专利名称：一种凸面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，具体涉及一种凸面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。闪耀光栅一般又分为平面闪耀光栅和凸面闪耀光栅。其中凸面闪耀光栅是将闪耀光栅制作于球冠状凸面基片或者圆柱状凸面基片之上，由于球冠状凸面闪耀光栅由于具有高效率优势，非常适宜于成像光谱仪应用，具有非常广阔的市场前景。现有技术中，闪耀光栅的主要制作方法有以下几类A.机械刻划机械刻划是用金刚石刻刀在金、铝等基底材料上刻划出光栅的方法，早期的闪耀光栅大多用该方法制作。然而，机械刻划光栅会产生鬼线，表面粗糙度及面形误差大，严重降低了衍射效率。B.全息曝光显影通过全息曝光显影在光刻胶上制作闪耀光栅的方法源于20世纪60-70年代。 Sheriden发明了驻波法，通过调整基片与曝光干涉场之间的角度，在光刻胶内形成倾斜的潜像分布，显影后就能得到具有一定倾角的三角形光栅。Schmahl等人提出了 Fourier合成法，把三角槽形分解为一系列正弦槽形的叠加，依次采用基波条纹、一次谐波条纹等进行多次曝光，经显影即可获得近似三角形的轮廓。然而，光刻胶闪耀光栅的槽形较差，闪耀角等参数无法精确控制，因此一直没有得到推广。C.全息离子束刻蚀离子束刻蚀是一种应用十分广泛的微细加工技术，它通过离子束对材料溅射作用达到去除材料和成形的目的，具有分辨率高、定向性好等优点。全息离子束刻蚀闪耀光栅的一般制作工艺如附图I所示。首先在石英玻璃基底I 表面涂布光刻胶2，经过全息曝光、显影、定影等处理后，基底上形成表面浮雕光刻胶光栅掩模3，再以此为光栅掩模，进行Ar离子束刻蚀。利用掩模对离子束的遮挡效果，使基底的不同位置先后被刻蚀，将光刻胶刻完后就能在基底材料上得到三角形槽形4。离子束刻蚀闪耀光栅具有槽形好，闪耀角控制较精确，粗糙度低等优点，在工程中得到了广泛应用。
D.电子束直写这种方法本质上是一种二元光学方法，将光栅闪耀面用若干个台阶近似，电子束以台阶宽度为步长进行扫描曝光，根据每个台阶高度选择合适的曝光剂量，显影后即可得到阶梯槽形。显然，台阶划分的越细，就越接近于理想的锯齿形。然而，由于电子束直写是逐步扫描的，若要制作面积比较大的光栅，要花费很长的时间和很高的成本，此外由于目前电子束一次直写区域的尺寸通常不过几毫米，大面积加工时存在相邻区域间的接缝误差(Stitching error),其对衍射效率的影响还需要评估。因此该方法适合于为一些小型的原理性实验提供光栅。在上述方法中，机械刻划法通过变换刻刀、电子束直写法通过控制曝光的剂量，可以相对容易地实现闪耀角控制。然而，正如前面所述，采用机械刻划法制作闪耀光栅时，会产生鬼线，表面粗糙度及面形误差大，而采用电子束直写法，制作时间长，成本高，不适用于大面积加工。而对于全息离子束刻蚀法，由于闪耀角是依赖光刻胶光栅掩模槽形，故在实现闪耀角控制时存在较大的困难。而且在制作凸面闪耀光栅时，上述方法均还需要考虑凸面的影响。一般地，机械刻划法仍然通过变换刻刀、电子束直写法通过控制曝光的剂量，可以实现闪耀光栅结构。对于全息离子束刻蚀法，由于闪耀角是依赖光刻胶光栅掩模槽形的，故在凸面基片上实现闪耀光栅结构时困难更大。因此，有必要寻求一种新的制作凸面闪耀光栅的方法，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凸面双闪耀光栅的制作方法。该凸面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I)在基片上涂布光刻胶；2)对所述光刻胶层进行干涉光刻，形成光刻胶光栅；3)遮挡所述B光栅区，在A光栅区上，以所述光刻胶光栅为掩模，对基片进行正向离子束刻蚀，将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)遮挡所述A光栅区，在B光栅区上，以所述光刻胶光栅为掩模，对基片进行正向离子束刻蚀，将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；5)清洗基片，去除剩余光刻胶。6)遮挡B光栅区，以所述A光栅区的同质光栅为掩模，对基片进行球面转动斜向 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；7)遮挡A光栅区，以所述B光栅区的同质光栅为掩模，对基片进行球面转动斜向 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；
8)清洗基片，得到双闪耀角的闪耀光栅。可选的，在所述遮挡A光栅区或遮挡B光栅区时，使用的遮挡物固定在该基片上， 并和该基片做同步转动。可选的，所述遮挡物为一表面具有同心圆环的条纹板，该同心圆环的条纹板使得A 光栅区和B光栅区以彼此交替的形式重复排布在基片上。可选的，所述步骤6)或步骤7)中的球面转动斜向Ar离子束扫描刻蚀包括步骤将基片固定于旋转机架上，该旋转机架以所述基片的球冠状凸面所在球心为转动中心，以该基片的球冠状凸面所在球径为转动半径，携带基片进行旋转；采用球形掩模遮盖基片表面，所述球形掩模与基片表面同心，在该球形掩模表面设有开口，所述基片暴露于所述开口的区域为刻蚀区域；以Ar离子束对上述开口部分的基片进行斜向离子束刻蚀。可选的，所述开口为沿光栅栅线方向的条状细缝。可选的，所述正向离子束刻蚀的工艺参数为离子能量为380eV至520eV，离子束流为70mA至140mA，加速电压为240V至300V，工作压强为2. 0X10_2Pa。(要改吗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中的一种，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240V至300V，工作压强为2. 0X10_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I. 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. 65，周期为 300 至 6500nm。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刻蚀深度使斜向 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，所述球面转动斜向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240V至300V，工作压强2. 0 X IO^2Pa,刻蚀角度为
