CN101799569A - 一种制作凸面双闪耀光栅的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制作凸面双闪耀光栅的方法，其特征在于，包括下列步骤：(1)在光栅基片上涂布光刻胶；(2)进行第一次干涉光刻，制作符合A闪耀角要求的光刻胶光栅掩模；(3)对于A光栅区的光栅掩模，通过倾斜Ar离子束扫描刻蚀，形成三角形的闪耀光栅槽形；清洗基片；(4)重新涂布光刻胶；(5)将B光栅区进行遮挡，利用已制备完成的A光栅区进行莫尔条纹对准，然后去除遮挡，进行第二次干涉光刻，制作符合B闪耀角要求的光刻胶光栅掩模；(6)通过倾斜Ar离子束扫描刻蚀，将B光栅区刻蚀形成三角形的闪耀光栅槽形；(7)清洗基片，得到凸面双闪耀光栅。本发明实现了凸面双闪耀光栅的制作，能够精确地分别控制两个闪耀角。

Description

一种制作凸面双闪耀光栅的方法

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一种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。1995年，意大利Galileo Avioniea公司用凸面光栅代替Offner中继光学系统中的凸面反射镜，研制出了世界上第一台凸面光栅超光谱成像仪系统，此后，凸面光栅成为了成像光谱仪的核心器件。

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，这种光栅称为闪耀光栅。闪耀使得光栅的衍射效率得到大大的提高。

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，出现了双闪耀光栅产品，以实现宽波段内，均有较高的、均匀的衍射效率。凸面双闪耀光栅由于具有宽波段的高效率优势，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1所示。首先在石英玻璃基底表面涂布光刻胶，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，再以此为光栅掩膜，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，光刻胶光栅掩模刻尽后就能在基底材料上得到三角形槽形。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。

当制作双闪耀光栅时，需要在相邻的区域形成两个不同闪耀角的光栅，并且这两个区域的光栅周期必须一致。

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双闪耀光栅结构。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栅掩模槽形的，故在实现双闪耀光栅结构时存在较大的困难。

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，可以实现双闪耀光栅结构。对于全息离子束刻蚀法，由于闪耀角是依赖光栅掩模槽形的，故在凸面基片上实现双闪耀光栅结构时困难更大。

因此，有必要寻求一种新的制备凸面双闪耀光栅的方法，解决上述问题。

发明内容

本发明目的是提供一种制作凸面双闪耀光栅的方法，以精确地实现闪耀角的控制，提高其衍射效率。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种制作凸面双闪耀光栅的方法，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，凸面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，所述凸面双闪耀光栅为凸球面光栅，制作方法包括下列步骤：

(1)在凸面基片上涂布光刻胶，光刻胶的厚度根据A闪耀角确定；

(2)进行第一次干涉光刻，制作符合A闪耀角要求的光刻胶光栅掩模；

(3)遮挡B光栅区，对于A光栅区的光栅掩模，进行倾斜Ar离子束扫描刻蚀，利用光刻胶光栅掩模对离子束的遮挡效果，使基底材料的不同位置先后被刻蚀，形成三角形的闪耀光栅槽形；之后清洗基片，保留下已刻蚀完的闪耀光栅槽形；

(4)在凸面基片上重新涂布光刻胶，光刻胶的厚度根据B闪耀角确定；

(5)将B光栅区进行遮挡，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，使得两次干涉光刻产生的光栅周期相一致，然后去除遮挡，进行第二次干涉光刻，制作符合B闪耀角要求的光刻胶光栅掩模；

(6)遮挡A光栅区，对于B光栅区的光栅掩模，进行倾斜Ar离子束扫描刻蚀，将B光栅区刻蚀形成三角形的闪耀光栅槽形；

(7)清洗基片，得到凸面双闪耀光栅；

其中，步骤(3)和步骤(6)中所述倾斜Ar离子束扫描刻蚀为，在凸面基片的外侧设置与凸面基片表面同心的球面掩模，所述球面掩模中心的法线方向与Ar离子束入射方向的角度等于对应刻蚀光栅闪耀角的Ar离子束入射角，以凸面基片的球心为转动中心，使凸面基片相对于入射离子束及球面掩模转动，实现扫描刻蚀。

上述技术方案中，对应刻蚀光栅闪耀角的Ar离子束入射角又称为Ar离子束倾斜角，是指在刻蚀对应某一闪耀角的平面闪耀光栅时，Ar离子束入射的倾斜角度。一般地，闪耀角θs与光刻胶光栅掩模的槽形和离子束入射角有关。这里给出闪耀角θs与槽形和离子束入射角θ(即离子束倾斜角)的经验公式，θs≈α-3°；α+θ＝90°，式中的α是离子束与光栅平面的夹角。

