专利名称：一种全息闪耀光栅制作方法
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。全息离子束刻蚀是一种比较普遍的用来制作闪耀光栅的方法。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图1所示。首先在石英玻璃基片1表面涂布光刻胶2，经过全息曝光、显影、定影等处理后，基片上形成表面浮雕光刻胶光栅掩模 3，再以此为光栅掩模3，进行斜Ar离子束刻蚀。利用掩模对离子束的遮挡效果，使基片的不同位置先后被刻蚀，将光刻胶刻完后就能在基片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。然而对于全息离子束刻蚀法，由于光栅闪耀角主要依赖于光刻胶掩模的光栅占宽比、槽深以及槽形三个因素，而光刻胶在干涉曝光的过程，对于占宽比、刻蚀深度以及槽形的控制都是目前尚未很好解决的几大难题，故在实现闪耀角控制时存在较大的困难。因此，有必要寻求一种新的制作全息闪耀光栅的方法，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闪耀角的全息闪耀光栅的制作方法。根据本发明的目的提出的一种全息闪耀光栅制作方法，包括步骤1)在基片上涂布光刻胶；2)对所述光刻胶层进行光刻，形成光刻胶光栅；3)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，形成同质光栅；4)清洗基片，去除剩余光刻胶。5)以同质光栅为掩模，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，形成三角形的闪耀光栅槽形；6)清洗基片，得到全息闪耀光栅。
可选的，所述步骤1)中涂布的光刻胶厚度为200nm至500nm。可选的，在所述步骤2)之后还包括对光刻胶光栅结构进行灰化处理，以调节光刻胶光栅的占宽比。可选的，所述步骤3)中，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-M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 ICT2Pa ；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 1.4Xl(T2Pa。可选的，所述同质光栅的占宽比为0. 25-0. 6，周期为300nm至3000nm。可选的，所述同质光栅为矩形光栅或梯形光栅。可选的，所述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，所述步骤4)中，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8°至40°。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.本发明采用灰化技术、离子束刻蚀，实现了对同质光栅掩模槽形的精确控制 (灰化实现对光栅占宽比f的控制，离子束刻蚀实现对槽深d的控制)。2.本发明利用倾斜离子束刻蚀同质光栅掩模，实现了对闪耀角的精确控制。
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是现有的全息离子束刻蚀闪耀光栅的一般制作工艺图；图2是本发明的全息闪耀光栅制作方法流程图；图3矩形光栅的几何关系图；图4梯形光栅的几何关系图；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为本发明第二实施方式下各个步骤对应的效果示意图；图7为本发明第三实施方式下各个步骤对应的效果示意图；图8为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闪耀光栅制作方法中，在光刻胶上制作光栅，并以该光刻胶光栅为掩模的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离子束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，可以控制光栅的占宽比，因此对闪耀光栅的制作，只要设定好上述几个参量，就能得到所需的闪耀角，实现闪耀光栅制作工艺的精确控制。请参见图2，图2是本发明的全息闪耀光栅制作方法流程图。如图所示，本发明的全息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，该灰化工艺可以使光栅结构的占宽比在0. 25 至0. 6的范围内进行有效的调节。S13:以所述光刻胶光栅结构为掩模，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，形成同质光栅。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. OXlCT2Pa ； 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 以同质光栅为掩模，对基片进行斜向Ar离子束扫描刻蚀，利用同质光栅形成的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，形成三角形的闪耀光栅槽形。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°。一般来说，现在应用到的闪耀光栅的闪耀角θ8不超过40°，通常在5°至37°左右，因此Ar离子束的刻蚀角 α范围为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. 0 X IO-2Pa0S16 清洗基片，得到全息闪耀光栅。在上述的制作方法中，通过正向离子束刻蚀得到的同质光栅的槽形可以是矩形光栅、也可以是梯形光栅。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3，其计算公式为
权利要求
1.一种全息闪耀光栅制作方法，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光刻，形成光刻胶光栅；3)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，形成同质光栅；4)清洗基片，去除剩余光刻胶；5)以同质光栅为掩模，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，形成三角形的闪耀光栅槽形；6)清洗基片，得到全息闪耀光栅。
2.如权利要求1所述的全息闪耀光栅制作方法，其特征在于所述步骤1)中涂布的光刻胶厚度为200nm至500nm。
3.如权利要求1所述的全息闪耀光栅制作方法，其特征在于在所述步骤2)之后还包括对光刻胶光栅结构进行灰化处理，以调节光刻胶光栅的占宽比。
4.如权利要求1所述的全息闪耀光栅制作方法，其特征在于所述步骤3)中，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. OX ICT2Pa ;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1.4Xl(T2Pa。
5.如权利要求1所述的全息闪耀光栅制作方法，其特征在于所述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所述的全息闪耀光栅制作方法，其特征在于所述同质光栅为矩形光栅或梯形光栅。
7.如权利要求1所述的全息闪耀光栅制作方法，其特征在于所述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所述的全息闪耀光栅制作方法，其特征在于所述步骤4)中，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240￥至300￥，工作压强2.0\10-牛3，刻蚀角度为8°至40°。
全文摘要
本发明是一种全息闪耀光栅的制作方法，通过先在基片上制作同质光栅，以该同质光栅为掩模，进行斜向离子束刻蚀得到所需的闪耀光栅。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，另外在干涉光刻得到光刻胶光栅之后，可以进一步增加灰化工艺，控制光刻胶光栅的占宽比，从而控制所需的同质光栅的占宽比，因此本发明的制作方法实现了制作闪耀光栅的多参数控制，提高了制作精度。
文档编号G03F7/00GK102360093SQ20111031845
公开日2012年2月22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