一种线栅偏振器及其加工方法

技术领域

本发明涉及线栅偏振器技术领域，特别是涉及一种线栅偏振器及其加工方法。

背景技术

线栅偏振器具有线栅结构，其以预定周期布置在透明基板上呈条状突出的金属线。如果金属线的排列周期接近或大于入射电磁波的波长，则会发生典型的衍射现象；如果金属线的排列周期小于入射电磁波的波长，则会发生偏振现象。即，如果金属线的布置周期，即栅格间隔足够小，则平行于金属线偏振的光(即S偏振光)被金属栅格的反射特性所反射，并且垂直于金属线偏振的光(即P偏振)被透射。此时，金属线的宽度，厚度和布置周期与线栅偏振器的偏振特性，即透射率和反射率有关。

为了使线栅偏振器用于400nm至700nm波段的可见光，通常需要λ/5或更短的周期，即100nm或更短的线宽结构。常规的线栅偏振器首先使用电子束光刻形成主图案，然后使用电镀方法制造作为主图案的反相的模具，接下来，将金属层和聚合物层顺序地堆叠在透明基板上，并且使用压印模板在聚合物层上形成图案。最后，通过倾斜沉积将金属栅格沉积在该图案上。

然而，线栅偏振器的传统制造方法具有以下问题：由于压印模板转印的图案的周期、线宽、线厚都是固定的，也即一块压印模板只能制作一种图案，如果要对转印后的聚合物层上的图案的线宽和线厚进行调整，使其满足多种线栅偏振器的加工需求，此时就需要再次制备压印模板，因此时间与费用成本相对也很高。

因此，本领域技术人员致力于开发一种可以提高加工效率和降低成本的线栅偏振器及其加工方法。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明公开了一种线栅偏振器及其加工方法，所要解决的技术问题是提供一种可以提高加工效率和降低成本的线栅偏振器及其加工方法。

为实现上述目的，如图1和图2所示，本发明提供了一种线栅偏振器，包括透明基板，以及同向间隔分布于透明基板表面的金属线栅，所述金属线栅的金属线沿垂直于自身延伸方向上的横截面呈三角形、梯形、半圆形或圆弧形设置；当所述金属线栅通过化学机械抛光法减薄时，所述金属线栅在周期不变的情况下，所述金属线的线厚与相邻金属线之间的间距成反比。

优选的，所述透明基板的表面分布有电介质凸起，所述电介质凸起通过压印模板形成呈齿状周期性分布的微结构，在电介质凸起的顶面，包括齿状微结构之间的凹槽内，均设置金属沉积，再通过对金属沉积和电介质凸起同步减薄，使电介质顶面的凹槽内设置有所述金属线，且相邻的金属线之间具有间隙。

优选的，所述金属线的顶面与所述电介质凸起的顶面共面。为了实现金属线之间的间距相同，需要在减薄金属沉积和电介质凸起时进行同厚度的与基板相平行的减薄。

优选的，所述电介质凸起通过纳米压印光刻工艺、激光干涉工艺、或光刻工艺加工。

优选的，所述金属线栅的周期设置为80～250nm，厚度设置为50～200nm，线宽设置为30～120nm。

优选的，所述金属线包括铝，铜，铬，铂，金，银，镍及其合金中的一种或多种。

本发明还提供了一种线栅偏振器的加工方法，制造如上所述的线栅偏振器，还包括以下加工步骤：

1)制作压印模板，该压印模板可通过电子束直写、激光干涉、纳米压印、微接触等技术加工而成，所述压印模板具有呈齿状周期性均布的微结构，且沿所述微结构垂直于自身延伸方向上的横截面可设置为三角形、梯形、半圆形或圆弧形；

2)在所述透明基板的表面涂覆纳米压印胶层，采用纳米压印光刻技术，通过所述压印模板压印出凹凸微结构图案，形成所述凹凸微结构图案的纳米压印胶层为所述电介质凸起；作为优选，纳米压印光刻技术优选热压印或紫外纳米压印。

3)通过金属膜加工工艺在所述凹凸微结构图案表面设置金属层并填满凹槽，该步骤可通过真空气相沉积法形成。真空气相沉积法包括物理气相沉积法(PVD)和化学气相沉积法(CVD)，真空气相沉积法容易控制附着在透光性基板上的微粒的入射方向，并且容易进行倾斜蒸镀。之后再通过化学机械抛光法将所述凹凸微结构图案减薄至预设厚度，并使得所述凹凸微结构图案中的凸起外露。

