CN102279429B - 一种取样光栅的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种取样光栅的制作方法，包括：提供基板，并在所述基板上制作取样光栅；测量所述取样光栅上各个区域的衍射效率；当所述取样光栅上某区域的衍射效率大于预设的衍射效率范围时，对该区域进行研磨，直至该区域的衍射效率在预设的衍射效率范围内。本发明的制作方法可以制作出的均匀性较好的取样光栅。

Description

一种取样光栅的制作方法

技术领域

本发明涉及光栅制作技术领域，更具体的说是涉及一种取样光栅的制作方法。

背景技术

能量、峰值功率等是反映超强超快激光系统性能优劣的重要指标，因此准确测量这几个指标对于超强超快激光技术的应用十分重要。由于超强超快激光能量大且持续时间短，无法直接对该能量进行测量，一般需通过取样间接测出。

一般采用光束取样光栅来完成对超强超快激光能量的测量，光束取样光栅实际上可以看成是一个全息透镜，参见图1，利用光束取样光栅对超强超快激光能量取样测量的工作原理为：一束平行光垂直入射至光束取样光栅上会发生衍射，衍射零级光在原入射光的行进方向上汇聚为一点，而作为取样光的以及衍射光偏离原入射光方向汇聚至另一点。其中入射光的总能量I_总为：I_总=∫_光栅面内i_入射(x,y)dxdy；其中，i_入射(x,y)为入射光束的能量在空间上的分布。而一级衍射光的能量，即取样光的能量I_采样为：I_采样=∫_光栅面内i_入射(x,y)·η(x,y)dxdy；其中，η(x,y)为光束取样光栅上各点对应的衍射效率。如果η(x,y)为定值，取样光的能量I_采样将与入射光的总能量I_总成正比，测量得到取样光能量大小以及光束取样光栅的衍射效率，将能准确得到入射超强脉冲激光能量大小。

由以上分析可知，为了能根据取样光的能量得到入射光的总能量，需要保证取样光栅上各点对应的衍射效率η(x,y)为定值，即，保证取样光栅上衍射效率的均匀性，因此取样光栅在整个光学面上的衍射效率的均匀性是衡量光束取样光栅性能优劣重要指标，也是准确测量入射光能量大小的保证。也就是说，表征取样光栅均匀性的指标（RMS，Root Meam Square Error——均方根误差）的值越小，测量出的入射光能量的准确性越高。但是，现有工艺下制作出的取样光栅的衍射效率的均匀性较差，表征光栅均匀性的指标RMS值较大，利用现有的取样光栅测量超强超快激光能量时，测出的能量值与真实值之间的差距较大，准确性低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种取样光栅的制作方法，该制作方法制作出的取样光栅的均匀性较好。

为实现上述目的，本发明提供了一种取样光栅的制作方法，包括：

A、提供基板，并在所述基板上制作取样光栅；

B、利用光电探测器测量所述取样光栅上各个区域的衍射效率；

C、当所述取样光栅上某区域的衍射效率大于预设的衍射效率范围时，

查询预先建立的光栅衍射效率与光栅槽形参数的对应关系，确定对该区域进行研磨的深度和方向；

依据所述研磨的深度和方向，对所述取样光栅上衍射效率大于预设范围的区域进行研磨，直至该区域的衍射效率在预设的衍射效率范围内；

其中，所述研磨的方式为光学冷加工的研磨抛光技术，对所述取样光栅的栅齿的线条进行研磨。

优选的，所述光栅槽形参数包括：所述取样光栅的槽深和/或占宽比；

所述查询预先建立的光栅衍射效率与光栅槽形参数的对应关系，确定该区域进行研磨的深度和方向，包括：

查询光栅衍射效率与光栅的槽深和/或光栅衍射效率与占宽比之间的对应关系，得出所述衍射效率大于预设范围的区域的光栅需要降低的深度和宽度，以确定研磨的深度和方向。

优选的，当所述取样光栅上某区域的衍射效率大于预设的衍射效率时，对该区域进行研磨，包括：

在研磨过程中，每隔预定时间对研磨区域的衍射效率进行测量，当测量出研磨区域的衍射效率在所述预设的衍射效率范围内时，停止研磨。

优选的，所述步骤C的过程具体，包括：

研磨指定时间后，测量所述取样光栅上各个区域的衍射效率，根据测量出的各个区域的衍射效率计算衍射效率的均匀性指标值RMS是否小于预设值，如果否，则重复步骤B和C，直至该区域的衍射效率在预设的衍射效率范围内。

