CN102981197A - 宽波段光栅的反应离子束刻蚀方法 - Google Patents
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Abstract
类矩形全息光栅的等离子体刻蚀方法，涉及光谱技术领域，解决现有对全息光栅的刻蚀过程中引起侧壁及槽底粗糙度高的问题，本发明包括多个交替进行的刻蚀周期，每个刻蚀周期包括一个刻蚀步骤、一个钝化沉积步骤和一个抛光步骤。刻蚀步骤所采用的第一工艺条件、钝化沉积步骤所采用的第二工艺条件、抛光步骤第三工艺条件之间以时间间隔彼此分开，间隔时间大于前序步骤中反应气体等离子体寿命。使用该发明的等离子体刻蚀方法获得的类矩形全息光栅侧壁及槽底具有良好的光滑度，其杂散光强度低。
Description
技术领域
本发明涉及光谱技术领域，具体涉及的一种宽波段全息光栅的反应离子束刻蚀方法。
背景技术
光谱仪器是进行光谱分析的基础设备，其应用领域遍及各行各业。光栅是光谱仪器的核心单元器件，光栅质量直接影响光谱仪器性能。衍射效率作为光栅主要性能指标，直接影响光谱仪器的信噪比、分辨率。光谱仪器行业期望获得一种在较宽光谱范围内（波段）均具有较高衍射效率的光栅，然而，由于光栅闪耀角对应特定闪耀波长的性质，普通光栅无法实现在较宽光谱范围内衍射效率均较高。宽波段光栅由于在同一基片上具有多个闪耀角或同一槽形上具有多个闪耀面，在较宽光谱范围内能够达到较高衍射效率，满足光谱仪器行业的需求。
目前，宽波段光栅的制作方法为机械刻划法，即利用刻划过程中刻划刀的旋转实现在同一光栅基片上制作不同闪耀角，利用此种方法的单位是日本日立公司；或利用双刃刻划刀在光栅基片上制作同一槽形上具有多个闪耀面的闪耀光栅，利用此种方法的单位为中科院长春光机所。但是，由于机械刻划法制作的光栅有鬼线、杂散光高等缺点，在应用上受到较大限制。利用全息-反应离子束刻蚀工艺制作宽波段光栅能够克服上述不足，国外工艺方面的研究正在进行，国内尚未开展此方面研究。
发明内容
本发明为解决现有采用机械刻划法制作的光栅存在有鬼线及杂散光高的缺点，并且存在光栅在使用时受到限制的问题，提供一种宽波段光栅的反应离子束刻蚀方法。
宽波段光栅的反应离子束刻蚀方法，包括以下步骤：
步骤一、将光栅基片放置在回转工作台上；所述回转工作台绕回转轴旋转，光栅基片刻线所在的平面与刻线方向平行于回转轴；
步骤二、在光栅基片上放置挡板，调整狭缝的宽度，所述狭缝宽度为a=W/3，W为光栅基片的宽度；
步骤三、调整离子束方向与光栅基片表面成φ角，选取Ar气体2~6sccm，CHF3气体0.5~1.5sccm，离子能量400eV，实现对光栅基片第一区域的刻蚀，形成闪耀角β1；
步骤四、平移挡板至光栅基片的下一位置，选取Ar气体6~9sccm，CHF3气体1.5~2.5sccm，离子能量400eV，实现对光栅基片第二区域的刻蚀，形成闪耀角β2；
步骤五、继续平移挡板，选取Ar气体9~14sccm、CHF3气体2.5~4.5sccm，离子能量400eV，实现对光栅基片第三区域的刻蚀，形成闪耀角β3 ，实现对光栅基片的刻蚀；
所述的步骤四与步骤五中平移挡板的距离与狭缝的宽度相同。
本发明的有益效果：本发明涉及的宽波段光栅是指光栅刻线槽分布在平面基片上，刻线之间相互平行。首先在平面石英基片上采用全息曝光的方法制作成槽形是类矩形的光刻胶掩模，然后以它为基片进行反应离子束刻蚀。刻蚀后成为在同一基片上分三个区域，具有三种槽形为锯齿形的闪耀宽波段光栅。本发明的技术方案是采用分区刻蚀法，即在同一光栅基片上分三个区域刻蚀，形成三种对应不同波段的闪耀角，使得刻蚀后的宽波段光栅的在很大的光谱范围内均达到较高衍射效率。
附图说明
图1为本发明所述的宽波段光栅的反应离子束刻蚀方法应用的刻蚀机工作台示意图；
图2为本发明所述的宽波段光栅的反应离子束刻蚀方法中分区刻蚀示意图；
图3为本发明所述的宽波段光栅的反应离子束刻蚀方法的三种闪耀角的示意图；
图4为本发明所述的宽波段光栅反应离子束刻蚀方法的效果图；
