CN102540300A - 一种凸面双闪耀光栅的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种凸面双闪耀光栅的制备方法，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，通过先在基片上制备A、B两种同质光栅，以该两种同质光栅为掩模，进行斜向离子束刻蚀得到所需的A、B闪耀光栅。由于在制备同质光栅时，可以通过控制正向离子束刻蚀的时间以及增加灰化工艺，使同质光栅的占宽比、槽深和槽型得到精确控制，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。

Description

一种凸面双闪耀光栅的制备方法

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备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，闪耀光栅的主要制备方法有以下几类：

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备。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备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备工艺如附图1所示。首先在石英玻璃基底1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，若要制备面积比较大的光栅，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，采用机械刻划法制备闪耀光栅时，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，制备时间长，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。

而且在制备凸面闪耀光栅时，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备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备方法。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。

该制备方法包括步骤：

1)在基片上第一次涂布光刻胶；

2)对所述光刻胶层进行第一次光刻，形成第一光刻胶光栅；

3)遮挡所述B光栅区，在A光栅区上，以所述第一光刻胶光栅为掩模，对基片进行正向离子束刻蚀，将第一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)清洗基片，去除剩余光刻胶；

5)继续遮挡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；

6)在基片上第二次涂布光刻胶；

7)先遮挡B光栅区，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，然后撤掉遮挡进行第二次光刻，制备第二光刻胶光栅，所述第二光刻胶光栅与第一光刻胶光栅的周期一致；

8)遮挡所述A光栅区，在B光栅区上，以所述第二光刻胶光栅为掩模，对基片进行正向离子束刻蚀，将第二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；

9)清洗基片，去除剩余光刻胶；

10)继续遮挡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；

11)清洗基片，得到双闪耀角的闪耀光栅。

优选的，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。

优选的，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。

优选的，所述球面转动斜向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。

优选的，在对A光栅区或B光栅区进行所述正向离子束刻蚀前，还包括对第一光刻胶光栅或第二光刻胶光栅进行灰化处理，以调节第一光刻胶光栅结构或第二光刻胶光栅结构的占宽比。

优选的，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，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2.0×10^-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1.4×10^-2Pa。

优选的，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0.2-0.65，周期为300nm至6500nm。

优选的，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。

优选的，所述斜向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2.0×10^-2Pa，刻蚀角度为5°至40°。

优选的，所述第一次涂布的光刻胶的厚度或者所述第二次涂布的光刻胶的厚度为200nm至900nm。

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.本发明在光刻形成光刻胶光栅之后，进一步包括对光刻胶光栅进行灰化处理，使光刻胶的占宽比得到改变，以此实现同质光栅占宽比的控制，进一步增加了控制闪耀角的手段。

3.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。

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备工艺图；

图2是本发明的凸面双闪耀光栅制备方法流程图；

图3是球面转动斜向Ar离子束扫描刻蚀时的结构示意图；

图4是遮挡物为同心圆环条纹板时的结构示意图；

图5为莫尔条纹对准方法采用的光路示意图；

图6是矩形光栅的几何关系图；

图7是梯形光栅的几何关系图；

图8是本发明第一实施方式下各个步骤对应的效果示意图；

图9为本发明第二实施方式下各个步骤对应的效果示意图；

图10为本发明第三实施方式下各个步骤对应的效果示意图；

图11为本发明第四实施方式下各个步骤对应的效果示意图；

具体实施方式

现有的闪耀光栅制备方法中，先在光刻胶上制备光栅，并以该光刻胶光栅为掩模进行斜向离子束刻蚀，该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备同质光栅，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备时，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，还可以进一步可以控制光栅的占宽比。因此对双闪耀光栅的制备，可以有多个参量的控制手段，实现对闪耀角的精确控制。

请参见图1，图1是本发明的全息双闪耀光栅制备方法流程图。如图所示，本发明的凸面双闪耀光栅制备方法流程图包括步骤：

S11：在基片上第一次涂布光刻胶。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干涉光刻，形成第一光刻胶光栅。

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，使光栅结构的占宽比可以从0.2至0.65的范围内进行有效的调节。

S13：遮挡所述B光栅区，在A光栅区上，以所述第一光刻胶光栅为掩模，对基片进行正向离子束刻蚀，将第一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。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，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2.0×10^-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1.4×10^-2Pa。

