CN102565905A - 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，该制备方法是在一球冠状凸面基底上制备两个闪耀角分别是A闪耀角和B闪耀角的凸面双闪耀光栅，通过A、B两个光栅区上分别使用光刻胶光栅和同质光栅为掩模进行球面转动斜向Ar离子束扫描刻蚀，实现两个闪耀角的不同控制，避免了二次光刻胶光刻工艺。由于在制备同质光栅时，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

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即能够精确控制双闪耀角，又不需要两次光刻胶涂布和光刻工艺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，其中A闪耀角大于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)在球冠状凸面基片上涂布光刻胶，该光刻胶厚度由所述A闪耀角决定；

2)对所述光刻胶层进行光刻，形成用于制备A闪耀角的光刻胶光栅；

3)遮挡所述B光栅区，在A光栅区上，以所述光刻胶光栅为掩模，对基片进行球面转动斜向Ar离子束刻蚀，利用光刻胶光栅掩模对离子束的遮挡效果，使基片材料的不同位置先后被刻蚀，形成A闪耀角的闪耀光栅；

4)遮挡所述A光栅区，在B光栅区上，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B光栅区的同质光栅，刻蚀深度由B闪耀角决定；

5)清洗基片，去除剩余光刻胶。

6)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；

7)清洗基片，得到双闪耀角的闪耀光栅。

可选的，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。

可选的，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。

可选的，所述步骤3)或步骤6)中的球面转动斜向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。

可选的，所述开口为沿光栅栅线方向的条状细缝。

可选的，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2.0×10^-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。

可选的，所述A光栅区的光刻胶光栅或所述B光栅区的同质光栅的占宽比为0.25-0.65，周期为300至6500nm。

可选的，所述光刻胶光栅为矩形光栅或正弦形光栅。

可选的，所述同质光栅为矩形光栅或梯形光栅。

可选的，所述斜向Ar离子束扫描刻蚀的工艺参数为：离子能量380至520eV，离子束流70至140mA，加速电压240至300V，工作压强2.0×10^-2Pa，刻蚀角度为5°至40°。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明在制备B闪耀角时，增加了一步制备同质光栅的步骤，这样可以分别控制A光栅区的光刻胶光栅掩模厚度和B光栅区的同质光栅掩模厚度来实现两种不同的闪耀角的制备，避免了二次光刻胶光刻工艺。

2.在B光栅区采用正向离子束刻蚀形成的同质光栅掩模，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。

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矩形光栅的几何关系图；

图6是正弦形光栅的几何关系图；

图7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；

具体实施方式

现有的凸面双闪耀光栅制备方法中，在制备A、B闪耀角时，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：第一、需要两次光刻胶光刻工艺；第二、光刻胶经过光刻工艺之后形成的光栅，受曝光工艺和显影刻蚀工艺的限制，其槽形和槽深很难实现精确控制；第三、在斜向离子束刻蚀的时候，由于光刻胶和基片材质上的差异，会出现刻蚀速率不一致，导致最终形成的闪耀光栅，其闪耀角与预期存在误差，没有办法实现精确控制。

本发明通过在A、B两个光栅区上分别以不同的光栅为掩模，使得A、B两个闪耀角能够分别被制备出来，从而避免了两次光刻胶光刻工艺，并且在制备B闪耀角时，先以光刻胶光栅为掩模制备同质光栅，再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，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。

请参见图2，图2是本发明的凸面双闪耀光栅制备方法流程图。如图所示，本发明的全息闪耀光栅制备方法流程图包括步骤：

S11：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。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。涂布的光刻胶层厚度由A闪耀角决定。

S12：对所述光刻胶层进行光刻，形成适于制备A闪耀角的光刻胶光栅结构。所述光刻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。

S13：遮挡所述B光栅区，在A光栅区上，以所述光刻胶光栅为掩模，对基片进行球面转动斜向Ar离子束刻蚀，利用光刻胶光栅掩模对离子束的遮挡效果，使基片材料的不同位置先后被刻蚀，形成A闪耀角的闪耀光栅。该球面转动斜向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240mV至300mV，工作压强2.0×10^-2Pa。

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)。具体的刻蚀角度α根据所需的闪耀角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的范围在5°至40°左右。

