношения высоты решетки и периода - arctg (h/T). При h=T угол поворота будет равен 45 градусов, при h=0.25T угол поворота будет равен 70 градусов. Угол поворота необходимо выбирать немного больше arctg (h/T), для того чтобы не было непокрытого хромом участка зоны между выступами бинарной решетки.Then, chromium was sprayed with the sample rocking. The change in the direction of the sprayed chromium flow during rotation of the workpiece with a binary relief is shown in Fig. 5. Here it is seen that at an inclination angle of 45 degrees, the chromium flow is shadowed by the adjacent protrusions, and there remains a zone near the protrusion on the right side, where chromium does not get. The height of the binary grating is selected in accordance with the period of the diffraction grating T and can be selected with a coefficient of 1-0.25 from the required period of the diffraction grating. It is desirable to take the ratio of the grating period to the width of the protrusion as large as possible, as far as the resolution of the lithograph allows, since the width of the protrusion will limit the length of the sawtooth section along the zone and will ultimately reduce the diffraction efficiency of the grating. Then this grating is fixed on a device that mechanically rotates the grating in the angular range from 90 to 20 degrees in one direction with a return to the initial position and is placed in the thermal spraying unit. The swing angle when turning from the normal in one direction and back is determined as the arctangent of the ratio of the lattice height and the period - arctg (h/T). At h=T the rotation angle will be equal to 45 degrees, at h=0.25T the rotation angle will be equal to 70 degrees. The rotation angle should be chosen slightly greater than arctg (h/T) so that there is no uncoated chrome section of the zone between the protrusions of the binary lattice.

На Фиг.5 можно видеть что если поворачивать образец на угол от 70 до 90 градусов при выбранном на рисунке соотношении периода и высоты ступенек первоначально изготовленной решетки, то поток напыляемого хрома будет осаждаться только на боковой поверхности выступов, а на промежуток между выступами - основанием решетки, где создается профиль, ничего попадать не будет, поэтому угол вращения и берется от arctg (h/T) до 90 градусов, когда все испаряемое вещество - хром падает на основание будущей пилообразной решетки.In Fig. 5 it can be seen that if the sample is rotated at an angle from 70 to 90 degrees with the ratio of the period and the height of the steps of the initially manufactured grating selected in the figure, then the flow of sprayed chromium will be deposited only on the side surface of the protrusions, and nothing will fall on the gap between the protrusions - the base of the grating, where the profile is created, therefore the rotation angle is taken from arctg (h/T) to 90 degrees, when all the evaporated substance - chromium falls on the base of the future sawtooth grating.

Во время всего процесса напыления решетка непрерывно поворачивается в прямом и обратном направлениях. По отношению к падающему потоку испаряемого вещества бинарная решетка располагается таким образом, чтобы вектор потока напыляемого материала при повороте плоскости решетки менялся от нормального падения до выбранного.During the entire spraying process, the grating continuously rotates in the forward and reverse directions. In relation to the falling flow of the evaporated substance, the binary grating is positioned in such a way that the flow vector of the sprayed material changes from normal incidence to the selected one when the grating plane rotates.