S14：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：继续遮挡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。

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。

采用球形掩6模遮盖基片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α在图3中由其互余角θ表示，θ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)。通常刻蚀角度α与所述凸面闪耀光栅的闪耀角的关系由下述经验公式得出：

θs≈α-3°                                         (1)

在该经验公式(1)中，θs为闪耀光栅的闪耀角，α为Ar离子束的刻蚀角，比如制备闪耀角θs为15°的闪耀光栅，则Ar离子束的刻蚀角α为18°。一般来说，α的范围为5°至40°。

当离子束入射角θ确定之后，通过固定角(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，

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2.0×10^-2Pa。

S16：在基片上第二次涂布光刻胶，选择的涂布工艺和参数与第一次涂布的时候相同，此处不再赘述。

S17：先遮挡B光栅区，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，然后撤掉遮挡进行第二次光刻，制备第二光刻胶光栅，所述第二光刻胶光栅与第一光刻胶光栅的周期一致。具体的，在第二次涂布光刻胶之后，需要以A光栅区制备而成的闪耀光栅为依据进行对位工作，使第二次光刻形成的光刻胶光栅具有与第一次光刻胶光栅相同的周期。该对位方法利用已有的A光栅区，进行莫尔条纹对准。请参见图5，图5为莫尔条纹对准方法采用的光路示意图。如图所示，入射激光被分束镜50分为两束，分别由第一反射镜51和第二反射镜52反射，分别经第一透镜53和第二透镜54在被制备的基片55表面形成干涉条纹。基片55表面可以划分为A光栅区56和B光栅区57，A光栅区56在干涉光束的照射下形成莫尔条纹58，用于实现基片55的定位。其中，第一反射镜51被安装于微位移器件59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。

本发明中，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4中反射镜41的前后位置，实现光程调节，达到位相控制的目的。

c.撤掉对B光栅区的遮挡，对B光栅区进行曝光，完成第二次干涉光刻。

同样，当光刻胶表面形成光栅结构后，可以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，使光栅结构的占宽比可以从0.25至0.6的范围内进行有效的调节。

S18：遮挡所述A光栅区，在B光栅区上，以所述第二光刻胶光栅为掩模，对基片进行正向离子束刻蚀，将第二光刻胶光栅转移到基片上，形成B光栅区的同质光栅，刻蚀深度由B闪耀角决定；

S19：清洗基片，去除剩余光刻胶。

S20：继续遮挡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；

S21：清洗基片，得到双闪耀角的闪耀光栅

在上述的制备方法中，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。

对于矩形光栅，请参见图6，其计算公式为：

$\mathrm{tg\α}=\frac{d}{\mathrm{\Λ}(1-f)}---\left(2\right)$

在该公式(2)中，α为Ar离子束的刻蚀角，d为同质光栅的槽深，Λ为同质光栅的周期，a为同质光栅的宽度(a为中间量，未直接出现在公式2中)，f＝a/Λ为同质光栅的占宽比，。

对于梯形光栅，请参见图7，其计算公式为：

$\mathrm{tg\α}=\frac{d}{\mathrm{\Λ}\×(1-f)+\frac{d}{\mathrm{tg\β}}}---\left(3\right)$

在该公式(3)中，α为Ar离子束的刻蚀角，d为同质光栅的槽深，Λ为同质光栅的周期，a为同质光栅的宽度(a为中间量，未直接出现在公式3中)，f＝a/Λ为同质光栅的占宽比，β为梯形的下底角。

上述两个公式，所依据的几何关系为：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。

对于球面转动斜向Ar离子束扫描刻蚀的时间，则以将同质光栅完全刻蚀为宜。在实际操作中，由于工艺条件的限制，为了避免过刻蚀而在球面转动斜向Ar离子束刻蚀的最后保留部分同质光栅，使其形成闪耀光栅的翘角。

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300nm至6500nm。

下面再以几个具体实施方式对本发明的全息双闪耀光栅制备方法做详细说明。需要理解的是，下述几个实施方式所列举的参数仅是对本发明所保护范围中的几种具体应用，而不是以此限定本发明的保护范围。

