1.本发明属于光学元件技术领域，尤其是涉及一种高折射率斜齿光栅的制造方法。
背景技术：
2.斜齿光栅是一种具有周期性空间结构的高性能光学元件。由于斜齿光栅在特定的衍射级上通常具有很高的效率，所以其主要功能在于将光线耦合到光学波导中。斜齿光栅卓越的光学性能使其广泛应用于航空航天、电信、光谱学以及目前飞速发展的虚拟现实（vr）和增强现实（ar）领域。高折射率的斜齿光栅可以提供更大的视角，是ar眼镜中的重要元件。
3.现有的制造斜齿光栅的方法包括应用法拉第笼进行反应离子刻蚀以及应用离子束刻蚀和反应离子束刻蚀实现斜齿光栅结构。其中应用法拉第笼进行反应离子刻蚀需要依赖特定的设备，且仅适用于小范围的斜齿光栅的批量加工。应用离子束刻蚀结合反应离子束刻蚀可以实现大范围的斜齿光栅结构加工，但是操作复杂。这两种制造斜齿光栅的方法在制造传统材料光栅如二氧化硅（n=1.5）斜齿光栅时广泛应用，但是由于刻蚀方法的局限性，难以应用于某些高折射率材料。
4.近些年提出的纳米压印方法大规模制造高折射率斜齿光栅的方法通过在树脂中填充高折射率材料纳米颗粒如二氧化钛（tio2）来实现高折射率。通过纳米压印方法来实现批量生产。但是这种方案中，纳米颗粒填充的程度需要严格控制，且压印模板也有相应的使用寿命，图案转移过程中可能存在一定的缺陷。
技术实现要素：
5.本发明旨在解决以下技术问题：现有技术中，应用法拉第笼进行反应离子刻蚀以及应用离子束刻蚀和反应离子束刻蚀实现斜齿光栅结构的斜齿光栅制造方法难以应用于某些高折射率材料，应用纳米压印方法制造高折射率斜齿光栅结构的斜齿光栅制造方法纳米颗粒填充的程度需要严格控制、且压印模板也有相应的使用寿命、图案转移过程中可能存在一定的缺陷。
6.本发明提供一种高折射率斜齿光栅的制造方法，能够避免刻蚀相应材料带来的各种技术问题。
7.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种高折射率斜齿光栅的制造方法，包括：s1，在光栅衬底上形成种子层图案，种子层图案图案为若干周期性间隔设置的线条；s2，在种子层图案上利用掠射角沉积技术沉积一层斜齿光栅结构材料。
8.作为一种优选的技术方案，步骤s1具体包括：a101，在光栅衬底上旋涂一层电子束抗蚀剂；a102，利用电子束曝光在电子束抗蚀剂层上形成设计图案；
a103，曝光结束后在室温下进行显影；a104，利用反应离子刻蚀将电子束抗蚀剂层上的设计图案转移至光栅衬底，形成种子层图案；a105，利用等离子体去除残余的电子束抗蚀剂。
9.作为一种优选的技术方案，步骤s1具体包括：b101，在光栅衬底上旋涂一层压印材料；b102，利用压印模板对压印材料进行纳米压印，形成若干周期间隔设置的线条；b103，利用等离子体去除压印材料，直到线条之间的压印材料被去除,得到压印图案；b104，利用反应离子刻蚀将压印图案上的设计图案转移至光栅衬底，形成种子层图案；b105，利用等离子体去除残余的压印材料。
10.作为一种优选的技术方案，步骤s1具体包括：c101，在光栅衬底上旋涂一层压印材料；c102，利用压印模板对压印材料进行纳米压印，形成若干周期间隔设置的线条；c103，利用等离子体去除压印材料，直到线条之间的压印材料被去除，得到种子层图案。
11.作为一种优选的技术方案，选用石英玻璃作为光栅衬底，选用苯甲醚稀释1:1的zep520a作为电子束抗蚀剂，选用tio2作为斜齿光栅结构材料。
12.作为一种优选的技术方案，选用石英玻璃作为光栅衬底，选用聚苯乙烯作为压印材料，纳米压印方法为热纳米压印，选用hfo2和sio2作为斜齿光栅结构材料。
13.作为一种优选的技术方案，选用聚对苯二甲酸乙二醇酯作为光栅衬底，压印材料为紫外纳米压印胶，纳米压印方法为紫外纳米压印，选用tio2作为斜齿光栅结构材料。