上述技术方案步骤(5)中，莫尔条纹对准的原理是：利用莫尔条纹的性质，即如果两个光栅之一移动，则等差条纹发生移动，当相对移动一个条纹的间距时，等差条纹就移动一个条纹间距。莫尔条纹的疏密(条纹间距d)与两光栅之间的夹角δ相对应，参见附图4所示。

利用光学莫尔条纹来实现对准的过程如下：

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，先把整块基片装到曝光支架上，把第二次需要曝光部分用黑板进行遮挡，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π。利用位相控制系统调节干涉光路，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。

c.将遮挡B光栅区的黑板撤掉，对B光栅区进行曝光，完成第二次干涉光刻。

在步骤(1)和(4)中光刻胶的厚度是与闪耀角相关的，在制作普通的闪耀光栅时，也需要进行确定。

上述技术方案中，步骤(2)中通过干涉光刻所制作的光栅结构的周期(Λ)为0.5～5.5微米；占宽比为0.35～0.65。

步骤(5)中通过干涉光刻所制作的光栅结构的周期(Λ)为0.5～5.5微米；占宽比为0.35～0.65。

步骤(3)和(6)中的Ar离子束扫描刻蚀的工艺参数为，离子能量380～520eV，离子束流70～110mA，加速电压250～300V，工作压强2.0×10^-2Pa，刻蚀角度55°～85°。

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.本发明采用两次干涉曝光、两次离子束刻蚀法，实现了凸面双闪耀光栅的制作，该方法充分利用了干涉光刻的高分辨率和离子束刻蚀的各向异性，相比已有的制作方法，能够精确地分别控制两个闪耀角。

2.本发明利用球面掩模，使凸面基片相对于入射离子束及球面掩模转动，实现扫描刻蚀，从而解决了直接采用离子束刻蚀难以实现凸面闪耀光栅制作的问题。

3.本发明利用光学莫尔条纹法进行莫尔条纹对准，保证了两个不同闪耀角的光栅区之间的光栅周期和取向的一致性。

附图说明

图1是现有技术中采用全息离子束刻蚀制作闪耀光栅的工艺示意图；

图2是采用全息离子束刻蚀制作凸面闪耀光栅的工艺示意图；

图3是转动扫描刻蚀的工艺示意图；

图4是莫尔条纹与光栅间夹角关系的示意图；

图5是实施例一中光刻胶光栅掩模的槽形和离子束入射角的关系示意图；

图6是本发明实施例中采用的光学系统示意图；

图7是实施例二中光刻胶光栅掩模的槽形和离子束入射角的关系示意图；

图8是实施例三中光刻胶光栅掩模的槽形和离子束入射角的关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：制作光栅周期为5微米，两个闪耀角分别是4°和8°的凸面双闪耀光栅的方法，其中凸面基片的口径是40毫米；曲率半径是80毫米，采用两次干涉曝光、两次离子束刻蚀法实现。采用全息离子束刻蚀制作凸面闪耀光栅的工艺参见附图2所示。

本实施例中，凸面双闪耀光栅的制作包括以下步骤：(矩形光刻胶光栅掩模)

(1)在凸面基片上涂布光刻胶，根据需要制作的双闪耀光栅的要求，即光栅周期(Λ)为5微米，两个闪耀角分别是4°和8°。根据闪耀角θs与槽形和离子束入射角的经验公式，θs≈α-3°。

参见附图5所示，由图5中的光栅掩模参数和离子束入射角θ，我们可以得到：

$\mathrm{tg\α}=\frac{d}{\mathrm{\Λ}-a}=\mathrm{tg}(90-\mathrm{\θ})$

可见不同的闪耀角时，要求光刻胶光栅掩模参数也相应不同。当光栅周期Λ和占宽比a/Λ一定时，要获得不同的闪耀角，就需要改变光栅掩模的厚度d。

采用矩形光刻胶光栅为例，首先制作4°闪耀角(A闪耀角)光栅，一般地，占宽比f＝a/Λ＝0.5，由公式 $\mathrm{tg\α}=\frac{d}{\mathrm{\Λ}-a}=\mathrm{tg}(90-\mathrm{\θ}),$ 可得光栅掩模的槽深(d)是307纳米。故这里涂布310纳米厚的光刻胶。