5。至 40。。由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点I.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.本发明在球面转动斜向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。
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I是现有的全息离子束刻蚀闪耀光栅的一般制作工艺图； 2是本发明的凸面双闪耀光栅制作方法流程3是球面转动斜向Ar离子束扫描刻蚀时的结构示意4是遮挡物为同心圆环结构时的结构示意5矩形光栅的几何关系6梯形光栅的几何关系7是本发明第一实施方式下各个步骤对应的效果示意图 8为本发明第二实施方式下各个步骤对应的效果示意图 9为本发明第三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凸面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的进行斜向离子束刻蚀，该方式存在如下的问题光刻胶经过光刻工艺之后形成的光栅，受曝光工艺和显影刻蚀工艺的限制，其槽形和槽深很难实现精确控制，另外由于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，其闪耀角与预期存在误差，没有办法实现精确控制。而本发明通过在球冠状凸面基片上先制作同质光栅，以该同质光栅为掩模进行球面转动斜向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，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。请参见图2，图2是本发明的凸面双闪耀光栅制作方法流程图。如图所示，本发明的凸面双闪耀光栅制作方法流程图包括步骤Sll :在基片上涂布光刻胶。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900nm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光刻，形成光刻胶光栅结构。所述光刻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。S13 :遮挡所述B光栅区，在A光栅区上，以所述光刻胶光栅为掩模，对基片进行正向离子束刻蚀，将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。所述正向离子束刻蚀采用Ar加CHF3组合刻蚀的方法进行，其具体的工艺参数为离子能量为380eV至520eV，离子束流为70mA至140mA，加速电压为240V至300V，工作压强为2. OXlO^2Pa0S14 :遮挡所述A光栅区，在B光栅区上，以所述光刻胶光栅为掩模，对基片进行正向离子束刻蚀，将光刻胶光栅结构转移到基片上，形成B光栅区的同质光栅，刻蚀深度由B 闪耀角决定。该正向离子束刻蚀的具体工艺参数与上述的一致，此处不再赘述B闪耀。S15 :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A光栅区同质光栅和B光栅区同质光栅。
S16 :遮挡B光栅区，以所述A光栅区的同质光栅为掩模，对基片进行球面转动斜向 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；S17 :遮挡A光栅区，以所述B光栅区的同质光栅为掩模，对基片进行球面转动斜向 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；请参见图3，图3是球面转动斜向Ar离子束扫描刻蚀时的结构示意图，如图所示， 该球面转动斜向Ar离子束扫描刻蚀包括步骤首先，将基片5固定于一旋转机架上(图中未示出)，该旋转机架以所述基片的球冠凸面所在球心为转动中心，以该基片的球冠凸面所在球径为转动半径，携带基片进行旋转；采用遮挡物9遮挡B光栅区(或A光栅区)。在一种实施方式中，该遮挡物9为覆盖半块基片的平面板或半球形板，该遮挡物9可以固定在基片5上，并同基片5做同步旋，此时形成的AB双光栅以上下结构分布于基片5上；该遮挡物9也可以固定在球形掩模6上，遮挡住一半的开口 7,此时形成的AB双光栅以左右结构分布在基片5上。在另一种实施方式中，该遮挡物9也可以是一种表面具有同心圆环结构的条纹板，如图4所示，该同心圆环的条纹板固定于基片5上并和基片5做同步旋转，此时A光栅区和B光栅区间隔交替的分布在基片5上。(以上的修改需要同步修改权利要求书中的表述么？如权利要求I所述的凸面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，使用的遮挡物固定在该基片上，并和该基片做同步转动。)米用球形掩模6遮盖基片5表面,所述球形掩模6与基片5表面同心,在该球形掩模表面设有开口 7，所述基片5暴露于所述开口 7的区域为刻蚀区域；以Ar离子束8对上述开口部分的基片进行斜向离子束刻蚀，离子束刻蚀的刻蚀角度a在图3中由其余角0表示，0的定义为球形掩模开口处与球心的连线与离子束入射方向的所夹形成的角度(离子束入射角)。具体的刻蚀角度a根据所需的闪耀角由下述经验公式得出0 s a -3。(I)在该经验公式⑴中，0 s为闪耀光栅的闪耀角，a为Ar离子束的刻蚀角，比如制作闪耀角0 s为15°的闪耀光栅，则Ar离子束的刻蚀角a为18°。一般来说，a的范围