14.采用上述技术方案后，本发明具有如下优点：倾斜角沉积技术（glancing angle deposition /glad），也称掠射角沉积技术，或者叫大入射角沉积技术。一般用于制备形貌可控的薄膜（参考公告号为cn106987804b的“光学玻璃微米级空间碎片防护膜”专利）、制备纳米线（参考公告号为cn105862122b的“基于多步掠射角沉积法的锑化铟纳米线制备与锰掺杂方法”专利）。
15.本发明将倾斜角沉积技术（glad）用于高折射率斜齿光栅的制造。解决了应用法拉第笼进行反应离子刻蚀以及应用离子束刻蚀和反应离子束刻蚀实现斜齿光栅结构的斜齿光栅制造方法难以应用于某些高折射率材料，应用纳米压印方法制造高折射率斜齿光栅结构的斜齿光栅制造方法纳米颗粒填充的程度需要严格控制、且压印模板也有相应的使用寿命、图案转移过程中可能存在一定的缺陷的技术问题。同时，由于本工艺直接使用相应的蒸镀材料进行沉积而非进行纳米颗粒植入，因此不用担心影响材料的散射率。
16.本发明中提出的方法能够在一片晶圆上实现多个重复单元斜齿光栅结构的制作。随后通过芯片切割的方式，分离出多个耦入单元。将单个耦入单元集成到已经完成耦出单元加工的晶圆上即可实现光学耦合功能。通过此方法可以极大提高该光学器件的大规模加工效率。
附图说明
17.图1为实施例一的一种高折射率斜齿光栅的制造方法的步骤流程图；图2为实施例二的一种高折射率斜齿光栅的制造方法的步骤流程图；图3为实施例三的一种高折射率斜齿光栅的制造方法的步骤流程图；图中：1-石英玻璃；2-zep520a电子束抗蚀剂；3-电子束；4
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tio2蒸镀源；5-蒸镀倾角；6-斜齿光栅倾角；7
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tio2；8-聚苯乙烯；9-热纳米压印模板；10
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hfo2和sio2；11
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hfo2和sio2蒸镀源；12-pet衬底；13-紫外纳米压印胶；14-紫外纳米压印模板；15-uv。
具体实施方式
18.以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细说明。
19.实施例一如图1所示，本实施例提供一种高折射率斜齿光栅的制造方法，制造一种tio2（n=2.3）斜齿光栅。
20.具体步骤包括：1.选用石英玻璃1作为衬底；石英玻璃1主要成分为sio2；2.在衬底表面旋涂一层zep520a电子束抗蚀剂2；zep520a电子束抗蚀剂2用1:1苯甲醚稀释；3.在热板上以180℃烘烤3分钟；4.如图1a所示，利用电子束3曝光，曝光剂量为150μc/cm2，用电子束3曝光形成设计图案；此处zep520a电子束抗蚀剂2图案尺寸为150nm宽，周期为400nm；5.如图1b所示，将样品于室温下浸没于zed-n50显影液中进行显影90秒，完毕后用异丙醇冲洗并吹干；6.在以下刻蚀条件下，将抗蚀剂中的图案转移至sio2层，sio2种子层图案高度为30nm：反应离子刻蚀条件：15sccm o2、40ccm c4f8、10 mtorr、200w rf、2500w icp、50
°
c；7.如图1c所示，使用氧等离子体去除残余的zep520a抗蚀剂；8.如图1d所示，利用倾斜角沉积技术（glad）通过tio2蒸镀源4沉积tio27在种子层上方；本实施例中，倾斜角沉积技术（glad）通过电子束蒸镀tio2实现，其中蒸镀倾角5为85
°
，蒸镀得到的tio27高度由蒸镀速率和蒸镀时间确定。
21.通过本技术方案可以得到周期为400nm，斜齿光栅倾角6为约55