实施例一：请参照图8，图8是本发明第一实施方式下各个步骤对应的效果示意图。本实施例中，在所述遮挡A光栅区或遮挡B光栅区时，使用的遮挡物为一同心圆条纹板，该条纹板使得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。制备光栅周期为5000纳米，两个闪耀角分别是5°和10°的凸面双闪耀光栅，其中凸面基片的口径是35毫米；曲率半径是75毫米，采用干涉曝光、正向离子束刻蚀和球面转动斜向Ar离子束扫描刻蚀实现，所制备的A、B两种同质光栅均为矩形光栅，占宽比f＝a/Λ＝0.5。包括以下步骤：

(1)在基片10上第一次涂布厚度为500纳米的光刻胶层11。

(2)对光刻胶层11进行干涉光刻，形成第一光刻胶光栅12。

(3)用同心圆条纹板19遮挡所述B光栅区，在A光栅区上，以所述第一光刻胶光栅12为掩模，对基片进行正向离子束刻蚀，将第一光刻胶光栅12的图形转移到基片上，形成A光栅区的同质光栅13，刻蚀深度由A闪耀角决定。分析制备5°闪耀角(A闪耀角)光栅所需要的刻蚀深度，根据公式(2)，可得A光栅区同质光栅掩模的槽深d是351纳米。为此对于A光栅区，通过离子束刻蚀，将第一光刻胶光栅掩模转移到基片上，刻蚀的深度为351纳米。这里采用Ar离子束刻蚀，离子能量460eV，离子束流100mA，加速电压260V，工作压强2.0×10^-2Pa。

(4)清洗基片10，去除剩余光刻胶。

(5)继续遮挡B光栅区，以A光栅区的同质光栅13为掩模，通过设置转动支架的转动半径为75毫米，球形掩模开口处与球心的连线与离子束入射方向的所夹角度θ，即刻蚀角度α的互余角为82度，转动扫描实现倾斜Ar离子束刻蚀，利用同质光栅13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；这里离子束刻蚀角α＝θs+3°＝8°，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；刻蚀时间以恰好将同质光栅掩模刻完为最佳，即在A光栅区得到刻蚀完成的5°闪耀角闪耀光栅14。

(6)在基片10上第二次涂布厚度为600纳米的光刻胶层15。

(7)先遮挡B光栅区，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，然后撤掉遮挡进行第二次光刻，制备第二光刻胶光栅16，所述第二光刻胶光栅16与第一光刻胶光栅12的周期一致。

(8)用同心圆条纹板19’遮挡所述A光栅区，在B光栅区上，以所述第二光刻胶光栅16为掩模，对基片进行正向离子束刻蚀，将第二光刻胶光栅16转移到基片上，形成B光栅区的同质光栅17，刻蚀深度由B闪耀角决定。分析制备10°闪耀角(B闪耀角)光栅所需要的刻蚀深度，同理根据公式(2)可以得到B光栅区同质光栅17的槽深d是577纳米，为此遮挡A光栅区，对于B光栅区的光刻胶光栅掩模，通过CHF₃反应离子束刻蚀，将光刻胶光栅掩模转移到基片上，刻蚀的深度为221纳米。这里CHF₃反应离子束刻蚀，离子能量400eV，离子束流100mA，加速电压240V，工作压强1.4×10^-2Pa。

(9)清洗基片，去除剩余光刻胶。

(10)继续遮挡A光栅区，以B光栅区的同质光栅17为掩模，通过设置转动支架的转动半径为75毫米，球形掩模开口处与球心的连线与离子束入射方向的所夹角度θ，即刻蚀角度α的互余角为77度，转动扫描实现倾斜Ar离子束刻蚀，利用同质光栅13掩模对离子束的遮挡效果，使基底材料不同位置先后被刻蚀，以形成三角形的闪耀光栅槽形；这里离子束刻蚀角α＝θs+3°＝13°，采用Ar离子束刻蚀，离子能量500eV，离子束流120mA，加速电压260V，工作压强2.0×10^-2Pa；刻蚀时间以恰好将同质光栅掩模刻完为最佳，即在B光栅区得到刻蚀完成的10°闪耀角闪耀光栅18。

(11)清洗基片，得到了双闪耀光栅。

实施例二：请参照图9，图9是本发明第二实施方式下各个步骤对应的效果示意图。制备光栅周期为500纳米，两个闪耀角分别是10°和20°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，采用干涉曝光、正向离子束刻蚀和球面转动斜向Ar离子束扫描刻蚀实现，所制备的A、B两种同质光栅均为梯形光栅，梯形角β为80°，占宽比f＝a/Λ＝0.5。包括以下步骤：

