CN102736152A

CN102736152A - 一种偶次级透射光栅

Info

Publication number: CN102736152A
Application number: CN2011100923982A
Authority: CN
Inventors: 李海亮; 史丽娜; 朱效立; 李冬梅; 谢常青; 刘明
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2011-04-13
Filing date: 2011-04-13
Publication date: 2012-10-17

Abstract

本发明属于衍射光学元件技术领域，公开了一种偶次级透射光栅，当光线为可见光应用波段时，其含有透光衬底，还包括镀在透光衬底上的不透光金属薄膜；所述不透光金属薄膜上分布有若干周期排列的透光栅线组，每个透光栅线组均含有若干指定宽度和长度的透光栅线条，将所述透光栅线条方向取为Y方向，垂直于所述透光栅线条方向取为X方向；其中，所述周期排列的具体方式为：每隔Y方向上的一个透光栅线组，下一组透光栅线组的各透光栅线条均沿着X方向平移半个光栅周期。本发明在不增加光栅线密度的情况下，可将光栅的色散能力提高一倍，突破了现有微细加工工艺对于光栅色散能力的限制，提高了X射线透射光栅在光谱学应用中的性能。

Description

一种偶次级透射光栅

技术领域

本发明属于衍射光学元件技术领域，特别涉及一种偶次级透射光栅。

背景技术

目前，在X射线透射光栅的应用中，一般希望获得较高的色散能力。对于光谱学应用，高的色散能力意味着不同波长的光被分开的角度更大，从而有利于设计更紧凑的光谱仪，并有助于提高光谱仪的分辨率。

光栅的角色散能力为：

Figure 2011100923982100002DEST_PATH_IMAGE002

（1）

其中，k是光栅衍射的级数，d是光栅周期，θ_k是相应的色散角。可以看到，当光栅的周期d减小时，光栅的色散能力相应地成反比例增加。实际上，这正是在X射线透射光栅领域不断提高光栅线密度的主要动力。在现有技术中，为了提高光栅的色散性能，提高分辨率，通常采用提高普通光栅的线密度，虽然可以提高光栅的色散能力，但这样极大的增加了微细加工工艺的难度和成本。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的问题，特别提出一种偶次级透射光栅的设计方法，突破现有技术中细微加工工艺对于光栅色散能力的限制，有效提高X射线透射光栅在光谱学应用中的性能。

本发明详细技术方案如下：

一种偶次级透射光栅，当光线为可见光应用波段时，其含有透光衬底，还包括镀在透光衬底上的不透光金属薄膜；

所述不透光金属薄膜上分布有若干周期排列的透光栅线组，每个透光栅线组均含有若干指定宽度和长度的透光栅线条，其中，各透光栅线条的宽度和长度均相等，将所述透光栅线条方向取为Y方向，垂直于所述透光栅线条方向取为X方向；

其中，所述周期排列的具体方式为：每隔Y方向上的一个透光栅线组，下一组透光栅线组的各透光栅线条均沿着X方向平移半个光栅周期。

较佳地，所述透光衬底的材料为熔石英、玻璃或聚酰亚胺。

其中，所述光栅的占宽比为0.25或0.75，且各透光栅线条Y方向周期长度至少应该小于所述光线直径的五分之一。

较佳地，所述不透光金属薄膜的材料为金属铬、金、银、铝或铜。

较佳地，所述不透光金属薄膜的厚度为100-300nm。

一种偶次级透射光栅，当光线为紫外线波段或X射线波段时，其含有无衬底的自支撑结构，还包括镀在自支撑结构薄膜上的不透光金属薄膜；

较佳地，所述自支撑结构薄膜的材料为熔石英、玻璃或聚酰亚胺。

较佳地，所述不透光金属薄膜的材料为金。

较佳地，所述不透光金属薄膜的厚度至少为200nm。

从上述技术方案可以看出，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1.相对于普通的透射光栅，偶级次透射光栅具有增强的二级衍射效率，并且其一级衍射与二级衍射不在同一平面中，从而不会对二级衍射形成干扰。

2.利用该光栅的二级衍射，在不增加光栅线密度的情况下，可将光栅的色散能力提高一倍，因此突破现有的微细加工工艺对于光栅色散能力的限制，提高X射线透射光栅在光谱学应用中的性能。