(2)进行第一次干涉光刻，制作符合A闪耀角要求的光刻胶光栅掩模，即光栅掩模的周期(Λ)为5微米；占宽比(f)约为0.5，槽深(d)约为307纳米。

(3)对于整个光栅掩模的一半(A光栅区)，通过设置转动支架的转动半径为80毫米，球形掩模中心与离子束入射方向的角度为83度，转动扫描实现倾斜Ar离子束刻蚀，利用光刻胶光栅掩模对离子束的遮挡效果，使基底材料的不同位置先后被刻蚀，以形成三角形的闪耀光栅槽形；这里离子束入射角θ＝90°-α＝83°，采用Ar离子束刻蚀，离子能量450eV，离子束流100mA，加速电压260V，工作压强2.0×10^-2Pa；刻蚀时间以光刻胶恰好刻完为最佳。之后清洗基片，在A光栅区得到刻蚀完成的4°闪耀角闪耀光栅，基片的另一半(即B光栅区)由于没有被刻蚀，故清洗后依然还是基片。转动扫描刻蚀的示意图参见附图3，离子束入射角θ确定之后，通过固定β角(实际就是固定球面掩模)，再以球心为轴进行转动刻蚀。只要球面掩膜开口合适，可以保证凸面上的刻蚀角是基本一致的。图中，β+θ＝90°。

(4)根据另一个闪耀角(即B闪耀角)，依照步骤(1)中的方法，确定8度闪耀角时，光栅掩模的槽深(d)是486纳米。故这里涂布490纳米厚的光刻胶。

(5)将B光栅区进行遮挡，利用已有的A光栅区，进行莫尔条纹对准，使得两次干涉曝光产生的光栅周期相一致，然后去除遮光，进行第二次干涉光刻(A光栅区可以不遮挡)，制作符合B闪耀角要求的光刻胶光栅掩模。即光栅掩模的周期(Λ)为5微米；占宽比(f)约为0.5，槽深(d)约为486纳米。

(6)再通过转动扫描实现倾斜Ar离子束刻蚀，将B光栅区刻蚀形成三角形的闪耀光栅槽形，这里离子束入射角θ＝90°-α＝79°，采用Ar离子束刻蚀，离子能量450eV，离子束流100mA，加速电压260V，工作压强2.0×10^-2Pa；刻蚀时间以光刻胶恰好刻完为最佳。

(7)清洗基片，在B光栅区得到刻蚀完成的8°闪耀角闪耀光栅，A光栅区由于没有被刻蚀，故清洗后依然还是4°闪耀角闪耀光栅，故得到了全息双闪耀光栅。

参见附图6，为本实施例中采用的光学系统示意图。入射激光被分束镜10分为两束，分别由第一反射镜11和第二反射镜21反射，分别经第一透镜12和第二透镜22在被制作的石英基材13表面形成干涉条纹。石英基材13表面可以划分为A光栅区14和B光栅区15，A光栅区14在干涉光束的照射下形成莫尔条纹16，用于实现石英基材13的定位。其中，第一反射镜11被安装于微位移器件17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。

本实施例中，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用黑板进行遮挡，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π。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6中反射镜11的前后位置，实现光程调节，达到位相控制的目的。

c.将遮挡B光栅区的黑板撤掉，对B光栅区进行曝光，完成第二次干涉光刻。

实施例二：本实施例制作的凸面双闪耀光栅光栅周期为1000纳米，两个闪耀角分别是10°和25°，其中凸面基片的口径是50毫米；曲率半径是100毫米，采用两次干涉曝光、两次离子束刻蚀法实现，包括以下步骤：(三角形光刻胶光栅掩模，参见附图7所示)

(1)在石英基片上涂布光刻胶，根据需要制作的双闪耀光栅的要求，即光栅周期(Λ)为1000纳米，两个闪耀角分别是10°和25°。根据闪耀角θs与槽形和离子束入射角的经验公式，θs≈α-3°。

采用三角形光刻胶光栅为例，首先制作10°闪耀角(A闪耀角)光栅，一般的占宽比f＝a/Λ＝0.5，由公式 $\mathrm{tg\α}=\frac{d}{\mathrm{\Λ}-\frac{a}{2}}=\mathrm{tg}(90-\mathrm{\θ}),$ 可得光栅掩模的槽深(d)是173纳米。故这里涂布180纳米厚的光刻胶。