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。

S14：遮挡所述A光栅区，在B光栅区上，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B光栅区的同质光栅，刻蚀深度由B闪耀角决定。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2.0×10^-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。

S15：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A光栅区闪耀光栅和B光栅区同质光栅。

S16：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。该球面转动斜向Ar离子束扫描刻蚀的方法同步骤S13相同，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240mV至300mV，工作压强2.0×10^-2Pa。刻蚀角度为5°至40°。

S17：清洗基片，得到双闪耀角的闪耀光栅。

在步骤S11中光刻胶的厚度是由A闪耀角决定，这是因为：对于已知目标闪耀角为θs的凸面闪耀光栅，其进行球面转动斜向离子束刻蚀的时候，离子束的刻蚀角α有公式(1)得出，因此根据作为掩模的光栅的具体形貌，就能计算得出掩模光栅的深度d。在制备A闪耀角的时候，是以步骤S12中的光刻胶光栅作为掩模的。这种光刻胶光栅的具体形貌有光刻工艺决定，通常有两种情况，一种是矩形的光栅，另外一种是正弦形的光栅。一般理想状态下，光刻胶光栅在进行光刻后，认为得到的光栅结构为矩形的光栅，但是由于光刻胶在显影刻蚀时，光刻胶的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，使光栅槽形成正弦形。需要注意的是，这两种不同结构的光刻胶光栅，会对步骤S14中制备B光栅区的同质光栅产生影响，当光刻胶光栅为矩形时，得到的同质光栅也为矩形光栅，而当光刻胶光栅为正弦形时，得到的同质光栅就变成梯形光栅。下面将分别分析这几种不同形貌的光栅对于制备A闪耀角和B闪耀角带来的影响。

对于光刻胶光栅为矩形光栅，请参见图5，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为光刻胶光栅的槽深即光刻胶层的厚度，Λ为光栅的周期，a为光栅的宽度(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。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。本领域技术人员能够根据闪耀角确定光栅掩膜的厚度。

此时由于利用光刻胶光栅作为掩模刻蚀得出的同质光栅也为矩形，因此公式(2)同样适用在该同质光栅的离子束刻蚀的各参量关系上。

对于光刻胶光栅为正弦形光栅，请参见图6，正弦形光栅的轮廓可以表示为方程：

y＝-d×sin(2πx/Λ)    (3)

图中所示的切线通过原点，d为光刻胶光栅的槽深即光刻胶层的厚度，Λ为光栅的周期，且Λ/2＜x＜(3/4)Λ。通过计算可得到：

$\mathrm{tg\α}=\frac{y_0}{x_0}=1.365\frac{d}{\mathrm{\Λ}}---\left(4\right)$

α为Ar离子束的刻蚀角。

此时，由该光刻胶光栅作为掩模刻蚀得出的同质光栅为梯形光栅，对于梯形光栅，请参见图7，其计算公式为：

$\mathrm{tg\α}=\frac{d}{\mathrm{\Λ}\×(1-f)+\frac{d}{\mathrm{tg\β}}}---\left(5\right)$

在该公式(5)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。可见不同的闪耀角时，要求同质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。本领域技术人员能够根据闪耀角确定光栅掩模的厚度。

上述无论是以光刻胶光栅为掩模刻蚀闪耀角光栅时的计算公式，还是以同质光栅为掩模刻蚀闪耀角光栅时的计算公式，所依据的几何关系为：掩模光栅的槽深使斜向Ar离子束的刻蚀角度等于从该掩模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，则以将掩模光栅完全刻蚀为宜。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掩模光栅，使其形成闪耀光栅的翘角。

可选的，所述A光栅区的光刻胶光栅或所述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：请参见图8，图8是本发明的第一实施方式中各个步骤对应的状态示意图。制备光栅周期为5000纳米，两个闪耀角分别是8°和4°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，采用干涉曝光制备矩形光刻胶光栅，光刻胶光栅的占空比为0.5，正向离子束刻蚀制备同质光栅，球面转动斜向离子束扫描刻蚀制备闪耀光栅，包括以下步骤：

(1)在基片10上涂布光刻胶11，根据需要制备的A闪耀光栅的要求，即光栅周期(Λ)为5000纳米，A闪耀角为8°。根据闪耀角θs与槽形和离子束刻蚀角的经验公式，θs≈α-3°。

