专利名称：一种合成曝光法制作中阶梯光栅的方法
技术领域：
本发明涉及光栅制作技术领域，具体讲就是涉及一种以傅里叶合成曝光为基础制作中阶梯光栅的方法。
背景技术：
中阶梯光栅是一种特殊的衍射光栅，它以较高的衍射级次和较大的衍射角工作， 具有高色散、高分辨率、全波长闪耀的特性，经光栅或棱镜对级次重叠的中阶梯光栅光谱进行二次色散后可形成二维面阵光谱，适于面阵检测器接收。与常规光谱仪相比，它具有检出限低、波段宽、无移动部件、结构紧凑、无需多次扫描曝光便可实现多元素光谱的瞬态测量特点，有利于实现光谱仪器的高度智能化和自动化，代表了先进光谱技术的发展趋势。
中阶梯光栅母版的制作一直是以机械刻划工艺为主，再通过中阶梯光栅的特殊复制技术来达成产业化目标。然而中阶梯光栅的刻划对环境要求非常苛刻，需要极其严格的恒温和防振，同时，机械刻划法需要很长的刻划时间，通常需要几天几夜的时间，耗费了大量劳动时间和生产成本。发明内容
本发明所要解决的技术难题是提供中阶梯光栅的制作方法，能更加快捷、成本更低的实现中阶梯光栅制作。
技术方案
为了解决上述技术难题，本发明设计一种合成曝光法制作中阶梯光栅的方法，其特征在于，它包括以下几个步骤
(1)根据所需制备的中阶梯光栅槽形特征参数要求，写成槽形周期函数形式，并写出其傅里叶级数，即无限项正弦函数之和，根据实际槽形的精度要求，确定近似项的项数， 其中一项为常数项，与其它项合并为正弦函数项，再将中阶梯光栅槽形近似为正弦干涉条纹的叠加；
(2)根据步骤(1)中干涉条纹的周期计算出光的入射光与反射光的角度；
(3)根据步骤(1)中干涉条纹的振幅以及光刻胶的感光特性计算干涉条纹的曝光强度，即曝光光强和曝光时间的乘积，对于不同特性的光刻胶使用不同的曝光强度；
(4)根据步骤(1)干涉条纹的位相关系计算光路中所使用的反射镜的膜厚，精确控制干涉条纹的位相关系，以满足精确的槽形合成；
(5)将涂有光刻胶的光栅基底放在干涉条纹接收区域，光路中的光依次曝光后，显影处理，再在具有中阶梯光栅槽形的光栅基底上镀金属反射膜，完成中阶梯光栅的制备。
进一步，所述步骤(1)将中阶梯槽形函数通过傅里叶级数展开的方法分解成无数个不同周期、不同振幅、不同位相的正弦函数的叠加，将其合成近似成中阶梯光栅槽形，即包括基波和谐波项。
进一步，所述步骤( (3) (4)中对干涉条纹周期、振幅、位相的控制，具体方式为
1)通过控制每束光的光强或者曝光时间来控制各个干涉条纹的振幅；
2)通过精确控制每束光的入射光与反射光的夹角来控制干涉条纹的周期；
3)通过精确控制反射镜不同区域膜层厚度来控制各个干涉条纹之间的位相关系。
进一步，所述步骤( 使用的光依次曝光，最后一次曝光后进行显影。
进一步，所述显影完成后再镀金属反射膜。
有益效果
本方法较制备中阶梯光栅工艺容易实现，能够有效降低成本，减少制作时间，提高中阶梯光栅的制备效率，本方法以傅里叶合成曝光为基础制作，容易实现，有很强的可行性。
附图1为合成曝光法制作中阶梯光栅的光路示意图。
附图2为合成曝光法制作中阶梯光栅光路示意图中反射镜6的主视图。
附图3为合成曝光法制作中阶梯光栅光路示意图中反射镜6的右视图。
附图4为本发明合成曝光法制作的中阶梯光栅产品示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步说明。