(2)进行第一次干涉光刻，制作符合A闪耀角要求的光刻胶光栅掩模，即光栅掩模的周期(Λ)为1000纳米；占宽比(f)约为0.5，槽深(d)约为173纳米。

(3)对于整个光栅掩模的一半(A光栅区)，通过倾斜Ar离子束扫描刻蚀，利用光刻胶光栅掩模对离子束的遮挡效果，使基底材料的不同位置先后被刻蚀，以形成三角形的闪耀光栅槽形；离子束入射角θ＝90°-α＝77°，采用Ar离子束刻蚀，离子能量500eV，离子束流90mA，加速电压260V，工作压强2.0×10^-2Pa；刻蚀时间以光刻胶恰好刻完为最佳。之后清洗基片，在A光栅区得到刻蚀完成的10°闪耀角闪耀光栅，基片的另一半(即B光栅区)由于没有被刻蚀，故清洗后依然还是基片。

(4)根据另一个闪耀角(即B闪耀角)，依照步骤(1)中的方法，确定25°闪耀角时，光栅掩模的槽深(d)是398纳米。故涂布400纳米厚的光刻胶。

(5)将B光栅区进行遮挡，利用已有的A光栅区，进行莫尔条纹对准，使得两次干涉曝光产生的光栅周期相一致，然后去除遮光，进行第二次干涉光刻(A光栅区可以不遮挡)，制作符合B闪耀角要求的光刻胶光栅掩模。即光栅掩模的周期(Λ)为1000纳米；占宽比(f)约为0.5，槽深(d)约为398纳米。

(6)再通过倾斜Ar离子束扫描刻蚀，将B光栅区刻蚀形成三角形的闪耀光栅槽形，这里离子束入射角θ＝90°-α＝62°，采用Ar离子束刻蚀，离子能量500eV，离子束流90mA，加速电压260V，工作压强2.0×10^-2Pa；刻蚀时间以光刻胶恰好刻完为最佳。

(7)清洗基片，在B光栅区得到刻蚀完成的25°闪耀角闪耀光栅，A光栅区由于没有被刻蚀，故清洗后依然还是10°闪耀角闪耀光栅，由此得到全息双闪耀光栅。

参见附图6，为本实施例中采用的光学系统示意图。入射激光被分束镜10分为两束，分别由第一反射镜11和第二反射镜21反射，分别经第一透镜12和第二透镜22在被制作的石英基材13表面形成干涉条纹。石英基材13表面可以划分为A光栅区14和B光栅区15，A光栅区14在干涉光束的照射下形成莫尔条纹16，用于实现石英基材13的定位。其中，第一反射镜11被安装于微位移器件17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。

本实施例中，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用黑板进行遮挡，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π。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6中反射镜11的前后位置，实现光程调节，达到位相控制的目的。

c.将遮挡B光栅区的黑板撤掉，对B光栅区进行曝光，完成第二次干涉光刻。

实施例三：制作光栅周期为1000纳米，两个闪耀角分别是12度和25度的全息双闪耀光栅的方法，其中凸面基片的口径是40毫米；曲率半径是90毫米，采用两次干涉曝光、两次离子束刻蚀法实现，包括以下步骤：(正弦形光刻胶光栅掩模，参见附图8所示)

(1)在石英基片上涂布光刻胶，根据需要制作的双闪耀光栅的要求，即光栅周期(Λ)为1000纳米，两个闪耀角分别是12°和25°。根据闪耀角θs与槽形和离子束入射角的经验公式，θs≈α-3°。

采用正弦形光刻胶光栅为例，首先制作12°闪耀角(A闪耀角)光栅，该光栅的占宽比f＝a/Λ＝0.5，光栅的轮廓可以用方程y＝-d×sin(2πx/Λ)来表示，图中所示的切线通过原点，且Λ/2＜x0＜(3/4)Λ。通过计算可得到 $\mathrm{tg\α}=\frac{y_0}{x_0}=1.365\frac{d}{\mathrm{\Λ}},$ 可得光栅掩模的槽深(d)是196纳米。故这里涂布200纳米厚的光刻胶。

(2)进行第一次干涉光刻，制作符合A闪耀角要求的光刻胶光栅掩模，即光栅掩模的周期(Λ)为1000纳米；占宽比(f)约为0.5，槽深(d)约为196纳米。

(3)对于整个光栅掩模的一半(A光栅区)，通过倾斜Ar离子束扫描刻蚀，利用光刻胶光栅掩模对离子束的遮挡效果，使基底材料的不同位置先后被刻蚀，以形成三角形的闪耀光栅槽形；这里离子束入射角θ＝90°-α＝75°，采用Ar离子束刻蚀，离子能量500eV，离子束流100mA，加速电压280V，工作压强2.0×10^-2Pa；刻蚀时间以光刻胶恰好刻完为最佳。之后清洗基片，在A光栅区得到刻蚀完成的12°闪耀角闪耀光栅，基片的另一半(即B光栅区)由于没有被刻蚀，故清洗后依然还是基片。