首先分析制备8°闪耀角(A闪耀角)光栅，由公式(2)可得光栅掩模的槽深d是486纳米。故这里涂布约490纳米厚的光刻胶。

(2)进行干涉光刻，制备符合A闪耀角要求的光刻胶光栅掩模12。

(3)遮挡B光栅区，对于A光栅区的光刻胶光栅掩模12，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79度，转动扫描实现倾斜Ar离子束刻蚀，利用光刻胶光栅13掩模对离子束的遮挡效果，使基底10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13；这里斜向Ar离子束刻蚀角α＝θs+3°＝11°，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。

(4)分析制备4°闪耀角(B闪耀角)光栅所需要的刻蚀深度，由公式(2)可得同质光栅的槽深d是307纳米。为此遮挡A光栅区，对于B光栅区，通过正向离子束刻蚀，将光刻胶光栅掩模12的图形转移到基片上，形成同质光栅掩模14，刻蚀的深度为307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，去除剩余光刻胶。

(6)继续遮挡A光栅区，以B光栅区的同质光栅14作为掩模，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83度，转动扫描实现球面转动斜向Ar离子束刻蚀，使基片10的不同位置先后被刻蚀，形成三角形的闪耀光栅槽形；这里离子束刻蚀角α＝θs+3°＝7°，采用Ar离子束刻蚀，离子能量400eV，离子束流100mA，加速电压240V，工作压强2.0×10^-2Pa；刻蚀时间最好以恰好将同质光栅掩模刻完为佳，即在B光栅区得到刻蚀完成的4°闪耀角闪耀光栅15。

(7)清洗基片，得到了双闪耀光栅。

实施例二：请参见图9，图9是本发明的第二实施方式中各个步骤对应的状态示意图。制备光栅周期为1000纳米，两个闪耀角分别是25°和12°的凸面双闪耀光栅，其中凸面基片的口径是40毫米；曲率半径是80毫米，采用干涉曝光制备正弦形光刻胶光栅，光刻胶光栅的占空比为0.5，正向离子束刻蚀制备同质光栅，球面转动斜向离子束扫描刻蚀制备闪耀光栅，包括以下步骤：

(1)在基片20上涂布光刻胶21，根据需要制备的A闪耀光栅的要求，即光栅周期(Λ)为1000纳米，A闪耀角为25°。根据闪耀角θs与槽形和离子束刻蚀角的经验公式，θs≈α-3°。

首先分析制备25°闪耀角(A闪耀角)光栅，由公式(4)可得光栅掩模的槽深d是389纳米。故这里涂布约400纳米厚的光刻胶。

(2)进行干涉光刻，制备符合A闪耀角要求的光刻胶光栅掩模22。

(3)遮挡B光栅区，对于A光栅区的光刻胶光栅掩模22，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62度，转动扫描实现球面转动斜向Ar离子束扫描刻蚀，使基片20的不同位置先后被刻蚀，形成三角形的闪耀光栅槽形；这里离子束刻蚀角α＝θs+3°＝28°，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。

(4)分析制备12°闪耀角(B闪耀角)光栅所需要的刻蚀深度，考虑到正弦形的光刻胶光栅槽为掩模可能刻蚀出来的同质光栅的槽形为梯形，一般地，占宽比f＝a/Λ＝0.5，梯形角β为80°。由公式(5)可得光栅掩模的槽深d是141纳米。为此，遮挡A光栅区，对于B光栅区，通过离子束刻蚀，将光刻胶光栅掩模转移到基片上，形成同质光栅掩模24，刻蚀的深度为141纳米，这里采用CHF₃反应离子束刻蚀，离子能量450eV，离子束流100mA，加速电压260V，工作压强1.4×10^-2Pa。

(5)清洗基片，去除剩余光刻胶。

(6)继续遮挡A光栅区，对于B光栅区的同质光栅掩模24，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75度，转动扫描实现球面转动斜向Ar离子束刻蚀，使基片20的不同位置先后被刻蚀，形成三角形的闪耀光栅槽形。这里离子束刻蚀角α＝θs+3°＝15°，采用Ar离子束刻蚀，离子能量450eV，离子束流100mA，加速电压240V，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12°闪耀角闪耀光栅25。