优选的，所述测量所述取样光栅上各个区域的衍射效率，包括：

将激光束分别照射到所述取样光栅的各个区域上，用光电探测器接收光栅的衍射光，测量出取样光栅各个区域的衍射效率。

优选的，在所述基板上制作取样光栅，包括：

以具有所述取样光栅图形的光刻胶层为掩膜，采用干法刻蚀或湿法腐蚀工艺，去除未被光刻胶层覆盖的基板材料，在所述基板上形成取样光栅。

优选的，形成所述具有取样光栅图形的光刻胶层的过程具体为：采用全息曝光技术在所述光刻胶层上制作出取样光栅图案；

采用化学清洗工艺去除多余的光刻胶，在所述光刻胶层表面内制作出取样光栅图形。

优选的，形成所述具有所述取样光栅图形的光刻胶层的过程具体为：采用激光直写的方式在所述光刻胶层上制作出取样光栅图案；

采用化学清洗工艺去除多余的光刻胶，在所述光刻胶层表面内制作出取样光栅图形。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种取样光栅的制作方法，该方法在基板上制作取样光栅；测量取样光栅上各个区域的衍射效率，当取样光栅上某区域的衍射效率大于预设的衍射效率，对该区域进行研磨，直至该区域的衍射效率在预设范围内。本发明通过对取样光栅上衍射效率大于预设范围的区域进行局部研磨，直至该区域的衍射效率在预设的衍射效率范围内，在研磨过程中，通过取样光栅的槽型参数与衍射效率的反馈关系，可直接通过改变光栅的槽型参数来得到预设范围内的衍射效率，从而可以使取样光栅上各个区域的衍射效率均在预设范围内，保证了取样光栅衍射效率的均匀性，进而降低了衍射效率均匀性指标RMS的值。

附图说明

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为利用取样光栅对入射光束进行能量测量的原理示意图；

图2为本发明一种取样光栅的制作方法一个实施例的流程示意图；

图3为利用细激光束测量取样光栅上各区域衍射效率的示意图；

图4为制作取样光栅的图像过程中的全息记录光学系统示意图；

图5为本发明中预先建立的光栅衍射效率与取样光栅槽深之间的对应关系示意图；

图6为本发明一种取样光栅的制作方法另一实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

制作取样光栅需要经过涂布光刻胶、曝光、显影、离子刻蚀等诸多步骤。为了取样光栅的均匀性，对各个步骤的工艺均提出了较高的要求，但是由于现有工艺水平的限制，制作出的取样光栅的均匀性较差，取样光栅的均匀性指标RMS一般均大于20%。如，在制作取样光栅的过程中，光刻胶涂布的均匀性、曝光光场的均匀性等因素均会影响到制作出的取样光栅的均匀性。而取样光栅的均匀性指标RMS的值越小，利用该取样光栅测量得到的光束的能量越准确。

为了能在现有的工艺水平下，制作出均匀性较好的取样光栅，降低取样光栅的均匀性指标的数值，本发明提供了一种取样光栅的制作方法，参见图2，为本发明一种取样光栅的制作方法的一个实施例的流程示意图，包括：

步骤201：提供基板，并在所述基板上制作取样光栅。

提供一个用于制作取样光栅的基板，该基板可以为石英基片，在该基板上制作取样光栅。在基板上制作取样光栅的过程包括：以具有取样光栅图形的光刻胶层为掩膜，采用干法刻蚀或湿法腐蚀工艺，去除未被光刻胶层覆盖的基板材料，在所述基板上形成取样光栅。该过程具体可以包括：在该基板上涂布光刻胶，制作出光刻胶基板；采用全息曝光技术或激光直写的方式在光刻胶基板的光刻胶层上制作出光栅图案得到光刻胶掩膜图形，采用湿法腐蚀或干法离子刻蚀等化学清洗工艺去除多余的光刻胶，在光刻胶层表面内制作出取样光栅图形，即，将光刻胶掩膜图形转移至石英基板上，得到石英取样光栅。

