一种以透明陶瓷为基底材料制作二元光学元件的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种以透明陶瓷为基底材料制作二元光学元件的方法，具体涉及一种二元光学元件材料，属于光学材料技术领域。
【背景技术】
[0002]传统的微光刻基底材料为硅基底材料、普通光学玻璃等，这些材料存在着某些不足:只能在可见光范围内适用；有的材料本身不透明，脆性大，无法用作透射式器件；有的材料熔点低，硬度低，无法应用于高温、高压、高强度的环境中；有的材料重量大，不利于器件的轻量化……而透明陶瓷材料具有相对这些传统材料更多的优点:耐高温，耐高压，耐腐蚀，高硬度，在可见光和红外波段均有良好的透过率，能成为优良的光刻基底材料。
[0003]近年来，透明陶瓷作为一种广受关注的新型光功能材料，在军事、科研、工业和医疗等领域的应用前景十分广阔。具有各向同性的立方晶体结构的钇铝石榴石(YttriumAluminum Garnet, YAG)因其具有优良的光学性能、稳定的化学性能和良好的力学性能，成为制备透明陶瓷的理想基体。相比于晶体，YAG透明陶瓷具有生产周期短，光均匀性好，耐热冲击性好，能批量生产等优点，使其成为性能优良的激光工作物质。同时，YAG透明陶瓷的诸多优点也能使其成为二元光学器件的理想载体，而目前国内未有该方面的技术报道。因此，进一步拓宽YAG透明陶瓷作为结构材料和功能材料的应用的研宄显得尤为重要。
[0004]作为精密光学仪器核心单元器件之一的衍射二元光学元器件(如光栅等分光器件)，在许多光学工程应用中，都显示出越来越重要的应用价值和广阔的应用前景。随着二元光学元器件应用的不断深入，对其性能的要求也逐渐提高，使得二元光学元器件具有在特殊环境下工作的性能成为近来研宄的热点。
【发明内容】
[0005]本发明公开了一种以透明陶瓷为基底材料制作二元光学元件的方法。用透明陶瓷取代了传统光刻工艺中的基底材料。通过磁控溅射系统在透明陶瓷表面溅射一层致密的金属膜，使得金属膜与透明陶瓷结合牢固，借助接触式光刻系统将掩模板中的光栅结构转印到金属膜中，使得二元光栅结构长久保留在透明陶瓷面上。本发明提出了一种新型光刻基底材料，相比于普通玻璃、硅片等传统基材，透明陶瓷为基底材料制作的二元光学元件的优势表现在:耐高温，耐高压，耐腐蚀，高硬度，在可见光和红外波段均有良好的透过率。
[0006]本发明一种以透明陶瓷为基底材料制作二元光学元件的方法，其特征在于:采用未掺杂的钇铝石榴石透明陶瓷用作二元光学元件的基底材料，工艺流程:包括透明陶瓷表面处理、磁控溅射镀膜、旋转涂胶、前烘、曝光、后烘、显影、坚膜、刻蚀和去胶工序。
[0007](I)透明陶瓷表面处理抛光后的透明陶瓷表面分别用酒精檫拭、超声波清洗5分钟，水洗后再进行干燥处理。
[0008](2)磁控溅射镀膜经表面处理的透明陶瓷置于磁控溅射炉中镀金属铬膜，真空度控制在10_4Pa后，通入氩气，调节电流为0.4A，溅射电压为0.38KV，透明陶瓷预溅射2?5分钟移开挡板后，溅射60?120秒，再经氩气钝化处理3分钟后冷却至70°C以下，得到与透明陶瓷紧密结合的致密金属铬薄膜。
[0009](3)旋转涂胶
镀铬膜的透明陶瓷先在1000转/min条件下旋转10秒，然后在3900转/min的条件下旋转20秒，使光刻胶均匀粘附在透明陶瓷铬膜表面，光刻胶的厚度控制在1.0 μπι。
[0010](4)前烘
将涂胶的镀铬透明陶瓷在90?100°C，烘3?5分钟。
[0011](5)曝光
将透明陶瓷带有光刻胶的一面与掩模板两者紧密叠在一起，通过接触式光刻装置，曝光15?25秒。