(7)清洗基片，得到了双闪耀光栅。

实施例三：请参见图10，图10是本发明的第三实施方式中各个步骤对应的状态示意图。本实施方式中，使用条纹板进行37遮挡，使得双闪耀光栅的2个闪耀角A区、B区交替分布，如图9所示。制备光栅周期为3000纳米，两个闪耀角分别是20°和10°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，采用干涉曝光制备矩形光刻胶光栅，光刻胶光栅的占空比为0.5，正向离子束刻蚀制备同质光栅，球面转动斜向离子束扫描刻蚀制备闪耀光栅，包括以下步骤：

(1)在基片30上涂布光刻胶31，根据需要制备的双闪耀光栅的要求，即光栅周期(Λ)为3000纳米，两个闪耀角分别是20°和10°。根据闪耀角θs与槽形和离子束刻蚀角的经验公式，θs≈α-3°。

首先分析制备20°闪耀角(A闪耀角)光栅，由公式(2)可得光栅掩模的槽深d是637纳米。故这里涂布约640纳米厚的光刻胶。

(2)进行干涉光刻，制备符合A闪耀角要求的光刻胶光栅掩模32。

(3)遮挡B光栅区，对于A光栅区的光刻胶光栅掩模32，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，转动扫描实现球面转动斜向Ar离子束扫描刻蚀，使基片30的不同位置先后被刻蚀，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；刻蚀时间以光刻胶恰好刻完为最佳。

(4)分析制备10°闪耀角(B闪耀角)光栅所需要的刻蚀深度，处于仍旧以梯形光栅为例，占宽比f＝a/Λ＝0.5，梯形角β为80°。由公式(5)可得光栅掩模的槽深(d)是354纳米。为此对于B光栅区，通过正向离子束刻蚀，将光刻胶光栅掩模32转移到基片上，形成同质光栅掩模34，刻蚀的深度为354纳米，这里采用Ar离子束刻蚀，离子能量400eV，离子束流100mA，加速电压240V，工作压强2.0×10^-2Pa。

(5)清洗基片，去除剩余光刻胶。

(6)遮挡A光栅区，对于B光栅区的同质光栅掩模，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，转动扫描实现球面转动斜向Ar离子束刻蚀，使基片30的不同位置先后被刻蚀，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240V，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35。

(7)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A、B两个光栅区上分别使用光刻胶光栅和同质光栅为掩模进行斜向离子束刻蚀，实现两个闪耀角的不同控制。本发明与现有的方法相比，具有如下几个特点：

1.本发明在制备B闪耀角时，增加了一步制备同质光栅的步骤，这样可以分别控制A光栅区的光刻胶光栅掩模厚度和B光栅区的同质光栅掩模厚度来实现两种不同的闪耀角的制备，避免了二次光刻胶光刻工艺。

2.在B光栅区采用正向离子束刻蚀形成的同质光栅掩模，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。

3.本发明在斜向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，其中A闪耀角大于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)在基片上涂布光刻胶，该光刻胶厚度由所述A闪耀角决定；

2)对所述光刻胶层进行干涉光刻，形成用于制备A闪耀角的光刻胶光栅；

3)遮挡所述B光栅区，在A光栅区上，以所述光刻胶光栅为掩模，对基片进行球面转动斜向Ar离子束扫描刻蚀，利用光刻胶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；

4)遮挡所述A光栅区，在B光栅区上，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B光栅区的同质光栅，刻蚀深度由B闪耀角决定；

5)清洗基片，去除剩余光刻胶。

6)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；

7)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：所述步骤3)或步骤6)中的球面转动斜向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4所述的凸面双闪耀光栅制备方法，其特征在于：所述开口为沿光栅栅线方向的条状细缝。

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2.0×10^-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光栅区的光刻胶光栅或所述B光栅区的同质光栅的占宽比为0.25-0.65，周期为300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：所述光刻胶光栅为矩形光栅或正弦形光栅。

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：所述同质光栅为矩形光栅或梯形光栅。

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：所述斜向Ar离子束扫描刻蚀的工艺参数为：离子能量380至520eV，离子束流70至140mA，加速电压240至300V，工作压强2.0×10^-2Pa，刻蚀角度为5°至40°。

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