一种合成曝光法制作中阶梯光栅的方法，它包括以下几个步骤首先根据所需制备的中阶梯光栅槽形特征参数要求，写成槽形周期函数形式，并写出其傅里叶级数，即无限项正弦函数之和。根据实际经验和槽形的精度要求，确定近似项的项数；以前七项近似为例，其中一项为常数项，与另外六项合并为三个正弦函数项，再将中阶梯光栅槽形近似为三组正弦干涉条纹的叠加；根据干涉条纹的周期计算出三束光的入射光与反射光的角度；根据干涉条纹的振幅以及光刻胶的感光特性计算三组干涉条纹的曝光强度，即曝光光强和曝光时间的乘积。对于不同特性的光刻胶使用不同的曝光强度；根据步三组干涉条纹的位相关系计算三光路中所使用的反射镜的膜厚，精确控制三组干涉条纹的位相关系，以满足精确的槽形合成；
最后将涂有光刻胶的光栅基底放在干涉条纹接收区域，三路光依次曝光后，显影处理，再在具有中阶梯光栅槽形的光栅基底上镀金属反射膜，完成中阶梯光栅的制备。
其中，将中阶梯槽形函数通过傅里叶级数展开的方法分解成无数个不同周期、不同振幅、不同位相的正弦函数的叠加，取其前七项合成近似的中阶梯光栅槽形，即包括基波、二次谐波和三次谐波项；所述对干涉条纹周期、振幅、位相的控制，具体方式为
1)通过控制每束光的光强或者曝光时间来控制各个干涉条纹的振幅；
2)通过精确控制每束光的入射光与反射光的夹角来控制干涉条纹的周期；
3)通过精确控制反射镜不同区域膜层厚度来控制各个干涉条纹之间的位相关系。
还可以将所述使用三束光依次曝光，第三次曝光后进行显影，显影完成后再镀金属反射膜。
如附图所示1为上述傅里叶级数取前7项时，合成曝光法制作中阶梯光栅的一种实际操作光路示意图，该图为实现合成曝光法制作中阶梯光栅的光路的一种实施例，激光器1出射的光束被分束镜2和分束镜3以及反射镜4分成等光强的三路光。以其中一路光为例，说明其干涉条纹的周期、位相和振幅的控制。在由准直扩束透镜组5和反射镜6组成的光路中，光束经过透镜组5准直扩束后，形成近似平行光束，入射到反射镜6上。
其中反射镜6的面型如图2和3所示，可以划分为A，B两个区域，两区域的反射膜层厚度有一个台阶。A区域的反射光经过洛埃镜7反射到达涂有光刻胶的光栅基底8表面， 与B区域的反射光束在光栅基底8表面产生干涉条纹，而A区域与B区域的膜厚差即可决定到达洛埃镜7的入射光和反射光的光程差，从而控制该干涉条纹的位相。同样，其它两光路采用同样的方式来控制干涉条纹的位相关系。
干涉条纹的振幅控制可以由曝光强度来控制，对于不同特性的光刻胶，要产生相同振幅的干涉条纹需要不同的曝光强度。对于特定的某种光刻胶，制作过程中既可以调整光束强度也可以调整曝光时间来控制曝光强度。当三束光路具有相同光强时，可以通过曝光时间的长短来控制干涉条纹的振幅。例如当采用Az4330光刻胶时，要产生振幅5微米的干涉条纹，曝光时间为10分钟，而产生振幅2. 5微米的干涉条纹时曝光时间仅需5分钟。因此可以根据所需的干涉条纹振幅来确定曝光时间。
干涉条纹的周期可以通过相对于洛埃镜7的入射角度来控制；根据图1所示的光路，调整反射镜6的位置和角度，即可以控制光束入射到洛埃镜7的入射角度，从而控制洛埃镜7上入射光与反射光的夹角。