其中，采用全息曝光的方式在光刻胶基板上制作光刻胶掩模图形的过程可以参见图4，由待制作的取样光栅的技术参数，如，取样角和取样距离，根据全息光学原理，开展全息光学记录设计，按照光路设计构建全息记录光学系统，将光刻胶基板置于干涉光场中指定位置，该指定位置对应的干涉条纹即为所需记录的待制作的取样光栅的图形，并对光刻胶基板进行全息曝光，在光刻胶层中记录该干涉条纹，并对记录有干涉条纹的光刻胶层进行显影得到具有取样光栅图形的光刻胶层，得到潜像光栅。

利用激光直写的方式在光刻胶层中制作具有取样光栅图形的光刻胶层包括：将待制作的取样光栅的图案直接输入激光直写系统的图形发生器，产生激光直写头运动、曝光等控制的驱动信号，直接将图案“写至”光刻胶基板的光刻胶层中，得到潜像光栅。对具有潜像光栅的光刻胶层进行显影得到光刻胶掩模图形，之后可以进行刻蚀等操作得到取样光栅。

步骤202：测量所述取样光栅上各个区域的衍射效率。

利用激光束入射到取样光栅上，用光电探测器接收取样光栅中的衍射光，测量制作出的取样光栅的衍射效率。为了确定取样光栅上的均匀性，需要对取样光栅上各个区域进行扫描测量，得到各个区域的衍射效率，进而得到整个取样光栅效率分布图，从而可以确定出哪些区域的衍射效率较大，哪些区域的衍射效率超过预设的衍射效率。

参见图3，为测量取样光栅上各区域的衍射效率的示意图，以对取样光栅上的区域1、区域2和区域3的测量为例，利用细激光光束照射该取样光栅中的区域1、区域2、区域3，照射这三个区域的细激光束发生衍射，利用光电探测器接收细激光束在这三个区域产生的一级衍射光，进而测量这三个区域的衍射效率。

例如，在进行入射激光能量的测量时，要求取样光栅的衍射效率为0.3%，可以将预设的衍射效率设定为0.3%×（1±5%），从而根据测量出的各个区域的衍射效率得到衍射效率大于该预设的衍射效率的光栅区域。

步骤203：当所述取样光栅上某区域的衍射效率大于预设的衍射效率时，对该区域进行研磨，直至该区域的衍射效率在预设范围内。

当确定出取样光栅中衍射效率大于预设的衍射效率的区域后，对衍射效率较高的区域进行研磨，直至该区域的衍射效率在预设的衍射效率范围内。

其中，对取样光栅中衍射效率较高的区域进行研磨时可以采用光学冷加工的研磨抛光技术。也就是说，借鉴光学元件的研磨抛光工艺对该取样光栅中局部区域的取样光栅的栅齿的线条进行研磨，以降低该区域的衍射效率。

需要说明的是，取样光栅的衍射效率与取样光栅的栅齿高度（或称为槽深）、占宽比等有关，其中，占宽比是指栅齿宽度所占的比例，栅齿的高度和占宽比的改变会影响到取样光栅的衍射效率的均匀性。为了降低取样光栅某区域的衍射效率，需要对该区域进行研磨，以降低该区域的栅齿高度和/或栅齿的占宽比。为了确定研磨过程中研磨的方向和需要研磨的深度，需要查询预先建立的光栅衍射效率与光栅槽形参数的对应关系，确定出对衍射效率较高的区域进行研磨的深度和方向。并依据确定的研磨深度和方向，对取样光栅上衍射效率大于预设范围的区域进行研磨。研磨的方向可以为平相与光栅的平面进行研磨、或沿取样光栅平面的法线方向进行研磨，当然研磨方向还可以与取样光栅的栅齿成一定角度。

其中，光栅槽形参数可以包括：取样光栅的槽深，和/或占宽比、还可以包括光栅的栅齿线密度（或空间频率）等参数。当光栅槽形参数中包含取样光栅槽深，即占空比时，光栅衍射效率与槽深之间会有一定的对应关系，查询预先建立的光栅衍射效率与光栅的槽深的对应关系，可以查询出某个光栅衍射效率值对应的取样光栅的栅齿高度，得出衍射效率大于预设范围的区域的光栅的栅齿需要降低的深度和宽度，以确定研磨的深度和方向。

