专利名称：一种全息双闪耀光栅的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种衍射光学元件的制备方法，具体涉及一种全息双闪耀光栅的制备方法。
背景技术：
光栅是一种应用非常广泛而重要的高分辨率的色散光学元件，在现代光学仪器中占有相当重要的地位。众所周知，单个栅缝衍射主极大方向实际上既是光线的几何光学传播方向，也是整个多缝光栅的零级方向，它集中着光能，而又不能把各种波长分开，而实际应用中则偏重于将尽可能多的光能集中在某一特定的级次上。为此需要将衍射光栅刻制成具有经过计算确定的槽形，使单个栅槽衍射的主极大方向(或光线几何光学传播方向)与整个光栅预定的衍射级次方向一致，这样可使大部分光能量集中在预定的衍射级次上。从这个方向探测时，光谱的强度最大，这种现象称为闪耀(blaze)，这种光栅称为闪耀光栅。闪耀使得光栅的衍射效率得到极大的提高。闪耀光栅虽然有着很多的优点，但是在宽波段上，如从紫外到红外波段都想获得较高的衍射效率，还是很困难，为此，出现了全息双闪耀光栅产品，以实现宽波段内，均有较高的，均勻的衍射效率。全息双闪耀光栅由于具有宽波段的高效率优势，具有非常广阔的市场前景。在申请号为CN200910231737. 3的中国专利申请文件中，公开了一种全息双闪耀光栅的制作方法，该方法先在基片上制作出A闪耀角的光栅，然后遮挡A区域，再在B区域上制作具有B闪耀角的光栅。两种不同闪耀角的闪耀光栅均采用采用全息离子束刻蚀方法，即先在表面制作光刻胶光栅掩模，然后用斜向离子束刻蚀，在基片上制作出三角形的闪耀光栅。通过控制前后A、B两区域上的光刻胶厚度，实现双闪耀角的制作。然而在上述的方法中，光刻胶经过光刻工艺之后形成的光栅，其占宽比槽深以及槽形很难实现精确控制，另外在斜向离子束刻蚀的时候，由于光刻胶和基片材质上的差异， 会出现刻蚀速率不一致，导致最终形成的闪耀光栅，其闪耀角与预期的存在误差，没有办法实现精确控制。为此，有必要寻求一种新的制作全息双闪耀光栅的方法，解决上述问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能够精确控制双闪耀角的全息双闪耀光栅的制作方法。该全息双闪耀光栅的两个闪耀角分别是A闪耀角和B闪耀角，双闪耀光栅分为两个区，对应A闪耀角的为A光栅区，对应B闪耀角的为B光栅区。该制作方法包括步骤1)在基片上第一次涂布光刻胶；2)对所述光刻胶层进行光刻，形成第一光刻胶光栅；
3)遮挡所述B光栅区，在A光栅区上，以所述第一光刻胶光栅为掩模，对基片进行正向离子束刻蚀，将第一光刻胶光栅结构转移到基片上，形成A光栅区的同质光栅，刻蚀深度由A闪耀角决定；4)清洗基片，去除剩余光刻胶；5)继续遮挡B光栅区，以所述A光栅区的同质光栅为掩模，对基片进行斜向Ar离子束扫描刻蚀，利用同质光栅掩模对离子束的遮挡效果，使基片材料的不同位置先后被刻蚀，形成A闪耀角的闪耀光栅；6)在基片上第二次涂布光刻胶；7)先遮挡B光栅区，利用已制备完成的A光栅区，采用光学莫尔条纹法进行莫尔条纹对准，然后撤掉遮挡进行第二次光刻，制作第二光刻胶光栅，所述第二光刻胶光栅与第一光刻胶光栅的周期一致；8)遮挡所述A光栅区，在B光栅区上，以所述第二光刻胶光栅为掩模，对基片进行正向离子束刻蚀，将第二光刻胶光栅转移到基片上，形成B光栅区的同质光栅，刻蚀深度由 B闪耀角决定；9)清洗基片，去除剩余光刻胶；10)继续遮挡A光栅区，以所述B光栅区的同质光栅为掩模，对基片进行斜向Ar离子束扫描刻蚀，利用同质光栅掩模对离子束的遮挡效果，使基片材料的不同位置先后被刻蚀，形成B闪耀角的闪耀光栅；11)清洗基片，得到双闪耀角的闪耀光栅。