附图说明

图1为本发明实施例中偶级次透射光栅的示意图；

图2为本发明实施例中偶级次透射光栅的衍射实验结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、具体方案和优点更加清晰，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

所述不透光金属薄膜上分布有若干周期排列的透光栅线组，每个透光栅线组均含有若干指定宽度和长度的透光栅线条，将所述透光栅线条方向取为Y方向，垂直于所述透光栅线条方向取为X方向；

其中，所述周期排列的具体方式为：每隔Y方向上的一个透光栅线组，下一组透光栅线组的各透光栅线条均沿着X方向平移半个光栅周期。被平移的光栅区域内，其透光波前沿着偶数级衍射的方向位相变化为π的偶数倍，等效于位相没有变化；但是沿着原来的奇数级衍射方向，其波前的位相却变化了π的奇数倍，从而与未平移部分的波前完全抵消。于是在原有的衍射平面中，奇数级衍射消失，而偶数级衍射的强度以及衍射效率与平移前相同。从而得到偶次级透射光栅。

其中，所述透光衬底的材料为熔石英、玻璃或聚酰亚胺。

其中，所述光栅的占宽比为0.25或0.75。

其中，所述不透光金属薄膜的材料为金属铬、金、银、铝或铜。

其中，所述不透光金属薄膜的厚度为100-300nm。如果在可见光波段，选用所述五种金属的厚度大于100nm即可，厚度和所选用材料的不同对可见光的影响较小。

下面通过一个具体的例子对本发明进一步详细说明。

当入射光波长为355nm，偶次级透射光栅的透光衬底的材料采用石英，不透光金属薄膜的材料为采用金属铬，其厚度为120nm。上述不透光金属薄膜材料上分布有一系列周期排列的透光栅线条，透光栅线条的宽度和分布位置设计参数如下：其中光栅的参数为X方向周期为6μm，X方向周期在图1中的表现为：一个白色栅线条的宽度+两个白色栅线条之间的黑色部分宽度，即为一个X方向的周期；Y方向周期为100μm，光栅的面积为1cm×1cm，其中，各透光栅线条Y方向周期长度至少应该小于照明光源直径大小的五分之一。由于从制作工艺角度出发，光栅的占宽比为0.75的结构更加容易制作，所以此处我们采用0.75的占宽比。其中，光栅的占宽比指的是X方向的周期乘以0.75或乘以0.25，这里指的即6μm*0.75。此外，每隔Y方向上的一个透光栅线组，下一组透光栅线组的各透光栅线条均沿着X方向平移半个光栅周期。其中，具体制作方法可采用普通的接触式光学曝光方法和湿法刻蚀技术，由于其均为现有技术，在此不再赘述。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、相对于普通的透射光栅，偶级次透射光栅具有增强的二级衍射效率，并且其一级衍射与二级衍射不在同一平面中，从而不会对二级衍射形成干扰。

2、利用该光栅的二级衍射，在不增加光栅线密度的情况下，可将光栅的色散能力提高一倍，因此突破现有的微细加工工艺对于光栅色散能力的限制，提高X射线透射光栅在光谱学应用中的性能。

参照图1，图1为本发明实施例中偶级次透射光栅的示意图，白色部分为透光栅线条，黑色部分为不透光金属薄膜。

参照图2，图2为本发明实施例中偶级次透射光栅的偶级次衍射实验结果图，其中，若m为普通透射光栅的衍射几次，当m为偶数时，衍射峰仅出现在x轴上，与传统透射光栅的衍射特点相同；当m为奇数时，相应存在一系列衍射峰沿着y方向分布，可将这些峰看作是传统透射光栅m级衍射所分裂成的子峰。当且仅当n为奇数时，这些子峰的振幅不为零。特别地，对于x轴上的位置，即当m为奇数，n=0，衍射峰的振幅为0。这表明，对应于传统光栅的奇数次衍射，偶级透射光栅将其分裂为一系列子峰，且这些子峰都偏离中心衍射平面。因此，沿着x轴只能探测到偶数级衍射，从而严格验证了设计思想。