图5中（a）、（b）和（c）采为采本发明所述的宽波段光栅反应离子束刻蚀方法形成三种闪耀角的效果图。
图中：1、离子束方向，2、φ角，3、挡板，4、刻线方向，5、光栅基片，6、回转工作台，7、回转轴，a、第一区域，b、第二区域，c、第三区域。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图3说明本实施方式，宽波段光栅的反应离子束刻蚀方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、宽波段光栅掩模石英基片的放置（如图1所示），是将槽形为类矩形的光刻胶掩模光栅基片5放置在一个回转工作台6上，此工作台可绕回转轴7回转，以实现离子束流与光栅基片5夹角的调整；宽波段光栅掩模刻线所在平面及刻线方向4平行于回转轴7。
步骤二、调整离子束方向1与光栅基片5的表面成φ角2，所述, 
，
取0.5计算出φ角，其中
为光刻胶掩模刻蚀速率，
掩模为石英刻蚀速率，β2为宽波段光栅所刻蚀区域2的闪耀角。从上式可以看出，通过调整光刻胶掩模刻蚀速率
与石英刻蚀速率
比值，能够实现在相同离子束入射角情况下获得不同的闪耀角。
步骤三、所述的狭缝是一个矩形开口，宽度a=W/3，W为宽波段光栅宽度，长度由宽波段光栅基片5外形尺寸决定，只要大于基片外形尺寸即可。
步骤四、所述狭缝到宽波段光栅基片5表面的距离＜3mm，在不碰到光栅基片表面的情况下，尽量接近基片表面；狭缝的边缘与光栅基片5的边缘平齐，狭缝另一边缘在距离光栅基片5边缘W/3处，此时狭缝的宽度与光栅基片5的刻蚀区域相同；狭缝所在平面与光栅基片表面平行。
步骤五、光栅基片5的刻蚀区域为宽度W/3的宽波段光栅掩模平面上的光栅刻线，此区域为第一区域a，选取Ar气体2~6sccm、CHF3气体0.5~1.5sccm，离子能量400eV，完成对区域1的刻蚀，形成闪耀角β1。
所述步骤六中，将狭缝沿宽波段光栅基片表面平行移动W/3，使狭缝的两边缘与光栅基片5边缘各相距W/3，此时狭缝宽与第二区域b的宽度相同。
步骤七、第二区域b为宽波段光栅掩模平面上的光栅刻线，刻蚀宽度为W/3，选取Ar气体6~9sccm、CHF3气体1.5~2.5sccm，离子能量400eV，完成对第二区域b的刻蚀，形成闪耀角β2。
步骤八、将狭缝沿宽波段光栅基片表面5继续平行移动W/3，使狭缝的另一边缘与光栅基片5另一边缘平齐，此时狭缝宽度与第三刻蚀区域c的宽度相同。
步骤九、第三区域c为宽波段光栅掩模平面上的光栅刻线，刻蚀宽度为W/3，选取Ar气体9~14sccm、CHF3气体2.5~4.5sccm，离子能量400eV，完成对第三区域c的刻蚀，形成闪耀角β3。
具体实施方式二、结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的宽波段光栅的反应离子束刻蚀方法的实施例：
一、宽波段光栅掩模石英基片的放置。将槽形为类矩形的光刻胶掩模石英基片放置在一个回转工作台上，此工作台可绕回转轴回转，以实现离子束流与光栅基片夹角的调整；宽波段光栅掩模刻线所在平面及刻线方向平行于回转轴；
二、确定离子束入射角度φ。本实施例宽波段光栅刻线密度为1200l/mm,使用波段为300nm-900nm，区域1,2,3的理论闪耀角分别为β1=13.9°，β2=21.1°，β3=28.7°，计算出φ=28.4°。
三、调整狭缝宽度。本实施例宽波段光栅尺寸为60mm×60mm，狭缝宽度调整为20mm。
四、放置狭缝到位置一，狭缝到宽波段光栅掩模石英基片表面的距离2mm；狭缝的边缘与光栅基片边缘平齐，狭缝另一边缘在距离基片边缘20mm；狭缝所在平面与光栅基底表面平行。
五、刻蚀宽波段光栅的第一区域a。刻蚀宽波段光栅掩模平面上面积为20mm×60mm的第一区域a内的光栅刻线；选取Ar气体4sccm、CHF3气体0.9sccm，离子能量400eV，束流密度100mA，加速电压200V，刻蚀时间15min~20min，形成闪耀角β1=14.2°，如图5a所示。