可选的，在对A光栅区进行所述正向离子束刻蚀前，还包括对第一光刻胶光栅进行灰化处理，以调节第一光刻胶光栅结构的占宽比。可选的，在对B光栅区进行所述正向离子束刻蚀前，还包括对第二光刻胶光栅进行灰化处理，以调节第二光刻胶光栅结构的占宽比。可选的，所述正向离子束刻蚀采用Ar离子束刻蚀方法或CHF3反应离子束刻蚀方法，其具体的工艺参数为Ar离子束刻蚀时，离子能量为380eV至520eV，离子束流为70mA 至140mA，加速电压为MOV至300V，工作压强为2. 0 X IO^2Pa ；CHF3反应离子束刻蚀时，离子能量为300eV至470eV，离子束流为70mA至140mA，加速电压为200V至300V，工作压强为 1. 4 X IO^2Pa0可选的，所述A光栅区的同质光栅或所述B光栅区的同质光栅的占宽比为 0. 25-0. 6，周期为 300nm 至 3000nm。可选的，所述A光栅区的同质光栅和所述B光栅区的同质光栅同时为矩形光栅或梯形光栅。可选的，所述A光栅区的同质光栅或所述B光栅区的同质光栅的槽深使斜向Ar离子束的刻蚀角度等于从该同质光栅的一顶角斜射到与该顶角相对的底角所需的角度。可选的，所述斜向Ar离子束扫描刻蚀的工艺参数为离子能量380eV至520eV， 离子束流70mA至140mA，加速电压MOV至300V，工作压强2. 0 X l(T2Pa，刻蚀角度为8°至
40°。可选的，所述第一次涂布的光刻胶的厚度或者所述第二次涂布的光刻胶的厚度为 200nm 至 500nm。
可选的，在所述遮挡A光栅区或遮挡B光栅区时，使用的遮挡物为一条纹板。由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点1.本发明采用正向离子束刻蚀形成同质光栅掩模，由于正向离子束刻蚀的各向异性特征，只在刻蚀方向上具有良好的刻蚀效果，因此可以实现同质光栅槽形和槽深的精确控制。2.本发明在光刻形成光刻胶光栅之后，进一步包括对光刻胶光栅进行灰化处理， 使光刻胶的占宽比得到改变，以此实现同质光栅占宽比的控制，进一步增加了控制闪耀角的手段。3.本发明在斜向Ar离子束扫描刻蚀的过程中，由于同质光栅掩模和基片是同一种材质形成，两者的刻蚀速率始终保持一致，因此可以实现闪耀角的精确控制。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本发明的全息双闪耀光栅制作方法流程图；图2矩形光栅的几何关系图；图3梯形光栅的几何关系图；图4为莫尔条纹对准方法采用的光路示意图；图5是本发明第一实施方式下各个步骤对应的效果示意图；图6是本发明第二实施方式下各个步骤对应的效果示意图；图7是本发明第三实施方式下各个步骤对应的效果示意图；图8是本发明第四实施方式下各个步骤对应的效果示意图。
具体实施例方式现有的全息双闪耀光栅制作方法中，在制作A、B闪耀角时，先在光刻胶上制作光栅，并以该光刻胶光栅为掩模进行斜向离子束刻蚀，该方式存在如下的问题光刻胶在干涉光刻的过程中，受曝光工艺和显影刻蚀工艺的限制，没有办法实现对光栅占宽比、槽深以及槽形的精确控制，因而没有办法实现精确的闪耀角控制。而本发明通过在基片上先制作同质光栅，以该同质光栅为掩模进行斜向Ar离子扫描刻蚀形成闪耀光栅，与现有技术相比，本发明的同质光栅掩模在制作时，可以通过控制正向离子束刻蚀来控制光栅的槽深和槽形，通过对光刻胶光栅掩模做灰化处理，还可以进一步可以控制光栅的占宽比。因此对双闪耀光栅的制作，可以有多个参量的控制手段，实现双闪耀光栅制作工艺的精确控制。