其中，所述自支撑结构薄膜的材料为熔石英、玻璃或聚酰亚胺。

其中，所述光栅的占宽比为0.25或0.75；较佳的，占宽比选择为0.75，且各透光栅线条Y方向周期长度至少应该小于所述光线直径的五分之一。

其中，所述不透光金属薄膜的材料为金。

其中，所述不透光金属薄膜的厚度至少为200nm，因为X射线和极紫外光的穿透能力较强，所以只能选用金作为薄膜材料，厚度应该大于200nm才能保证完全吸收，但厚度对光的调制效果没有明显的影响。但需要注意的是，所述不透光金属薄膜的厚度越厚，则制作工艺越复杂，本实施例中优选其厚度为200nm。

具体地，如果偶次级透射光栅应用于X射线波段或极紫外波段，由于衬底对X射线或极紫外光的吸收，偶次级透射光栅需要制作为没有衬底的自支撑结构，即只有不透光的金属薄膜，金属薄膜下面没有任何的支撑衬底，然后在此金属薄膜上面制备出透光的矩形透光线条。因为考虑到X射线和极紫外光的穿透能力较强，铬、银、铝或铜金属薄膜在300nm厚时也很难完全吸收X射线和极紫外光，所以只能选用金为薄膜材料，所设计参数为金薄膜厚度为300nm，栅线X方向周期为500nm,所以栅线的宽度为500nm*0.75或500nm*0.25，优选宽度为500nm*0.75；因为X射线照明光源直径为1mm,所以Y方向周期为1mm*0.05，为光源直径的二十分之一。

下面详细一种自支撑偶次级透射光栅的制作方法，需要说明的是，制作方法为本领域公知技术，并不限于下述方法。

首先，在硅衬底上旋涂1-2μm厚的聚酰亚胺，经过热处理形成薄膜，利用湿法腐蚀将硅片背部腐蚀出一个窗口，得到自支撑聚酰亚胺薄膜窗口，此处自支撑聚酰亚胺薄膜即为前述的自支撑结构薄膜。

然后，在聚酰亚胺薄膜上蒸发5-10nm的金，作为电镀时的导电层；

旋涂300-400nm厚的正性电子束抗蚀剂，热处理后利用电子束直写技术，显影后制作出偶级次光栅线条的抗蚀剂图形；

微电镀技术将金转移到栅线条中，然后去除电子束抗蚀剂；

旋涂2-3μm 厚UV光刻胶，热处理后利用接触式光刻，对光栅图形区以外进行套刻，显影之后电镀，并去除光刻胶；

利用反应离子刻蚀技术，刻蚀去除聚酰亚胺薄膜，得到应用于X射线波段或极紫外波段的自支撑偶次级透射光栅。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种偶次级透射光栅，其特征在于，当光线为可见光应用波段时，其含有透光衬底，还包括镀在透光衬底上的不透光金属薄膜；

2.根据权利要求1所述的光栅，其特征在于，所述透光衬底的材料为熔石英、玻璃或聚酰亚胺。

3.根据权利要求1所述的光栅，其特征在于，所述光栅的占宽比为0.25或0.75，且各透光栅线条Y方向周期长度至少应该小于所述光线直径的五分之一。

4.根据权利要求1至3任一所述的光栅，其特征在于，所述不透光金属薄膜的材料为金属铬、金、银、铝或铜。

5.根据权利要求4所述的光栅，其特征在于，所述不透光金属薄膜的厚度为100-300nm。

6.一种偶次级透射光栅，其特征在于，当光线为紫外线波段或X射线波段时，其含有无衬底的自支撑结构，还包括镀在自支撑结构薄膜上的不透光金属薄膜；

7.根据权利要求6所述的光栅，其特征在于，所述自支撑结构薄膜的材料为熔石英、玻璃或聚酰亚胺。

8.根据权利要求6所述的光栅，其特征在于，所述光栅的占宽比为0.25或0.75，且各透光栅线条Y方向周期长度至少小于所述光线直径的五分之一。

9.根据权利要求6至8任一所述的光栅，其特征在于，所述不透光金属薄膜的材料为金。

10.根据权利要求9所述的光栅，其特征在于，所述不透光金属薄膜的厚度至少为200nm。