(1)在基片20上第一次涂布厚度为300纳米的光刻胶21。

(2)进行干涉光刻，形成第一光刻胶光栅22。

(3)遮挡所述B光栅区，在A光栅区上，以所述第一光刻胶光栅22为掩模，对基片进行正向离子束刻蚀，将第一光刻胶光栅22的图形转移到基片上，形成A光栅区的同质光栅23，刻蚀深度由A闪耀角决定。分析制备10°闪耀角(A闪耀角)光栅所需要的刻蚀深度，根据公式(3)，可得A光栅区同质光栅掩模的槽深d是60纳米。为此对于A光栅区，通过离子束刻蚀，将光刻胶光栅掩模转移到基片上，刻蚀的深度为60纳米。这里采用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。

(4)清洗基片，去除剩余光刻胶。

(5)继续遮挡B光栅区，以A光栅区的同质光栅23为掩模，通过设置转动支架的转动半径为80毫米，球形掩模开口处与球心的连线与离子束入射方向的所夹角度θ，即刻蚀角度α的互余角为77度，转动扫描实现倾斜Ar离子束刻蚀，利用同质光栅23掩模对离子束的遮挡效果，使基底材料不同位置先后被刻蚀，以形成三角形的闪耀光栅槽形；这里离子束刻蚀角α＝θs+3°＝13°，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；刻蚀时间以恰好将同质光栅掩模刻完为最佳，即在A光栅区得到刻蚀完成的10°闪耀角闪耀光栅24。

(6)在基片20上第二次涂布厚度为350纳米的光刻胶层25。

(7)先遮挡B光栅区，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，然后撤掉遮挡进行第二次光刻，制备第二光刻胶光栅26，所述第二光刻胶光栅26与第一光刻胶光栅22的周期一致。

(8)遮挡所述A光栅区，在B光栅区上，以所述第二光刻胶光栅26为掩模，对基片进行正向离子束刻蚀，将第二光刻胶光栅26的图形转移到基片上，形成B光栅区的同质光栅27，刻蚀深度由B闪耀角决定。分析制备20°闪耀角(B闪耀角)光栅所需要的刻蚀深度，同理根据公式(3)可以得到同质光栅的槽深d是114纳米，为此遮挡A光栅区，对于B光栅区的光刻胶光栅掩模，通过离子束刻蚀，将光刻胶光栅掩模转移到基片上，刻蚀的深度为114纳米。这里采用Ar离子束刻蚀，离子能量500eV，离子束流100mA，加速电压260V，工作压强2.0×10^-2Pa。

(9)清洗基片，去除剩余光刻胶。

(10)继续遮挡A光栅区，以B光栅区的同质光栅27为掩模，通过设置转动支架的转动半径为80毫米，球形掩模开口处与球心的连线与离子束入射方向的所夹角度θ，即刻蚀角度α的互余角为67度，转动扫描实现倾斜Ar离子束刻蚀，利用同质光栅27掩模对离子束的遮挡效果，使基底材料不同位置先后被刻蚀，以形成三角形的闪耀光栅槽形；这里离子束刻蚀角α＝θs+3°＝23°，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；刻蚀时间以恰好将同质光栅掩模刻完为最佳，即在B光栅区得到刻蚀完成的20°闪耀角闪耀光栅28。

(11)清洗基片，得到了双闪耀光栅。

实施例三：请参照图10，图10是本发明第三实施方式下各个步骤对应的效果示意图。制备光栅周期为3000纳米，两个闪耀角分别是10°和20°的凸面双闪耀光栅，其中凸面基片的口径是50毫米；曲率半径是100毫米，采用干涉曝光、正向离子束刻蚀和球面转动斜向Ar离子束扫描刻蚀实现，所制备的A、B两种同质光栅均为梯形光栅，A光栅区的同质光栅占宽比f＝a/Λ＝0.5，B光栅区的同质光栅占宽比f＝a/Λ＝0.35，A光栅区梯形角β为85°，B光栅区梯形角β为75°。包括以下步骤：