六、调整狭缝到位置二，将狭缝沿宽波段光栅基片表面平行移动20mm，使狭缝的两边缘与光栅基片边缘各相距20mm。
七、刻蚀宽波段光栅第二区域b，刻蚀宽波段光栅掩模平面上面积为20mm×60mm的第二区域b内的光栅刻线；选取Ar气体8sccm、CHF3气体1.8sccm，离子能量400eV，束流密度100mA，加速电压200V，刻蚀时间15min~20min，形成闪耀角β2=20.5°，如图5b所示。
八、调整狭缝到位置三，将狭缝沿宽波段光栅基片表面继续平行移动20mm，使狭缝的另一边缘与光栅基片另一边缘平齐。
九、刻蚀宽波段光栅第三区域c，刻蚀宽波段光栅掩模平面上面积为20mm×60mm的第三区域c内的光栅刻线；选取Ar气体12sccm、CHF3气体3.6sccm，离子能量400eV，束流密度100mA，加速电压200V，刻蚀时间15min~20min，形成闪耀角β3=29.1°，如图5c所示。
结合图4说明本实施方式，光刻胶类矩形槽是采用全息曝光的方法得到的。具体步骤是：在平面光栅石英基片上涂覆一层可用来记录位相信息的光致抗蚀剂，将其放入光学干涉系统中曝光，然后在放入显影液种显影，形成光刻胶类矩形槽。
结合图5说明本实施方式，锯齿形槽是指在符合要求的类矩形槽光栅掩模制备完成的基础上，采用本发明的方法，通过反应离子束刻蚀将其转移到光栅基底材料中。其原理是：当反应离子束刻蚀方向与光栅掩模石英基片上的光刻胶类矩形槽形成一个角度时，由于石英基片上各点的光刻胶厚度不同，在光刻胶全部刻完时，在石英基片上刻蚀出的光栅截面为锯齿槽形。
以上所述仅为本发明的实施例，并非用来限定本发明的实施范围。任何所属技术领域中的具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围应当视权利要求书所界定范围为准。
Claims (4)
1.宽波段光栅的反应离子束刻蚀方法，其特征是，该刻蚀方法包括以下步骤：
步骤一、将光栅基片（5）放置在回转工作台（6）上；所述回转工作台（6）绕回转轴（7）旋转，光栅基片（5）刻线所在的平面与刻线方向（4）平行于回转轴（7）；
步骤二、在光栅基片（5）上放置挡板（3），调整狭缝的宽度，所述狭缝宽度为a=W/3，W为光栅基片（5）的宽度；
步骤三、调整离子束方向（1）与光栅基片（5）表面成φ角（2），选取Ar气体2~6sccm，CHF3气体0.5~1.5sccm，离子能量400eV，实现对光栅基片（5）第一区域（a）的刻蚀，形成闪耀角β1；
步骤四、平移挡板（3）至光栅基片（5）的下一位置，选取Ar气体6~9sccm，CHF3气体1.5~2.5sccm，离子能量400eV，实现对光栅基片（5）第二区域（b）的刻蚀，形成闪耀角β2；
步骤五、继续平移挡板（3），选取Ar气体9~14sccm、CHF3气体2.5~4.5sccm，离子能量400eV，实现对光栅基片（5）第三区域（c）的刻蚀，形成闪耀角β3 ，实现对光栅基片（5）的刻蚀；
所述的步骤四与步骤五中平移挡板（3）的距离与狭缝的宽度相同。
2.根据权利要求1所述的宽波段光栅的反应离子束刻蚀方法，其特征在于，步骤二所述的在光栅基片（5）上放置挡板（3），所述挡板（3）表面至光栅基片（5）表面的距离小于3mm，挡板（3）的表面与光栅基片（5）表面平行。
3.根据权利要求1所述的宽波段光栅的反应离子束刻蚀方法，其特征在于，步骤三所述的调整离子束方向与光栅基片（5）表面成φ角（2），所述，取0.5计算出φ角，其中为光刻胶掩模刻蚀速率，
为光栅基片（5）的刻蚀速率，β2为刻蚀光栅基片（5）的第二区域（b）的闪耀角。
4.根据权利要求1所述的宽波段光栅的反应离子束刻蚀方法，其特征在于，所述光栅基片（5）第一区域（a）的刻蚀宽度、光栅基片（5）第二区域（b）的刻蚀宽度和光栅基片（5）第三区域（c）的刻蚀宽度相同，并且每个区域的刻蚀宽度与狭缝宽度相同。
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