如果在光栅槽形参数中包含取样光栅的占宽比时，光栅衍射效率与取样光栅的占宽比之间会有一定的对应关系，查询预先建立的光栅衍射效率与光栅的占宽比的对应关系，可以查询出某个光栅衍射效率值对应的取样光栅的占宽比，得出衍射效率大于预设范围的区域的光栅的栅齿需要降低的深度和宽度，以确定研磨的深度和方向。

当然，在预先建立的光栅衍射效率与槽形参数的对应关系中，可以为光栅衍射效率与光栅的槽深和占宽比的对应关系，进而测量出某区域的衍射效率后可以直接查询该对应关系，进而确定出该区域的栅齿的高度与占宽比，以及预设的衍射效率对应的栅齿的高度和占宽比，以便得到需要研磨的高度以及宽度，以确定研磨的方向以研磨过程中的研磨角度等，研磨方向和研磨角度可能会影响到槽深和占宽比的变化，如，当沿平行于取样光栅的平面进行研磨时，取样光栅的栅齿高度会发生改变，但是取样光栅的栅齿宽度不会发生改变；如果研磨的方向与取样光栅的平面成一定夹角，则研磨过程中该区域取样光栅的栅齿高度和宽度都有可能发生变化。

例如，参见图5，为预先建立的光栅衍射效率与槽深和占宽比的对应关系，假设取样光栅预设的衍射效率为0.3%，当测量出取样光栅某区域的衍射效率的为0.42%、占宽比为55%时，假设该区域的对应的空间频率为600lp/mn，查询出衍射效率为0.42%对应的槽深为25nm，而衍射效率为0.3%取样光栅区域对应的槽深约为21.5nm，因此可以确定出衍射效率为0.42%的区域的栅齿需要降低的高度应小于3.5nm，当然可以估计该区域的栅齿的占宽比应该降低宽度。也可以查询在槽深一定的情况下，衍射效率为0.42%的区域对应的占宽比，以及衍射效率为0.3%的区域对应的占宽比，进而确定衍射效率为0.42%的区域需要降低的宽度，并综合需要降低的高度来确定需要研磨深度和方向。

对衍射效率较高的区域进行研磨是为了使制作出的取样光栅衍射的均匀性较好，因此在研磨过程中并不能仅仅以确定出研磨深度和方向为依据进行研磨，因此，在研磨的过程中，每隔预定时间对研磨区域的衍射效率进行测量，当测量到研磨区域的衍射效率在预设的衍射效率范围内时，停止研磨。参见图6为本发明一种取样光栅的制作方法的另一实施例的流程示意图，包括：

步骤601：提供基板，并在所述基板上制作取样光栅。

该步骤与上一实施例的制作方法中步骤201操作过程相同，在此不再赘述。

步骤602：测量所述取样光栅上各个区域的衍射效率，以确定出衍射效率大于预设的衍射效率范围区域，将该区域作为待研磨区域。

步骤603：查询光栅衍射效率与光栅的槽深和/或光栅衍射效率与占宽比之间的对应关系，得出待研磨区域需要研磨的高度和宽度，以确定研磨的深度和方向。

待研磨区域需要研磨的高度和宽度，也就是该待研磨区域的栅齿需要降低的高度（深度），以及栅齿需要减小的宽度，进而得到研磨过程中的研磨方向，以便与研磨时达到降低栅齿高度和/或降低栅齿占宽比的目的。

步骤604：依据确定的研磨深度和研磨方向，对取样光栅上的区域进行研磨，并每隔预定时间对研磨区域的衍射效率进行测量，当测量到研磨区域的衍射效率在预设的衍射效率范围内时，停止研磨。

在研磨过程中需要每隔预定时间对研磨区域的衍射效率进行研磨，以便确定研磨区域的衍射效率是否在预设的衍射效率范围内，如果直接依据确定出的研磨高度和/或研磨深度对待研磨区域进行研磨时，该区域研磨后衍射效率可能会小于预设的衍射范围区域，而对待研磨区域进行研磨的目的是使的取样光栅的衍射效率均匀性较好，因此不能仅仅以研磨的宽度和高度作为标准，而应以该研磨区域的衍射效率作为该区域是否达到要求的标准。