在此步骤中，减薄的厚度越大，在凹凸微结构图案的凹槽内留下的金属沉积越薄，相邻金属线之间的间距也越大，即金属线的线厚与相邻金属线之间的间距成反比。而凹槽内金属线的顶面宽度，与凹凸微结构图案的顶面至基板之间的间距成正比关系，也即随着图案的整体减薄，金属线顶面至基板之间的间距逐渐变小，继而使得金属线顶面的宽度也随之变窄。因此，在周期不变的情况下，金属线栅偏振器的偏振度降低的同时，也使得P波透射率随之提高。需要得到怎样的周期、线宽和厚度的金属线栅，在此可以通过减薄量加以控制，在同一周期下，可以通过不同的减薄量，生产出多款所需性能的线栅偏振器，大大提高了线栅偏振器的加工效率，降低了线栅偏振器的生产成本。

4)对所述金属线顶面垂直于所述透明基板的投影面之外的纳米压印胶层通过刻蚀工艺去除，继而使清除后的相邻金属线之间形成空隙，从而得到底部为电介质凸起的金属线栅。为了进一步提升线栅偏振器的透射率，此步骤可采用等离子干法蚀刻工艺对相邻金属线之间的纳米压印胶进行定向清除，清除后的相邻金属线之间呈现空隙，当然也可以根据需要省略此步骤的操作。

优选的，所述金属膜加工工艺包括电镀、蒸镀、物理气相沉积、化学气相沉积或原子层沉积。

本发明还提供了一种线栅偏振器的加工方法，制造如上所述的线栅偏振器，还包括以下加工步骤：

1)制作压印模板，该压印模板可通过电子束直写、激光干涉、纳米压印、微接触等技术加工而成，所述压印模板具有呈齿状周期性均布的微结构，且沿所述微结构垂直于自身延伸方向上的横截面可设置为三角形、梯形、半圆形或圆弧形；

2)在所述透明基板的表面涂覆纳米压印胶层，采用纳米压印光刻技术，通过所述压印模板压印凹凸微结构图案，之后再通过灰化工艺将凹槽内的压印胶去除直至所述透明基板外露；

作为优选，纳米压印光刻技术优选热压印或紫外纳米压印；灰化气体优选氧气，纳米压印图案微结构灰化可选用RIE(反应性离子刻蚀)或者ICP(感应耦合等离子体刻蚀)；该灰化处理的主要目的是使得纳米压印图案中凹部内的基板外露，继而在后续操作中可以使得沉积的金属与基板接触，继而提升线栅偏振器的散热性能。

3)通过金属膜加工工艺在所述凹凸微结构图案表面设置金属层并填满凹槽，该处沉积方法可采用物理气相沉积、化学气相沉积或磁控溅射等技术实现；之后再通过化学机械抛光法将所述凹凸微结构图案减薄至预设厚度，根据设计需要对沉积有金属的纳米压印胶层整体减薄处理，直至相邻凹部之间的纳米压印胶凹凸微结构图案中的凸起外露，即凸起部的顶面外露。

4)将以上步骤3)得到的线栅偏振器放入湿法蚀刻槽中，通过湿法刻蚀工艺去除相邻金属线之间的纳米压印胶，继而使得相邻金属线之间形成空隙，得到线栅偏振器。

优选的，所述灰化工艺采用氧气通过反应性等离子刻蚀工艺将凹槽内的压印胶去除。

本实施例加工后的线栅偏振器，与实施例1的金属线的特征相同，也即随着金属线顶面宽度的减小，其顶面至基板的间距也会随之变小，也即同周期下，可以通过改变线宽和线厚的方式，使得多个线栅偏振器在相同线栅周期下，具有不同的线栅偏振度、透射率和反射率，从而形成多种不同的性能的线栅偏振器，以此有效满足同一周期下的多种不同参数的线栅偏振器的使用；同时也降低了同一周期下的多种不同参数的线栅偏振器的加工成本，提升其加工效率。

本发明的有益效果是：

在不新增压印模板的情况下，即在压印模板转印的图案的周期、线宽、线厚都固定的情况下，虽然一块压印模板只能制作一种图案，通过化学机械抛光法改变设置有纳米压印图案的胶层厚度，即可改变线栅偏振器性能，使得金属线栅在周期不变的情况下，金属线的线厚与相邻金属线之间的间距成反比。继而可以根据需要，在同一压印模板下加工出多种性能的线栅偏振器，从而有效提升了线栅偏振器的加工效率，降低了线栅偏振器的生产成本。