Не попавший на дно между выступами хром задерживается соседней зоной и оседает на вертикальной стенке с противоположной стороны соседней зоны. Впоследствии на завершающем этапе этот вертикальный столб хрома убирается цериевым травителем. При вращении заготовки с бинарным рельефом от нормального угла падения хрома до крайнего противоположного направления с углом, зависящим от высоты рельефа на образце (мы брали угол порядка 20 градусов), происходит плавное изменение толщины напыляемого хрома. В затененную зону с правой стороны зоны хром попадет только при нормальном угле падения 90 градусов. Максимальное количество хрома будет осаждаться с левой стороны зоны, где время напыления при вращении будет максимальным. В результате такого неравномерного по толщине напыления, которое при равномерном вращении туда-сюда, получается пилообразный профиль. Если вращение с помощью программируемого шагового двигателя сделать неравномерным, с изменением скорости вращения в течении периода вращения от 20 до 90 градусов и обратно, то в соответствии с изменением скорости будет изменяться и профиль напыления. Так что предлагаемый метод позволяет изготавливать дифракционные решетки с любым желаемым профилем. Период вращения решетки был выбран 20 секунд. Время периода вращения выбиралось, исходя из того, чтобы оно было более чем на порядок меньше суммарного времени напыления. Время напыления в зависимости от технологических режимов меняется от 5 до 20 минут и контролируется по пилотным образцам. В результате качания образца с бинарной решеткой между выступами образуется слой хрома с изменением толщины по пилообразному закону, а на вертикальных стенках прямоугольных выступов образуется вертикальный слой хрома.The chromium that does not fall to the bottom between the projections is retained by the adjacent zone and settles on the vertical wall on the opposite side of the adjacent zone. Subsequently, at the final stage, this vertical column of chromium is removed with a cerium etchant. When rotating the workpiece with a binary relief from the normal angle of incidence of chromium to the extreme opposite direction with an angle depending on the relief height on the sample (we took an angle of about 20 degrees), a smooth change in the thickness of the sprayed chromium occurs. Chrome will get into the shaded area on the right side of the zone only at a normal angle of incidence of 90 degrees. The maximum amount of chromium will be deposited on the left side of the zone, where the spraying time during rotation will be maximum. As a result of such uneven spraying in thickness, which with uniform rotation back and forth, a sawtooth profile is obtained. If the rotation with the help of a programmable stepper motor is made uneven, with a change in the rotation speed during the rotation period from 20 to 90 degrees and back, then the sputtering profile will also change in accordance with the speed change. So the proposed method allows producing diffraction gratings with any desired profile. The grating rotation period was chosen to be 20 seconds. The rotation period time was chosen based on the fact that it was more than an order of magnitude less than the total sputtering time. The sputtering time, depending on the process modes, changes from 5 to 20 minutes and is controlled using pilot samples. As a result of rocking the sample with a binary grating, a chromium layer with a thickness change according to a sawtooth law is formed between the protrusions, and a vertical chromium layer is formed on the vertical walls of the rectangular protrusions.

Изображение, сделанное на растровом электронном микроскопе после напыления хрома в режиме качания, показано на Фиг.6.The scanning electron microscope image after chromium deposition in the rocking mode is shown in Fig. 6.

После этого проводили второе анизотропное травление Фиг.7. After this, the second anisotropic etching was carried out Fig. 7.

Первоначальный бинарный рельеф, полученный на кремнии, при этом полностью стравливался, появился только пилообразный рельеф, образовавшийся под пилообразной пленкой хрома с высотой рельефа пропорциональной скоростям травления хрома и кремния. Соотношение скоростей травления хрома и кремния можно менять в 30 раз, соответственно, для толщин хрома 50 нм, высоту пилообразного профиля можно получить до 1.5 мкм. После второго анизотропного травления, оставшиеся вертикальные нити хрома удаляются в растворе цериевого травителя.The initial binary relief obtained on silicon was completely etched away, leaving only a sawtooth relief formed under the sawtooth film of chromium with a relief height proportional to the etching rates of chromium and silicon. The ratio of etching rates of chromium and silicon can be changed by 30 times, respectively, for chromium thicknesses of 50 nm, the height of the sawtooth profile can be obtained up to 1.5 μm. After the second anisotropic etching, the remaining vertical chromium threads are removed in a cerium etchant solution.