请参见图1，图1是本发明的全息双闪耀光栅制作方法流程图。如图所示，本发明的全息双闪耀光栅制作方法流程图包括步骤Sll 在基片上第一次涂布光刻胶。所述涂布光刻胶的工艺可以为旋涂法，也可以是蒸涂法，涂布的光刻胶层厚度为200nm至500nm之间。该光刻胶层可以是正胶，也可以是负胶，视后续不同的处理方式而定。在本发明中，以正胶为例进行说明。S12 对所述光刻胶层进行干涉光刻，形成第一光刻胶光栅。所述光刻步骤可以为激光干涉光刻工艺，也可以是掩模曝光光刻工艺。在本发明中选择激光干涉光刻工艺，具体为激光源发出的光线经光路分束后形成两束或多束相干光，并利用透镜汇聚到光刻胶表面形成明暗相间的干涉图形。在干涉图形曝光区域的那一部分光刻胶发生性质转变。经显影液显影刻蚀后，在光刻胶上形成凹槽和凸起相间隔的光栅结构。可选的，当光刻胶表面形成光栅结构后，对光刻胶进行灰化处理，灰化时间根据所需的光栅占宽比而定。通常光刻胶通过光刻工艺后形成的光栅结构的占宽比在0. 5-0. 6左右，想要通过光刻工艺来调节光栅的占宽比相对来说比较困难，因此本发明通过增加灰化工艺，实现对光刻胶光栅结构的占宽比调节，使光栅结构的占宽比可以从0. 25至0. 6的范围内进行有效的调节。S13 遮挡所述B光栅区，在A光栅区上，以所述第一光刻胶光栅为掩模，对基片进行正向离子束刻蚀，将第一光刻胶光栅图形转移到基片上，形成A光栅区的同质光栅，刻蚀深度由A闪耀角决定。所述正向离子束刻蚀采用Ar离子束刻蚀方法或CHF3反应离子束刻蚀方法，其具体的工艺参数为·Μ离子束刻蚀时，离子能量为380eV至520eV，离子束流为 70mA至140mA，加速电压为MOV至300V，工作压强为2. 0 X KT2Pa ；CHF3反应离子束刻蚀时， 离子能量为300eV至470eV，离子束流为70mA至140mA，加速电压为200V至300V，工作压强为 1. 4 X IO^2Pa0S14 清洗基片，去除剩余光刻胶。正向离子束刻蚀完成后，基片表面会剩余部分残存的光刻胶，对该部分残存光刻胶采用硫酸+氧化剂溶液进行清洗，使剩余的光刻胶被充分反应去除，露出基片上的同质光栅。S15:继续遮挡B光栅区，以所述A光栅区的同质光栅为掩模，对基片进行斜向Ar 离子束扫描刻蚀，利用同质光栅掩模对离子束的遮挡效果，使基片材料的不同位置先后被刻蚀，形成A闪耀角的闪耀光栅。Ar离子束的刻蚀角度根据所需的闪耀角由下述经验公式得出es a-3°(1)在该经验公式(1)中，θ s为闪耀光栅的闪耀角，α为Ar离子束的刻蚀角，比如制作闪耀角θ s为15°的闪耀光栅，则Ar离子束的刻蚀角α为18°度。通常情况下，闪耀光栅的闪耀角θ s范围在5°至37°，因此Ar离子束的刻蚀角α范围在8°至40°。 该斜向Ar离子束扫描刻蚀的具体工艺参数为离子能量380eV至520eV，离子束流70mA至 140mA,加速电压240V至300V，工作压强2. OX l(T2Pa。S16 在基片上第二次涂布光刻胶，选择的涂布工艺和参数与第一次涂布的时候相同，此处不再赘述。S17:先遮挡B光栅区，利用已制备完成的A光栅区，采用光学莫尔条纹法进行莫尔条纹对准，然后撤掉遮挡进行第二次光刻，制作第二光刻胶光栅，所述第二光刻胶光栅与第一光刻胶光栅的周期一致。具体的，在第二次涂布光刻胶之后，需要以A光栅区制作而成的闪耀光栅为依据进行对位工作，使第二次光刻形成的光刻胶光栅具有与第一次光刻胶光栅相同的周期。该对位方法利用已有的A光栅区，进行莫尔条纹对准。请参见图4，图4为莫尔条纹对准方法采用的光路示意图。