附图说明

图1是本发明实施例1的工艺示意图；

图2是本发明实施例2的工艺示意图。

上述附图中：1、透明基板；11、纳米压印胶层；12、微结构图案；2、金属线栅；21、电介质凸起；22、金属线；3、压印模板；4、金属层；5、空隙。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，需注意的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方式构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，本发明提供了一种线栅偏振器，包括透明基板1，以及同向间隔分布于透明基板1表面的金属线栅2，金属线栅2的金属线22沿垂直于自身延伸方向上的横截面呈三角形、梯形、半圆形或圆弧形设置；当金属线栅2通过化学机械抛光法减薄时，金属线栅2在周期不变的情况下，金属线22的线厚与相邻金属线22之间的间距成反比。具体的，本发明的金属线22包括铝，铜，铬，铂，金，银，镍及其合金中的一种或多种。同时，金属线栅2的周期设置为80～250nm，厚度设置为50～200nm，线宽设置为30～120nm。

在本实施例中，用于形成压印胶层的树脂为丙烯酸树脂、甲基丙烯酸树脂、聚乙烯基树脂、聚酯树脂、苯乙烯树脂、醇酸树脂、氨基树脂、聚氨酯树脂和硅树脂中的一种或多种组成的固化树脂。更进一步的，固化树脂包括不饱和聚酯、甲基丙烯酸甲酯，甲基丙烯酸乙酯，甲基丙烯酸异丁酯，甲基丙烯酸正丁酯，甲基丙烯酸正丁酯、丙烯酸、甲基丙烯酸和氢化物。可以存在丙烯酸乙基己酯的均聚物，其共聚物或三元共聚物等。

此外，透明基板1可以透射可见光，则可以根据目的或工艺适当地选择材料。例如玻璃、石英、丙烯酸、三乙酰纤维素(TAC)、环烯烃共聚物(COP)、环烯烃聚合物(COC)、聚碳酸酯(PC)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、PES(聚醚砜)、PAR(聚芳酯)的一种或多种聚合物等，但不限于此。透明基板1也可以由具有一定程度的挠性的光学膜基板形成。

本发明的线栅偏振器可以有多重结构，下面就线栅偏振器的具体结构举例说明。

如图1所示，为第一种结构，线栅偏振器透明基板1的表面分布有电介质凸起21，电介质凸起21通过压印模板3形成呈齿状周期性分布的微结构，在电介质凸起21的顶面，包括齿状微结构之间的凹槽内，均设置金属沉积，再通过对金属沉积和电介质凸起21同步减薄，使电介质顶面的凹槽内设置有金属线22，且相邻的金属线22之间具有间隙(图1(d))。同时，金属线22的顶面与电介质凸起21的顶面共面。为了实现金属线22之间的间距相同，需要在减薄金属沉积和电介质凸起21时进行同厚度的与基板相平行的减薄。本结构的电介质凸起21可以通过纳米压印光刻工艺、激光干涉工艺、或光刻工艺加工。

如图2所示，为第二种结构，线栅偏振器透明基板1的表面直接均匀分布沉积的金属线22，可以通过对金属沉积的减薄改变金属线栅2的性质，且相邻的金属线22之间具有间隙(图2(f))

在以上实施例中，在不新增压印模板3的情况下，即在压印模板3转印的图案的周期、线宽、线厚都固定的情况下，虽然一块压印模板3只能制作一种图案，通过化学机械抛光法改变设置有纳米压印图案的胶层厚度，即可改变线栅偏振器性能，使得金属线栅2在周期不变的情况下，金属线22的线厚与相邻金属线22之间的间距成反比。继而可以根据需要，在同一压印模板3下加工出多种性能的线栅偏振器，从而有效提升了线栅偏振器的加工效率，降低了线栅偏振器的生产成本。

本发明还提供了制造如上的线栅偏振器的加工方法，现列举具体的实施例加以详细说明。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种线栅偏振器的加工方法，制造如上第一种结构的线栅偏振器，包括以下加工步骤：

1)制作压印模板3，该压印模板3可通过电子束直写、激光干涉、纳米压印、微接触等技术加工而成，压印模板3具有呈齿状周期性均布的微结构，且沿微结构垂直于自身延伸方向上的横截面可设置为三角形、梯形、半圆形或圆弧形，在本实施例中，微结构的横截面为三角形(图1(a))；

2)在透明基板1的表面涂覆纳米压印胶层11，采用纳米压印光刻技术，通过压印模板3压印出凹凸微结构图案12，形成凹凸微结构图案12的纳米压印胶层11为电介质凸起21(图1(a))；作为优选，纳米压印光刻技术优选热压印或紫外纳米压印。

3)通过金属膜加工工艺在凹凸微结构图案12表面设置金属层4并填满凹槽(图1(b))，该步骤可通过真空气相沉积法形成。真空气相沉积法包括物理气相沉积法(PVD)和化学气相沉积法(CVD)，真空气相沉积法容易控制附着在透光性基板上的微粒的入射方向，并且容易进行倾斜蒸镀。之后再通过化学机械抛光法将凹凸微结构图案12减薄至预设厚度，并使得凹凸微结构图案12中的凸起外露(图1(c))。