(1)在基片30上第一次涂布厚度为500纳米的光刻胶层31。

(2)对光刻胶层31进行干涉光刻，形成第一光刻胶光栅32。

(3)遮挡所述B光栅区，在A光栅区上，以所述第一光刻胶光栅32为掩模，对基片进行正向离子束刻蚀，将第一光刻胶光栅32的图形转移到基片上，形成A光栅区的同质光栅33，刻蚀深度由A闪耀角决定。分析制备10°闪耀角(A闪耀角)光栅所需要的刻蚀深度，根据公式(3)，可得A光栅区同质光栅掩模的槽深d是354纳米。为此对于A光栅区，通过离子束刻蚀，将光刻胶光栅掩模转移到基片上，刻蚀的深度为354纳米。这里采用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。

(4)清洗基片30，去除剩余光刻胶。

(5)继续遮挡B光栅区，以A光栅区的同质光栅33为掩模，通过设置转动支架的转动半径为100毫米，球形掩模开口处与球心的连线与离子束入射方向的所夹角度θ，即刻蚀角度α的互余角为77度，转动扫描实现倾斜Ar离子束刻蚀，利用同质光栅33掩模对离子束的遮挡效果，使基底材料不同位置先后被刻蚀，以形成三角形的闪耀光栅槽形；这里离子束刻蚀角α＝θs+3°＝13°，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；刻蚀时间以恰好将同质光栅掩模刻完为最佳，即在A光栅区得到刻蚀完成的10°闪耀角闪耀光栅34。

(6)在基片30上第二次涂布厚度为900纳米的光刻胶层35。

(7)先遮挡B光栅区，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，然后撤掉遮挡进行第二次光刻，制备第二光刻胶光栅36，所述第二光刻胶光栅36与第一光刻胶光栅32的周期一致。

(8)对上述第二光刻胶光栅36进行灰化工艺处理，调整第二光刻胶光栅36的占宽比，形成新的第二光刻胶光栅36’。该第二光刻胶光栅36’能够经正向离子束刻蚀转移后，在基片30上形成占宽比为0.35的同质光栅。一般的，经干涉光刻形成的第二光刻胶光栅36的占宽比为0.5-0.6左右，经过灰化工艺后，第二光刻胶光栅36的占宽比被进一步缩小，形成新的第二光刻胶光栅36’，该第二光刻胶光栅36’占宽比可以大致上等于0.35，这样以该第二新光刻胶光栅36’为掩模形成的同质光栅的占宽比能够被调节到0.35。具体的灰化工艺为：通过将带有光刻胶光栅的基片放入反应离子刻蚀机中，使用氧气反应离子刻蚀，这里射频功率45W，自偏压300V，工作压强1.0Pa。

(9)遮挡所述A光栅区，在B光栅区上，以所述第二光刻胶光栅36’为掩模，对基片进行正向离子束刻蚀，将第二光刻胶光栅36’转移到基片上，形成B光栅区的同质光栅37，刻蚀深度由B闪耀角决定。分析制备20°闪耀角(B闪耀角)光栅所需要的刻蚀深度，同理根据公式(3)可以得到B光栅区同质光栅37的槽深d是934纳米，为此遮挡A光栅区，对于B光栅区的光刻胶光栅掩模，通过CHF₃反应离子束刻蚀，将光刻胶光栅掩模转移到基片上，刻蚀的深度为934纳米。这里CHF₃反应离子束刻蚀，离子能量450eV，离子束流120mA，加速电压270V，工作压强1.4×10^-2Pa。

(10)清洗基片，去除剩余光刻胶。

(11)继续遮挡A光栅区，以B光栅区的同质光栅37为掩模，通过设置转动支架的转动半径为100毫米，球形掩模开口处与球心的连线与离子束入射方向的所夹角度θ，即刻蚀角度α的互余角为67度，转动扫描实现倾斜Ar离子束刻蚀，利用同质光栅33掩模对离子束的遮挡效果，使基底材料不同位置先后被刻蚀，以形成三角形的闪耀光栅槽形；这里离子束刻蚀角α＝θs+3°＝23°，采用Ar离子束刻蚀，离子能量500eV，离子束流120mA，加速电压260V，工作压强2.0×10^-2Pa；刻蚀时间以恰好将同质光栅掩模刻完为最佳，即在B光栅区得到刻蚀完成的20°闪耀角闪耀光栅38。