[0012](6)后烘
将已曝光的透明陶瓷在100?110°C，烘烤2?3分钟。
[0013](7)显影
后烘处理的透明陶瓷在钠黄光的环境下显影，显影液为质量浓度3.5%。的NaOH溶液，显影温度20±1°C，显影30?50秒，并用温度接近但不超过30°C的温水定影，将掩模板中的二元光学元件微结构以光刻方式转移到透明陶瓷上的光刻胶中。
[0014](8)坚膜
将显影后的透明陶瓷在100?110°C烘干处理2分钟。
[0015](9)刻蚀
采用湿法刻蚀，采用200g硝酸铈铵、质量浓度为98%的醋酸35ml和去离子水100ml混合配成的溶液对坚膜处理的透明陶瓷进行化学刻蚀，刻蚀温度20±1°C，刻蚀时间50?70秒，将光刻胶上的图像转移到透明陶瓷上的致密的铬金属膜层中。
[0016](10)去胶
采用溶剂去胶，在室温的条件下，将刻蚀后的铬版放在质量浓度为5%的NaOH溶液中浸泡I分钟以内，去除透明陶瓷表面的光刻胶，得到带有二元光栅结构的透明陶瓷。
[0017]所述的金属铬膜中铬的纯度99.99%，与透明陶瓷表面紧密结合的均匀致密的金属铬膜厚度为150?300nmo
[0018]所述的接触式光刻装置包括高压汞灯紫外光源，扩束准直透镜组、掩模板、三维微位移调整平台，以及涂敷光刻胶的透明陶瓷材料。
[0019]本发明具有以下优点:
本发明利用未掺杂的钇铝石榴石(简称YAG)透明陶瓷代替传统的光刻基底材料，能够在可见光和红外波段均获得良好的透过率。在透明陶瓷上的光栅等二元光学元件微结构能够在更为复杂的环境中发挥作用，具有传统的光刻基材无可比拟的优点:耐高温，耐高压，耐腐蚀，高硬度等，能够克服传统光刻基材只能在半导体硅系列基底材料上适用的不足，材料本身不透明，无法用作透射式器件，而且材料脆性大、硬度低，无法应用于高温、高压、高强度的环境中。
【附图说明】
[0020]图1为接触式曝光系统示意图；
图中标号:1、汞灯光源；2、透镜组；3、整形后的平行光；4、掩模板；5、光刻胶；6、铬膜；7、透明陶瓷；
图2为镀膜透明陶瓷制作光栅元件的工艺流程图；
图3为透明陶瓷；
图4为磁控溅射镀膜后的透明陶瓷；
图5为透明陶瓷上二元光学元件设计图；
图6为二元衍射光栅内部结构放大图；
图7为以透明陶瓷为基材的光栅元件反射衍射图；
图8为以透明陶瓷为基材的光栅元件透射衍射图。
【具体实施方式】
[0021]实施实例I
本发明一种以透明陶瓷为基底材料制作二元光学元件的方法，采用未掺杂的钇铝石榴石透明陶瓷用作二元光学元件的基底材料，工艺流程包括:透明陶瓷表面处理、磁控溅射镀膜、旋转涂胶、前烘、曝光、后烘、显影、坚膜、刻蚀和去胶工序。
[0022]I)透明陶瓷表面处理
对透明陶瓷(简称YAG)进行镀膜前处理，通过研磨机抛光获得表面接近镜面的透明陶瓷，用酒精溶液清洗，再用超声波清洗机清洗5分钟，待陶瓷表面完全干燥后进入镀膜阶段。
[0023]2)磁控溅射镀抗氧化金属膜
2.1用酒精清洗磁控溅射炉腔，清除污垢、附着物和之前残留的沉积物。
[0024]2.2加热和抽气。将透明陶瓷夹入托盘中，装入真空室，开启基体承载架旋转功能，均匀镀金属铬膜(铬纯度99.99%)。关闭腔体盖板，开加热器个基体加热打开机械泵，等到真空计读数小于1Pa的时候开电磁阀，等到真空计读数再次小于1Pa时启动分子泵，直到真空计读数到10_4Pa。
[0025]2.3预溅射。打开氩气阀通气，调节气体流量，实验为20sCCm，打开基体保护盖用挡板挡住靶材，调节电流为0.4A，溅射电压为0.38KV。预溅