例如，当确定某区域需要研磨的深度为3nm，研磨宽度为1nm时，可以在研磨过程中每隔20ms测量一次该被研磨区域的衍射效率，而不会在研磨到取样光栅的槽深降低3nm、宽度减少1nm之后才进行测量，当测量到该研磨区域的衍射效率在预设的衍射效率范围内，就可以停止研磨。

进一步的，为了降低取样光栅的衍射效率的均匀性指标值，在对取样光栅上某区域的衍射效率大于预设的衍射效率的区域进行研磨的过程中，研磨指定时间后，测量取样光栅上各个区域的衍射效率，根据测量出的各个区域的衍射效率计算衍射效率的均匀性指标值RMS是否小于预设值，如果是，则停止研磨，如果否，则重新测量取样光栅上各个区域的衍射效率，并对取样光栅上衍射效率大于预设的衍射效率范围的区域进行研磨，直至该区域的衍

射效率在预设的衍射效率范围内。如，假设预设的RMS值为小于5%，当研磨指定时间后，计算出的RMS值仍大于5%，则需要重新测量取样光栅上各个区域的衍射效率，并重新进行研磨的操作。

当然，也可以在当测量到研磨区域的衍射效率在预设的衍射效率范围内时，测量取样光栅上各个区域的衍射效率，根据测量出的各个区域的衍射效率计算衍射效率的均匀性指标值RMS是否小于预设值，如果是，则研磨结束；如果否，则重新测量该取样光栅的各区域的衍射效率，并确定出待研磨区域进行研磨。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种取样光栅的制作方法，其特征在于，包括：

A、提供基板，并在所述基板上制作取样光栅；

B、利用光电探测器测量所述取样光栅上各个区域的衍射效率；

C、当所述取样光栅上某区域的衍射效率大于预设的衍射效率范围时，

查询预先建立的光栅衍射效率与光栅槽形参数的对应关系，确定对该区域进行研磨的深度和方向；

依据所述研磨的深度和方向，对所述取样光栅上衍射效率大于预设范围的区域进行研磨，直至该区域的衍射效率在预设的衍射效率范围内；

其中，所述研磨的方式为光学冷加工的研磨抛光技术，对所述取样光栅的栅齿的线条进行研磨。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述光栅槽形参数包括：所述取样光栅的槽深和/或占宽比；

所述查询预先建立的光栅衍射效率与光栅槽形参数的对应关系，确定该区域进行研磨的深度和方向，包括：

查询光栅衍射效率与光栅的槽深和/或光栅衍射效率与占宽比之间的对应关系，得出所述衍射效率大于预设范围的区域的光栅需要降低的深度和宽度，以确定研磨的深度和方向。

3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，当所述取样光栅上某区域的衍射效率大于预设的衍射效率时，对该区域进行研磨，包括：

在研磨过程中，每隔预定时间对研磨区域的衍射效率进行测量，当测量出研磨区域的衍射效率在所述预设的衍射效率范围内时，停止研磨。

4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤C的过程具体，包括：

研磨指定时间后，测量所述取样光栅上各个区域的衍射效率，根据测量出的各个区域的衍射效率计算衍射效率的均匀性指标值RMS是否小于预设值，如果否，则重复步骤B和C，直至该区域的衍射效率在预设的衍射效率范围内。

5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述测量所述取样光栅上各个区域的衍射效率，包括：

将激光束分别照射到所述取样光栅的各个区域上，用光电探测器接收光栅的衍射光，测量出取样光栅各个区域的衍射效率。

6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，在所述基板上制作取样光栅，包括：

以具有所述取样光栅图形的光刻胶层为掩膜，采用干法刻蚀或湿法腐蚀工艺，去除未被光刻胶层覆盖的基板材料，在所述基板上形成取样光栅。

7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，形成所述具有取样光栅图形的光刻胶层的过程具体为：采用全息曝光技术在所述光刻胶层上制作出取样光栅图案；

采用化学清洗工艺去除多余的光刻胶，在所述光刻胶层表面内制作出取样光栅图形。

8.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，形成所述具有所述取样光栅图形的光刻胶层的过程具体为：采用激光直写的方式在所述光刻胶层上制作出取样光栅图案；

采用化学清洗工艺去除多余的光刻胶，在所述光刻胶层表面内制作出取样光栅图形。