(12)清洗基片，得到了双闪耀光栅。

实施例四：请参照图11，图11是本发明第四实施方式下各个步骤对应的效果示意图。制备光栅周期为833纳米，两个闪耀角分别是10°和20°的凸面双闪耀光栅，其中凸面基片的口径是45毫米；曲率半径是90毫米，采用干涉曝光、正向离子束刻蚀和球面转动斜向Ar离子束扫描刻蚀实现，所制备的A、B两种同质光栅均为矩形光栅，A光栅区的同质光栅占宽比f＝a/Λ＝0.35，B光栅区的同质光栅占宽比f＝a/Λ＝0.4。包括以下步骤：

(1)在基片40上第一次涂布厚度为300纳米的光刻胶层41。

(2)对光刻胶层41进行干涉光刻，形成第一光刻胶光栅42。

(3)对上述第一光刻胶光栅42进行灰化工艺处理，调整第一光刻胶光栅42的占宽比，形成新的第一光刻胶光栅42’。该第一光刻胶光栅42’能够经正向离子束刻蚀转移后，在基片40上形成占宽比为0.35的同质光栅。一般的，经干涉光刻形成的第一光刻胶光栅42的占宽比为0.5-0.6左右，经过灰化工艺后，第一光刻胶光栅42的占宽比被进一步缩小，形成新的第一光刻胶光栅42’，该第一光刻胶光栅42’占宽比可以大致上等于0.35，这样以该第一新光刻胶光栅42’为掩模形成的同质光栅的占宽比能够被调节到0.35。具体的灰化工艺为：通过将带有光刻胶光栅的基片放入反应离子刻蚀机中，使用氧气反应离子刻蚀，这里射频功率45W，自偏压300V，工作压强1.0Pa。

(4)遮挡所述B光栅区，在A光栅区上，以所述第一光刻胶光栅42’为掩模，对基片进行正向离子束刻蚀，将第一光刻胶光栅42’的图形转移到基片上，形成A光栅区的同质光栅43，刻蚀深度由A闪耀角决定。分析制备10°闪耀角(A闪耀角)光栅所需要的刻蚀深度，根据公式(2)，可得A光栅区同质光栅掩模的槽深d是125纳米。为此对于A光栅区，通过离子束刻蚀，将第一光刻胶光栅掩模转移到基片上，刻蚀的深度为125纳米。这里采用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。

(5)清洗基片40，去除剩余光刻胶。

(6)继续遮挡B光栅区，以A光栅区的同质光栅43为掩模，通过设置转动支架的转动半径为90毫米，球形掩模开口处与球心的连线与离子束入射方向的所夹角度θ，即刻蚀角度α的互余角为77度，转动扫描实现倾斜Ar离子束刻蚀，利用同质光栅43掩模对离子束的遮挡效果，使基底材料不同位置先后被刻蚀，以形成三角形的闪耀光栅槽形；这里离子束刻蚀角α＝θs+3°＝13°，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；刻蚀时间以恰好将同质光栅掩模刻完为最佳，即在A光栅区得到刻蚀完成的10°闪耀角闪耀光栅44。

(7)在基片40上第二次涂布厚度为400纳米的光刻胶层45。

(8)先遮挡B光栅区，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，然后撤掉遮挡进行第二次光刻，制备第二光刻胶光栅46，所述第二光刻胶光栅46与第一光刻胶光栅42的周期一致。

(8)对上述第二光刻胶光栅46进行灰化工艺处理，调整第二光刻胶光栅46的占宽比，形成新的第二光刻胶光栅46’。该第二光刻胶光栅46’能够经正向离子束刻蚀转移后，在基片40上形成占宽比为0.35的同质光栅。一般的，经干涉光刻形成的第二光刻胶光栅46的占宽比为0.5-0.6左右，经过灰化工艺后，第二光刻胶光栅46的占宽比被进一步缩小，形成新的第二光刻胶光栅46’，该第二光刻胶光栅46’占宽比可以大致上等于0.4，这样以该第二新光刻胶光栅46’为掩模形成的同质光栅的占宽比能够被调节到0.4。具体的灰化工艺为：通过将带有光刻胶光栅的基片放入反应离子刻蚀机中，使用氧气反应离子刻蚀，这里射频功率45W，自偏压300V，工作压强1.0Pa。