精确控制三组干涉条纹的各项参数后，将涂有光刻胶的光栅基底放在干涉条纹接收区域，三束光依次曝光后，再显影处理，然后在具有中阶梯光栅槽形的光栅基底上镀金属反射膜，完成中阶梯光栅的制备，得到如附图4所示中阶梯光栅。
本发明所要保护的技术方案不仅限于实施例所提到的技术特征，任何受本发明启示的技术方案均属于本发明所要保护的范围。
权利要求
1.一种合成曝光法制作中阶梯光栅的方法，其特征在于，它包括以下几个步骤(1)根据所需制备的中阶梯光栅槽形特征参数要求，写成槽形周期函数形式，并写出其傅里叶级数，即无限项正弦函数之和，根据实际槽形的精度要求，确定近似项的项数，其中一项为常数项，与其它项合并为正弦函数项，再将中阶梯光栅槽形近似为正弦干涉条纹的叠加；(2)根据步骤(1)中干涉条纹的周期计算出光的入射光与反射光的角度；(3)根据步骤(1)中干涉条纹的振幅以及光刻胶的感光特性计算干涉条纹的曝光强度，即曝光光强和曝光时间的乘积，对于不同特性的光刻胶使用不同的曝光强度；(4)根据步骤(1)干涉条纹的位相关系计算光路中所使用的反射镜的膜厚，精确控制干涉条纹的位相关系，以满足精确的槽形合成；(5)将涂有光刻胶的光栅基底放在干涉条纹接收区域，光路中的光依次曝光后，显影处理，再在具有中阶梯光栅槽形的光栅基底上镀金属反射膜，完成中阶梯光栅的制备。
2.如权利要求1所述的一种合成曝光法制作中阶梯光栅的方法，其特征在于所述步骤(1)将中阶梯槽形函数通过傅里叶级数展开的方法分解成无数个不同周期、不同振幅、 不同位相的正弦函数的叠加，将其合成近似成中阶梯光栅槽形，即包括基波和谐波项。
3.如权利要求1所述的一种合成曝光法制作中阶梯光栅的方法，其特征在于所述步骤( (3) (4)中对干涉条纹周期、振幅、位相的控制，具体方式为1)通过控制每束光的光强或者曝光时间来控制各个干涉条纹的振幅；2)通过精确控制每束光的入射光与反射光的夹角来控制干涉条纹的周期；3)通过精确控制反射镜不同区域膜层厚度来控制各个干涉条纹之间的位相关系。
4.如权利1所述的一种合成曝光法制作中阶梯光栅的方法，其特征在于所述步骤(5) 使用的光依次曝光，最后一次曝光后进行显影。
5.如权利4所述的一种合成曝光法制作中阶梯光栅的方法，其特征在于所述显影完成后再镀金属反射膜。
全文摘要
一种合成曝光法制作中阶梯光栅的方法，它包括以下根据所需制备的中阶梯光栅槽形特征参数要求，写成槽形周期函数形式，并写出其傅里叶级数，即无限项正弦函数之和，根据实际槽形的精度要求，确定近似项的项数，其中一项为常数项，与其它项合并为正弦函数项，再将中阶梯光栅槽形近似为正弦干涉条纹的叠加；根据干涉条纹的周期计算出光的入射光与反射光的角度、干涉条纹的曝光强度、反射镜的膜厚，最后将涂有光刻胶的光栅基底放在干涉条纹接收区域，依次曝光后，显影处理，再在具有中阶梯光栅槽形的光栅基底上镀金属反射膜，完成中阶梯光栅的制备。本发明提供中阶梯光栅的制作方法，能更加快捷、成本更低的实现中阶梯光栅制作。
文档编号G02B5/18GK102495443SQ20111042229
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月15日 优先权日2011年12月15日
发明者凌进中, 庄松林, 张大伟, 李柏承, 王 琦, 黄元申 申请人:上海理工大学