如图所示，入射激光被分束镜40分为两束，分别由第一反射镜41和第二反射镜42反射，分别经第一透镜43和第二透镜44在被制作的基片45 表面形成干涉条纹。基片45表面可以划分为A光栅区46和B光栅区47，A光栅区46在干涉光束的照射下形成莫尔条纹48，用于实现基片45的定位。其中，第一反射镜41被安装于微位移器件49上，由位相控制系统控制实现对光程差的调节，从而实现A光栅区与B光栅区之间位相差的调节。本发明中，利用参考光栅的光学莫尔条纹来实现A光栅区与B光栅区之间的对准过程如下a.利用A闪耀角闪耀光栅作为参考光栅。b.到第二次干涉曝光时，我们先把整块基片装到曝光支架上，把第二次需要曝光部分进行遮挡，用原两束干涉光对A光栅照明，此时可以观察到参考光栅与记录光场之间形成的莫尔条纹，用CCD接收莫尔条纹的信息，根据零条纹产生时的两种情况，当零条纹最亮时，此时干涉光场是与第一次记录时的干涉光场的位相差为零(即此时干涉光场条纹与第一次干涉条纹重合或平移Λ)；当零条纹最暗时，此时干涉光场是与第一次记录时的干涉光场的位相差为η。利用位相控制系统控制莫尔条纹的位相，使参考光栅再现的莫尔条纹信息为零条纹最亮。其中位相控制系统是通过控制图4中反射镜41的前后位置，实现光程调节，达到位相控制的目的。c.撤掉对B光栅区的遮挡，对B光栅区进行曝光，完成第二次干涉光刻。同样，当光刻胶表面形成光栅结构后，可以对光刻胶进行灰化处理，灰化时间根据所需的光栅占宽比而定。通常光刻胶通过光刻工艺后形成的光栅结构的占宽比在0. 5-0. 6 左右，想要通过光刻工艺来调节光栅的占宽比相对来说比较困难，因此本发明通过增加灰化工艺，实现对光刻胶光栅结构的占宽比调节，使光栅结构的占宽比可以从0. 25至0.6的范围内进行有效的调节。S18:遮挡所述A光栅区，在B光栅区上，以所述第二光刻胶光栅为掩模，对基片进行正向离子束刻蚀，将第二光刻胶光栅转移到基片上，形成B光栅区的同质光栅，刻蚀深度由B闪耀角决定；S19 清洗基片，去除剩余光刻胶。S20 继续遮挡A光栅区，以所述B光栅区的同质光栅为掩模，对基片进行斜向Ar 离子束扫描刻蚀，利用同质光栅掩模对离子束的遮挡效果，使基片材料的不同位置先后被刻蚀，形成B闪耀角的闪耀光栅；S21 清洗基片，得到双闪耀角的闪耀光栅在上述的制作方法中，通过正向离子束刻蚀得到的A光栅区同质光栅和B光栅区同质光栅的槽形可以同时是矩形光栅、也可以同时是梯形光栅。通常，在光刻胶光栅槽形比较规整的情况下，采用正向离子束刻蚀所得到的同质光栅槽形为矩形光栅，但是由于光刻胶光栅掩模在显影刻蚀时，光刻胶上部和下部与显影液反应的时间不同，导致光刻胶光栅的顶部收缩，使光栅槽形成锥形，此时，再以该光刻胶光栅为掩模作正向离子束刻蚀所形成的同质光栅就会成为梯形。对于不同槽形的同质光栅，正向离子束的刻蚀时间，即同质光栅的槽深，其计算公式也不同。对于矩形光栅，请参见图2，其计算公式为
权利要求
1.一种全息双闪耀光栅制作方法，所述全息双闪耀光栅的两个闪耀角分别是A闪耀角和B闪耀角，双闪耀光栅分为两个区，对应A闪耀角的为A光栅区，对应B闪耀角的为B光栅区，其特征在于所述制作方法包括下列步骤1)在基片上第一次涂布光刻胶；2)对所述光刻胶层进行第一次光刻，形成第一光刻胶光栅；3)遮挡所述B光栅区，在A光栅区上，以所述第一光刻胶光栅为掩模，对基片进行正向离子束刻蚀，将第一光刻胶光栅图形转移到基片上，形成A光栅区的同质光栅，刻蚀深度由 