°
，占空比为约0.375的tio2斜齿光栅结构。按照本实施例实施可实现高折射率斜齿光栅的批量制备。
22.实施例二如图2所示，本实施例提供一种高折射率斜齿光栅的制造方法，制造一种hfo2和sio2的混合物(n=1.9)斜齿光栅。
23.具体步骤包括：1.选用石英玻璃1作为衬底；2.如图2a所示，在衬底表面旋涂一层聚苯乙烯8（polystyrene），约为200nm厚；3.如图2b所示，使用准备好的热纳米压印模板9进行热纳米压印，压印条件为：温度150℃，压强10bar，时间3min；4.降温至40℃进行脱模处理，得到如图2c所示的结构；5.如图2d所示，使用氧等离子体去除残余的聚苯乙烯，得到周期为200nm，宽度为50nm的聚苯乙烯图案；6. 如图2e所示，在以下刻蚀条件下，将抗蚀剂中的图案转移至sio2层，sio2种子层图案高度为30nm，并去除剩余的聚苯乙烯掩膜：反应离子刻蚀条件：15sccm o2、40ccm c4f8、10 mtorr、200w rf、2500w icp、50
°
c；7. 如图2f所示，利用倾斜角沉积技术（glad）通过hfo2和sio2蒸镀源11沉积hfo2和sio210在种子层上方；本实施例中，倾斜角沉积技术（glad）通过同步电子束蒸镀hfo2和sio2实现，其中蒸镀倾角5为80
°
，蒸镀得到的hfo2和sio2高度由蒸镀速率和蒸镀时间确定，比例由各自的蒸镀速率控制，其中sio2占比为14%。
24.通过本技术方案可以得到周期为200nm，斜齿光栅倾角6为50
°
，占空比为约0.25的hfo2和sio2斜齿光栅结构。按照本实施例实施可实现高折射率斜齿光栅的批量制备。
25.实施例三如图3所示，本实施例提供一种高折射率斜齿光栅的制造方法，制造一种tio2（n=2.3）斜齿光栅。
26.具体步骤包括：1.选用pet（聚对苯二甲酸乙二醇酯）作为衬底；2. 如图3a所示，在pet衬底12表面旋涂一层紫外纳米压印胶13（pl-r-pc1000），约为200nm厚；3. 如图3b所示，使用准备好的紫外纳米压印模板14通过uv15进行紫外纳米压印，压印条件为：光强70mw/cm2，压强400kpa，时间3min；4. 如图3d所示，脱模并用氧-氟等离子体去除残留，得到种子层图案；紫外纳米压印胶13（pl-r-pc1000）含有硅，刻蚀时需要在氧气里面加一些含氟气体，比如cf4；此处种子图案尺寸为100nm宽，周期为200nm，种子层高度为20nm；5. 如图3e所示，利用倾斜角沉积技术（glad）通过tio2蒸镀源4沉积tio27在种子层上方；本实施例中，倾斜角沉积技术（glad）通过电子束蒸镀tio2实现，其中蒸镀倾角5为83
°
，蒸镀得到的tio27高度由蒸镀速率和蒸镀时间确定。
27.通过本技术方案可以得到周期为200nm，斜齿光栅倾角6为约52
°
，占空比为约0.5的tio2斜齿光栅结构。按照本实施例实施可实现高折射率斜齿光栅的批量制备。
28.最终形成的光栅结构，若是其中有些缺陷，可以通过后续处理如退火等方法实现修复。
29.本发明结合电子束光刻、倾斜角沉积以及刻蚀的新型制备高折射率斜齿光栅的方法可应用于实验研发，但电子束曝光效率较低，一般选用先进光刻技术来替代电子束曝光应用于批量加工。后续的批量加工可结合纳米压印技术实现大规模批量生产。。
30.本发明中提出的方法能够在一片晶圆上实现多个重复单元斜齿光栅结构的制作。随后通过芯片切割的方式，分离出多个耦入单元。将单个耦入单元集成到已经完成耦出单元加工的晶圆上即可实现光学耦合功能。通过此方法可以极大提高该光学器件的大规模加工效率。
31.除上述优选实施例外，本发明还有其他的实施方式，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求所定义的范围。