在此步骤中，减薄的厚度越大，在凹凸微结构图案12的凹槽内留下的金属沉积越薄，相邻金属线22之间的间距也越大，即金属线22的线厚与相邻金属线22之间的间距成反比。而凹槽内金属线22的顶面宽度，与凹凸微结构图案12的顶面至基板之间的间距成正比关系，也即随着图案的整体减薄，金属线22顶面至基板之间的间距逐渐变小，继而使得金属线22顶面的宽度也随之变窄。如图1(c)至(d)和图1(e)至(f)，分别展示了当减薄的厚度分别为H1和H2时，即H1＞H2时，得到的线栅周期P1＝P2，但金属线22的宽度T1＞T2。

因此，在周期不变的情况下，金属线栅2偏振器的偏振度降低的同时，也使得P波透射率随之提高。需要得到怎样的周期、线宽和厚度的金属线栅2，在此可以通过减薄量加以控制，在同一周期下，可以通过不同的减薄量，生产出多款所需性能的线栅偏振器，大大提高了线栅偏振器的加工效率，降低了线栅偏振器的生产成本。

4)对金属线22顶面垂直于透明基板1的投影面之外的纳米压印胶层11通过刻蚀工艺去除，继而使清除后的相邻金属线22之间形成空隙5，从而得到底部为电介质凸起21的金属线栅2(图1(d))。为了进一步提升线栅偏振器的透射率，此步骤可采用等离子干法蚀刻工艺对相邻金属线22之间的纳米压印胶进行定向清除，清除后的相邻金属线22之间呈现空隙5，当然也可以根据需要省略此步骤的操作。

在本实施例中，金属膜加工工艺包括电镀、蒸镀、物理气相沉积、化学气相沉积或原子层沉积。

实施例2

本发明还提供了一种线栅偏振器的加工方法，制造如上第二种结构的线栅偏振器，包括以下加工步骤：

1)制作压印模板3，该压印模板3可通过电子束直写、激光干涉、纳米压印、微接触等技术加工而成，压印模板3具有呈齿状周期性均布的微结构，且沿微结构垂直于自身延伸方向上的横截面可设置为三角形、梯形、半圆形或圆弧形；

2)在透明基板1的表面涂覆纳米压印胶层11，采用纳米压印光刻技术，通过压印模板3压印凹凸微结构图案12，之后再通过灰化工艺将凹槽内的压印胶去除直至透明基板1外露；

作为优选，纳米压印光刻技术优选热压印或紫外纳米压印；灰化气体优选氧气，纳米压印图案微结构灰化可选用RIE(反应性离子刻蚀)或者ICP(感应耦合等离子体刻蚀)；该灰化处理的主要目的是使得纳米压印图案中凹部内的基板外露，继而在后续操作中可以使得沉积的金属与基板接触，继而提升线栅偏振器的散热性能。在本实施例中，灰化工艺采用氧气通过反应性等离子刻蚀工艺将凹槽内的压印胶去除。

3)通过金属膜加工工艺在凹凸微结构图案12表面设置金属层4并填满凹槽，该处沉积方法可采用物理气相沉积、化学气相沉积或磁控溅射等技术实现；之后再通过化学机械抛光法将凹凸微结构图案12减薄至预设厚度，根据设计需要对沉积有金属的纳米压印胶层11整体减薄处理，直至相邻凹部之间的纳米压印胶凹凸微结构图案12中的凸起外露，即凸起部的顶面外露。

4)将以上步骤3)得到的线栅偏振器放入湿法蚀刻槽中，通过湿法刻蚀工艺去除相邻金属线22之间的纳米压印胶，继而使得相邻金属线22之间形成空隙5，得到线栅偏振器。

本实施例加工后的线栅偏振器，与实施例1的金属线22的特征相同，也即随着金属线22顶面宽度的减小，其顶面至基板的间距也会随之变小，也即同周期下，可以通过改变线宽和线厚的方式，使得多个线栅偏振器在相同线栅周期下，具有不同的线栅偏振度、透射率和反射率，从而形成多种不同的性能的线栅偏振器，以此有效满足同一周期下的多种不同参数的线栅偏振器的使用；同时也降低了同一周期下的多种不同参数的线栅偏振器的加工成本，提升其加工效率。如图2(d)至图(f)，原沉积有金属的纳米压印胶层11整体厚度为H3，当减薄至H4时，当然需要H3＞H4，得到的线栅周期P4，但金属线22的宽度T4的线栅偏振器。如需要减小金属线22的宽度，可以进一步降低减薄的厚度。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。