A闪耀角决定；4)清洗基片，去除剩余光刻胶；5)继续遮挡B光栅区，以所述A光栅区的同质光栅为掩模，对基片进行斜向Ar离子束扫描刻蚀，利用同质光栅掩模对离子束的遮挡效果，使基片材料的不同位置先后被刻蚀，形成A闪耀角的闪耀光栅；6)在基片上第二次涂布光刻胶；7)先遮挡B光栅区，利用已制备完成的A光栅区，采用光学莫尔条纹法进行莫尔条纹对准，然后撤掉遮挡进行第二次光刻，制作第二光刻胶光栅，所述第二光刻胶光栅与第一光刻胶光栅的周期一致；8)遮挡所述A光栅区，在B光栅区上，以所述第二光刻胶光栅为掩模，对基片进行正向离子束刻蚀，将第二光刻胶光栅图形转移到基片上，形成B光栅区的同质光栅，刻蚀深度由 B闪耀角决定；9)清洗基片，去除剩余光刻胶；10)继续遮挡A光栅区，以所述B光栅区的同质光栅为掩模，对基片进行斜向Ar离子束扫描刻蚀，利用同质光栅掩模对离子束的遮挡效果，使基片材料的不同位置先后被刻蚀，形成B闪耀角的闪耀光栅；11)清洗基片，得到双闪耀角的闪耀光栅。
2.如权利要求1所述的全息双闪耀光栅制作方法，其特征在于在对A光栅区进行所述正向离子束刻蚀前，还包括对第一光刻胶光栅进行灰化处理，以调节第一光刻胶光栅结构的占宽比。
3.如权利要求1所述的全息双闪耀光栅制作方法，其特征在于在对B光栅区进行所述正向离子束刻蚀前，还包括对第二光刻胶光栅进行灰化处理，以调节第二光刻胶光栅结构的占宽比。
4.如权利要求1所述的全息双闪耀光栅制作方法，其特征在于所述正向离子束刻蚀采用Ar离子束刻蚀方法或CHF3反应离子束刻蚀方法，其具体的工艺参数为Ar离子束刻蚀时，离子能量为380eV至520eV，离子束流为70mA至140mA，加速电压为MOV至300V，工作压强为2. OXKT2I3a ；CHF3反应离子束刻蚀时，离子能量为300eV至470eV，离子束流为70mA 至140mA，加速电压为200V至300V，工作压强为1. 4 X IO^2Pa0
5.如权利要求1所述的全息双闪耀光栅制作方法，其特征在于所述A光栅区的同质光栅或所述B光栅区的同质光栅的占宽比为0. 25-0. 6，周期为300nm至3000nm。
6.如权利要求1所述的全息双闪耀光栅制作方法，其特征在于所述A光栅区的同质光栅和所述B光栅区的同质光栅同时为矩形光栅或梯形光栅。
7.如权利要求1所述的全息双闪耀光栅制作方法，其特征在于所述A光栅区的同质光栅或所述B光栅区的同质光栅的槽深使斜向Ar离子束的刻蚀角度等于从该同质光栅的一顶角斜射到与该顶角相对的底角所需的角度。
8.如权利要求1所述的全息双闪耀光栅制作方法，其特征在于所述斜向Ar离子束扫描刻蚀的工艺参数为离子能量380eV至520eV，离子束流70mA至140mA，加速电压MOV至 300V，工作压强2. 0X10_2Pa，刻蚀角度为8°至40°。
9.如权利要求1所述的全息双闪耀光栅制作方法，其特征在于所述第一次涂布的光刻胶的厚度或者所述第二次涂布的光刻胶的厚度为200nm至500nm。
10.如权利要求1所述的全息双闪耀光栅制作方法，其特征在于在所述遮挡A光栅区或遮挡B光栅区时，使用的遮挡物为一条纹板。
全文摘要
本发明是一种全息双闪耀光栅的制作方法，所述全息双闪耀光栅的两个闪耀角分别是A闪耀角和B闪耀角，通过先在基片上制作A、B两种同质光栅，以该两种同质光栅为掩模，进行斜向离子束刻蚀得到所需的A、B闪耀光栅。由于在制作同质光栅时，可以通过控制正向离子束刻蚀的时间以及增加灰化工艺，使同质光栅的占宽比、槽深和槽型得到精确控制，另外由于同质光栅掩模和基片是同一种材质形成，两者的刻蚀速率始终保持一致，因此可以实现闪耀角的精确控制。
文档编号G03F7/00GK102323635SQ20111031871
公开日2012年1月18日 申请日期2011年10月19日 优先权日2011年10月19日
发明者刘全, 吴建宏, 陈明辉 申请人:苏州大学