在5°至40°左右。当离子束入射角Q确定之后，通过固定9角(实际就是固定球面掩模)，再以球心为轴进行转动刻蚀。特殊地，当球面掩模的开口为沿着光栅栅线方向的条状细缝时，可以保证凸面上的刻蚀角是基本一致的。图3中，cp+0=9O°。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。S18 :清洗基片，得到凸面闪耀光栅。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。考虑到球冠状凸面基片在进行球面转动斜向Ar离子束刻蚀的时候，受球面掩模的限制，其实际刻蚀区域接近平面，因此可以使用平面基底做简化计算， 求解同质光栅的几何关系。对于矩形光栅，请参见图5，其计算公式为
权利要求
1.一种凸面双闪耀光栅制作方法，该方法在一球冠状凸面基片上制作凸面双闪耀光栅，所述凸面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)在基片上涂布光刻胶；2)对所述光刻胶层进行干涉光刻，形成光刻胶光栅；3)遮挡所述B光栅区，在A光栅区上，以所述光刻胶光栅为掩模，对基片进行正向离子束刻蚀，将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)遮挡所述A光栅区，在B光栅区上，以所述光刻胶光栅为掩模，对基片进行正向离子束刻蚀，将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;5)清洗基片，去除剩余光刻胶。6)遮挡B光栅区，以所述A光栅区的同质光栅为掩模，对基片进行球面转动斜向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；7)遮挡A光栅区，以所述B光栅区的同质光栅为掩模，对基片进行球面转动斜向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；8)清洗基片，得到双闪耀角的闪耀光栅。
2.如权利要求I所述的凸面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，使用的遮挡物固定在该基片上，并和该基片做同步转动。
3.如权利要求2所述的凸面双闪耀光栅制作方法，其特征在于所述遮挡物为一表面具有同心圆环的条纹板，该同心圆环的条纹板使得A光栅区和B光栅区以彼此交替的形式重复排布在基片上。
4.如权利要求I所述的凸面双闪耀光栅制作方法，其特征在于所述步骤6)或步骤7) 中的球面转动斜向Ar离子束扫描刻蚀包括步骤将基片固定于旋转机架上，该旋转机架以所述基片的球冠状凸面所在球心为转动中心，以该基片的球冠状凸面所在球径为转动半径，携带基片进行旋转；米用球形掩模遮盖基片表面，所述球形掩模与基片表面同心，在该球形掩模表面设有开口，所述基片暴露于所述开口的区域为刻蚀区域；以Ar离子束对上述开口部分的基片进行斜向离子束刻蚀。
5.如权利要求4所述的凸面双闪耀光栅制作方法，其特征在于所述开口为沿光栅栅线方向的条状细缝。
6.如权利要求I所述的凸面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中的一种，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240V至 300V，工作压强为2. 0 X l(T2pa ；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I. 4X 10_2pa。。
7.如权利要求I所述的凸面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. 65，周期为300至6500nm。
8.如权利要求I所述的凸面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。
9.如权利要求I所述的凸面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刻蚀深度使斜向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。
10.如权利要求I所述的凸面双闪耀光栅制作方法，其特征在于所述球面转动斜向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24(^至30(^，工作压强2.0\10-牛&，刻蚀角度为5°至40。。
全文摘要
本发明是一种凸面双闪耀光栅的制作方法，所述凸面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，进行球面转动斜向Ar离子束扫描刻蚀得到所需的A、B闪耀光栅。由于在制作同质光栅时，可以控制正向离子束刻蚀的时间，使同质光栅的槽深得到精确控制，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G02B5/18GK102540301SQ20121003530
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月16日 优先权日2012年2月16日
发明者刘全, 吴建宏, 陈明辉 申请人:苏州大学