После изготовления решеток (Фиг.9) с высотой ступеньки 0.4 мкм были проведены испытания решеток в красном свете лазера. Эксперимент организовали так, чтобы было видно работу сразу всех решеток с разными периодами по оценке мощности плюс и минус первых порядков дифракции. Для этого взяли красный лазер с длиной волны 650 нм и апертурой пучка 3 мм, чтобы осветить одновременно все 4 решетки. Решетки расположены в группе. Каждая решетка имеет ширину 5 мм и длину 10 мм. 4 решетки, сгруппированные по ширине друг к другу таким образом имеют размер 2 мм. Решетки испытывались на отражение. Светили лазером так, чтобы угол отражения был близок к нулю. Отраженный луч от зеркала подложки кремния с максимальной интенсивностью, т.к. наибольшая площадь луча накрывает зеркальную поверхность, расположенную вокруг решеток. Энергия лазерного луча, попавшая на каждую решетку, распределяется на плюс и минус первые порядки дифракции, поэтому о качестве каждой решетки можно судить по соотношению энергий в плюс и минус первых порядках дифракции. У идеальной решетки один из порядков стремится к 1, а другой - к нулю.After manufacturing the gratings (Fig. 9) with a step height of 0.4 μm, the gratings were tested in red laser light. The experiment was organized so that the work of all gratings with different periods could be seen at once by assessing the power of the plus and minus first diffraction orders. For this purpose, a red laser with a wavelength of 650 nm and a beam aperture of 3 mm was used to illuminate all 4 gratings simultaneously. The gratings were arranged in a group. Each grating was 5 mm wide and 10 mm long. Four gratings grouped by width to each other in this way had a size of 2 mm. The gratings were tested for reflection. The laser was shone so that the reflection angle was close to zero. The reflected beam from the silicon substrate mirror had maximum intensity, since the largest area of the beam covered the mirror surface located around the gratings. The energy of the laser beam that hits each grating is distributed into the plus and minus first diffraction orders, so the quality of each grating can be judged by the ratio of energies in the plus and minus first diffraction orders. In an ideal grating, one of the orders tends to 1, and the other to zero.

В результате испытаны на отражение пилообразные дифракционные решетки с высотой 0.4 мкм и периодами 1.5 мкм, 3 мкм и 6 мкм и 25 мкм.As a result, sawtooth diffraction gratings with a height of 0.4 µm and periods of 1.5 µm, 3 µm, 6 µm and 25 µm were tested for reflection.

Испытания проводились в отраженном свете красного лазера с длиной волны 650 нм.The tests were carried out using reflected light from a red laser with a wavelength of 650 nm.

На прилагаемой фотографии Фиг.10 видны относительно нулевого порядка с двух сторон первые порядки дифракции одновременно 4 решеток.In the attached photograph Fig. 10, the first orders of diffraction of 4 gratings simultaneously are visible relative to the zero order on both sides.

С правой стороны (относительно центрального яркого пятна прямого отражения и нулевого порядка) видно 4 ярких пятна. Самое последнее с правого края из них относится к решетке с периодом 1.5 мкм (самый большой угол дифракции). Далее последовательно к центру идут первые порядки дифракции от решеток с периодом 3 мкм, 6 мкм и 25 мкм.On the right side (relative to the central bright spot of direct reflection and zero order) 4 bright spots are visible. The last one on the right edge of them belongs to the grating with a period of 1.5 µm (the largest diffraction angle). Then, successively to the center, there are the first orders of diffraction from gratings with a period of 3 µm, 6 µm and 25 µm.

С левой стороны (относительно центрального яркого пятна прямого отражения и нулевого порядка) видны также 4 пятна, но гораздо меньшей интенсивности. Это минус первые порядки дифракции решеток с периодом 3 мкм, 6 мкм и 25 мкм. Минус первый порядок дифракции 4 по счету с левой стороны от центрального пятна (решетка 1.6 мкм) практически отсутствует, что говорит об очень хорошем качестве полученного пилообразного рельефа. Визуально по интенсивности для остальных решеток минус первые порядки в 10 раз меньше, чем плюс первые порядки. Между основными порядками дифракции видны мелкие порядки более высоких порядков дифракции (второго, третьего и т.д.), характерные для бинарных решеток или для решеток не с идеальным профилем, отличающихся от пилообразного.On the left side (relative to the central bright spot of direct reflection and zero order) 4 spots are also visible, but of much lower intensity. These are the minus first diffraction orders of gratings with a period of 3 μm, 6 μm and 25 μm. The minus first diffraction order of the 4th in a row on the left side of the central spot (grating 1.6 μm) is practically absent, which indicates a very good quality of the obtained sawtooth relief. Visually, in intensity for the remaining gratings, the minus first orders are 10 times less than the plus first orders. Between the main diffraction orders, small orders of higher diffraction orders (second, third, etc.) are visible, characteristic of binary gratings or for gratings with a non-ideal profile, different from a sawtooth.