(9)遮挡所述A光栅区，在B光栅区上，以所述第二光刻胶光栅46’为掩模，对基片进行正向离子束刻蚀，将第二光刻胶光栅46’转移到基片上，形成B光栅区的同质光栅47，刻蚀深度由B闪耀角决定。分析制备20°闪耀角(B闪耀角)光栅所需要的刻蚀深度，同理根据公式(2)可以得到B光栅区同质光栅47的槽深d是212纳米，为此遮挡A光栅区，对于B光栅区的光刻胶光栅掩模，通过CHF₃反应离子束刻蚀，将光刻胶光栅掩模转移到基片上，刻蚀的深度为212纳米。这里CHF₃反应离子束刻蚀，离子能量450eV，离子束流120mA，加速电压270V，工作压强1.4×10^-2Pa。

(10)清洗基片，去除剩余光刻胶。

(11)继续遮挡A光栅区，以B光栅区的同质光栅47为掩模，通过设置转动支架的转动半径为90毫米，球形掩模开口处与球心的连线与离子束入射方向的所夹角度θ，即刻蚀角度α的互余角为67度，转动扫描实现倾斜Ar离子束刻蚀，利用同质光栅33掩模对离子束的遮挡效果，使基底材料不同位置先后被刻蚀，以形成三角形的闪耀光栅槽形；这里离子束刻蚀角α＝θs+3°＝23°，采用Ar离子束刻蚀，离子能量500eV，离子束流120mA，加速电压260V，工作压强2.0×10^-2Pa；刻蚀时间以恰好将同质光栅掩模刻完为最佳，即在B光栅区得到刻蚀完成的20°闪耀角闪耀光栅48。

(12)清洗基片，得到了双闪耀光栅。

上述的各个实施方式中，所选的基片可以为石英玻璃、K9玻璃或者其他透明光学材料。

综上所述，本发明提出的一种全息双闪耀光栅的制备方法，通过先在基片上制备同质光栅，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。本发明与现有的方法相比，具有如下几个特点：

1.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.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，控制光栅的占宽比，从而控制所需的同质光栅的占宽比，得到另一种控制闪耀光栅闪耀角的手段。

3.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。

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 (10)

1.一种凸面双闪耀光栅制备方法，该方法是在一球冠状凸面基片上制备凸面双闪耀光栅，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：所述制备方法包括下列步骤：

1)在基片上第一次涂布光刻胶；

2)对所述光刻胶层进行第一次干涉光刻，形成第一光刻胶光栅；

3)遮挡所述B光栅区，在A光栅区上，以所述第一光刻胶光栅为掩模，对基片进行正向离子束刻蚀，将第一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)清洗基片，去除剩余光刻胶；

5)继续遮挡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；

6)在基片上第二次涂布光刻胶；

7)先遮挡B光栅区，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，然后撤掉遮挡进行第二次干涉光刻，制备第二光刻胶光栅，所述第二光刻胶光栅与第一光刻胶光栅的周期一致；

8)遮挡所述A光栅区，在B光栅区上，以所述第二光刻胶光栅为掩模，对基片进行正向离子束刻蚀，将第二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；

9)清洗基片，去除剩余光刻胶；

10)继续遮挡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；

11)清洗基片，得到双闪耀角的闪耀光栅。

2.如权利要求1所述的凸面双闪耀光栅制备方法，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备方法，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1所述的凸面双闪耀光栅制备方法，其特征在于：所述球面转动斜向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。

5.如权利要求1所述的凸面双闪耀光栅制备方法，其特征在于：在对A光栅区或B光栅区进行所述正向离子束刻蚀前，还包括对第一光刻胶光栅或第二光刻胶光栅进行灰化处理，以调节第一光刻胶光栅结构或第二光刻胶光栅结构的占宽比。

6.如权利要求1所述的凸面双闪耀光栅制备方法，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，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2.0×10^-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1.4×10^-2Pa。

7.如权利要求1所述的凸面双闪耀光栅制备方法，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0.2-0.65，周期为300nm至6500nm。

8.如权利要求1所述的凸面双闪耀光栅制备方法，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。

9.如权利要求1所述的凸面双闪耀光栅制备方法，其特征在于：所述斜向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2.0×10^-2Pa，刻蚀角度为5°至40°。

10.如权利要求1所述的凸面双闪耀光栅制备方法，其特征在于：所述第一次涂布的光刻胶的厚度或者所述第二次涂布的光刻胶的厚度为200nm至900nm。

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