(4)根据另一个闪耀角(即B闪耀角)，依照步骤(1)中的方法，确定25°闪耀角时，光栅掩模的槽深(d)是389纳米。故这里涂布400纳米厚的光刻胶。

(5)将B光栅区进行遮挡，利用已有的A光栅区，进行莫尔条纹对准，使得两次干涉曝光产生的光栅周期相一致，然后去除遮光，进行第二次干涉光刻(A光栅区可以不遮挡)，制作符合B闪耀角要求的光刻胶光栅掩模。即光栅掩模的周期(Λ)为1000纳米，槽深(d)约为389纳米。

(6)再通过倾斜Ar离子束扫描刻蚀，将B光栅区刻蚀形成三角形的闪耀光栅槽形，这里离子束入射角θ＝90°-α＝62°，采用Ar离子束刻蚀，离子能量500eV，离子束流100mA，加速电压280V，工作压强2.0×10^-2Pa；刻蚀时间以光刻胶恰好刻完为最佳。

(7)清洗基片，在B光栅区得到刻蚀完成的25°闪耀角闪耀光栅，A光栅区由于没有被刻蚀，故清洗后依然还是12°闪耀角闪耀光栅，故得到了全息双闪耀光栅。

参见附图6，为本实施例中采用的光学系统示意图。入射激光被分束镜10分为两束，分别由第一反射镜11和第二反射镜21反射，分别经第一透镜12和第二透镜22在被制作的石英基材13表面形成干涉条纹。石英基材13表面可以划分为A光栅区14和B光栅区15，A光栅区14在干涉光束的照射下形成莫尔条纹16，用于实现石英基材13的定位。其中，第一反射镜11被安装于微位移器件17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。

本实施例中，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用黑板进行遮挡，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π。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6中反射镜11的前后位置，实现光程调节，达到位相控制的目的。

c.将遮挡B光栅区的黑板撤掉，对B光栅区进行曝光，完成第二次干涉光刻。

Claims (4)

1.一种制作凸面双闪耀光栅的方法，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，凸面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，所述凸面双闪耀光栅为凸球面光栅，其特征在于，制作方法包括下列步骤：

(1)在凸面基片上涂布光刻胶，光刻胶的厚度根据A闪耀角确定；

(2)进行第一次干涉光刻，制作符合A闪耀角要求的光刻胶光栅掩模；

(3)遮挡B光栅区，对于A光栅区的光栅掩模，进行倾斜Ar离子束扫描刻蚀，利用光刻胶光栅掩模对离子束的遮挡效果，使基底材料的不同位置先后被刻蚀，形成三角形的闪耀光栅槽形；之后清洗基片，保留下已刻蚀完的闪耀光栅槽形；

(4)在凸面基片上重新涂布光刻胶，光刻胶的厚度根据B闪耀角确定；

(5)将B光栅区进行遮挡，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，使得两次干涉光刻产生的光栅周期相一致，然后去除遮挡，进行第二次干涉光刻，制作符合B闪耀角要求的光刻胶光栅掩模；

(6)遮挡A光栅区，对于B光栅区的光栅掩模，进行倾斜Ar离子束扫描刻蚀，将B光栅区刻蚀形成三角形的闪耀光栅槽形；

(7)清洗基片，得到凸面双闪耀光栅；

其中，步骤(3)和步骤(6)中所述倾斜Ar离子束扫描刻蚀为，在凸面基片的外侧设置与凸面基片表面同心的球面掩模，所述球面掩模中心的法线方向与Ar离子束入射方向的角度等于对应刻蚀光栅闪耀角的Ar离子束入射角，以凸面基片的球心为转动中心，使凸面基片相对于入射离子束及球面掩模转动，实现扫描刻蚀。

2.根据权利要求1所述的制作凸面双闪耀光栅的方法，其特征在于：步骤(2)中通过干涉光刻所制作的光栅结构的周期(Λ)为0.5～5.5微米；占宽比为0.35～0.65。

3.根据权利要求1所述的制作凸面双闪耀光栅的方法，其特征在于：步骤(5)中通过干涉光刻所制作的光栅结构的周期(Λ)为0.5～5.5微米；占宽比为0.35～0.65。

4.根据权利要求1所述的制作全息双闪耀光栅的方法，其特征在于：步骤(3)和(6)中的倾斜Ar离子束扫描刻蚀的工艺参数为，离子能量380～520eV，离子束流70～110mA，加速电压250～300V，工作压强2.0×10^-2Pa，刻蚀角度55°～85°。

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