Отсюда можно сделать вывод: предложенный метод позволяет изготавливать пилообразные дифракционные решетки с хорошим качеством и с большим и малым периодом. Продемонстрированы решетки с периодом от 1.6 мкм до 25 мкм.From this we can conclude: the proposed method allows to produce sawtooth diffraction gratings with good quality and with a large and small period. Gratings with a period from 1.6 µm to 25 µm are demonstrated.

На Фиг. 3-9 приведены конкретные примеры реализации предложенной идеи. Когда на одном фотошаблоне были изготовлены 4 решетки с разными периодами, вытравлены бинарные решетки, затем образцы качались при напылении и по описанной выше технологии сделаны пилообразные решетки. Таким образом, мы доказали работоспособность предложенной технологии.Fig. 3-9 show specific examples of the implementation of the proposed idea. When 4 gratings with different periods were made on one photomask, binary gratings were etched, then the samples were swung during sputtering and sawtooth gratings were made using the technology described above. Thus, we have proven the operability of the proposed technology.

Источники информацииSources of information

1. Патент РФ № 2615020 / 03.04.2017. Гужов Василий Юрьевич.1. RF Patent No. 2615020 / 04/03/2017. Guzhov Vasily Yurievich.

2. Патент РФ № 2643220 / 31.01.2018. Лукашевич Я.К.2. Patent of the Russian Federation No. 2643220 / 31.01.2018. Lukashevich Ya.K.

3. Герасимов Ф.М., Яковлев Э.А. Дифракционные решетки // Современные тенденции в технике спектроскопии. - Новосибирск, «Наука», 1982, с. 68-71, с. 76-81.3. Gerasimov F.M., Yakovlev E.A. Diffraction gratings // Modern trends in spectroscopy techniques. - Novosibirsk, "Nauka", 1982, pp. 68-71, pp. 76-81.

4. Патент РФ № 2809769 / 18.12.2023. Мохов Д. В. - Прототип.4. Patent of the Russian Federation No. 2809769 / 18.12.2023. Mokhov D. V. - Prototype.

Claims (1)

Способ изготовления дифракционной решетки пилообразного типа, заключающийся в том, что на поверхность подложки кремния наносят слой хрома, на хром наносят слой резиста, в котором лазерным, световым или электронным лучом засвечивают, а затем проявляют обработкой водным раствором щелочи рисунок чередующихся параллельных полос, после чего осуществляют анизотропное химическое травление или плазмохимическое травление, сопровождающееся образованием бинарного профиля рельефа, с выступами, далее на приготовленный образец бинарной решетки производится напыление хрома в режиме качания образца в диапазоне углов от нормального падения 90 градусов по отношению к образцу до 30 градусов для образования пилообразного профиля хрома между выступами бинарной решетки, после чего проводят второе анизотропное плазмохимическое травление, при котором убирается первоначальная бинарная решетка с выступами и остается пилообразная, после которого в растворе цериевого травителя убираются вертикальные нити хрома, оставшиеся после напыления хрома в режиме качания, и напыляется отражающий слой.A method for producing a sawtooth-type diffraction grating, which consists in applying a chromium layer to the surface of a silicon substrate, applying a resist layer to the chromium, in which a pattern of alternating parallel stripes is exposed by a laser, light or electron beam, and then developed by treatment with an aqueous alkali solution, after which anisotropic chemical etching or plasma-chemical etching is carried out, accompanied by the formation of a binary relief profile with protrusions, then chromium is sprayed onto the prepared sample of the binary grating in the sample swing mode in the range of angles from normal incidence of 90 degrees with respect to the sample to 30 degrees to form a sawtooth profile of chromium between the protrusions of the binary grating, after which a second anisotropic plasma-chemical etching is carried out, during which the initial binary grating with protrusions is removed and a sawtooth remains, after which the vertical chromium threads remaining after the chromium spraying are removed in a cerium etchant solution in the swing mode, and a reflective layer is sprayed.
RU2024117366A 2024-06-24 Method of saw-tooth type diffraction grating manufacturing RU2841334C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2841334C1 true RU2841334C1 (en) 2025-06-06

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6517734B1 (en) * 2000-07-13 2003-02-11 Network Photonics, Inc. Grating fabrication process using combined crystalline-dependent and crystalline-independent etching
WO2021016028A1 (en) * 2019-07-19 2021-01-28 Magic Leap, Inc. Method of fabricating diffraction gratings
US11231540B2 (en) * 2018-11-20 2022-01-25 Facebook Technologies, Llc Anisotropically formed diffraction grating device
RU2809769C1 (en) * 2023-06-20 2023-12-18 Общество с ограниченной ответственностью "НК-Метка" Method for manufacturing echelle type silicon diffraction grating

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6517734B1 (en) * 2000-07-13 2003-02-11 Network Photonics, Inc. Grating fabrication process using combined crystalline-dependent and crystalline-independent etching
US11231540B2 (en) * 2018-11-20 2022-01-25 Facebook Technologies, Llc Anisotropically formed diffraction grating device
WO2021016028A1 (en) * 2019-07-19 2021-01-28 Magic Leap, Inc. Method of fabricating diffraction gratings
RU2809769C1 (en) * 2023-06-20 2023-12-18 Общество с ограниченной ответственностью "НК-Метка" Method for manufacturing echelle type silicon diffraction grating

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4349104B2 (en) Blazed holographic grating, manufacturing method thereof, and replica grating
US3542453A (en) Grating device composed of elongated layers
Kazanskiy et al. Fabricating and testing diffractive optical elements focusing into a ring and into a twin-spot
JP4873015B2 (en) Manufacturing method of blazed diffraction grating
EP0323238B1 (en) Diffraction grating and manufacturing method thereof
US5910256A (en) Method for manufacturing a diffraction type optical element
CN110632689A (en) Fabrication method of surface relief grating structure
US5843321A (en) Method of manufacturing optical element
US7265057B2 (en) 3D lithography with laser beam writer for making hybrid surfaces
US20120067718A1 (en) Method and apparatus for producing three dimensional nano and micro scale structures
RU2841334C1 (en) Method of saw-tooth type diffraction grating manufacturing
US5640257A (en) Apparatus and method for the manufacture of high uniformity total internal reflection holograms
JPH0611609A (en) Exposure equipment
US6483597B2 (en) Method for the production of multi-layer systems
JP2002014215A (en) Littrow grating, and method for use of littrow grating
Schnabel et al. Fabrication and application of subwavelength gratings
US20060077554A1 (en) Diffraction gratings for electromagnetic radiation, and a method of production
Grunwald et al. Design, characterization, and applications of multilayer micro-optics
JP2006183111A (en) Manufacturing method of diffraction grating
Grunwald et al. Fabrication of thin-film microlens arrays by mask-shaded vacuum deposition
KR20020049493A (en) Method and device to fabricate holographic gratings with large area uniformity
Bristol et al. Silicon diffraction gratings for use in the far and extreme ultraviolet
DE69026056T2 (en) Scanner device
JP2006098489A (en) Method for manufacturing optical element having minute pattern
Babin et al. Artificial refractive index gratings manufacturing using electron beam lithography