CN103105638A - 闪耀凹面全息光栅分区反应离子束的刻蚀方法 - Google Patents

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谭鑫
吴娜
巴音贺希格
齐向东
李文昊
孔鹏
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Abstract

闪耀凹面全息光栅分区反应离子束的刻蚀方法，涉及光谱技术领域解决采用现有方法刻蚀凹面光栅获得的闪耀角不同，同时由于闪耀角差异影响闪耀凹面光栅的衍射效率的问题，本发明的刻蚀步骤为：凹面光栅掩模基片的放置；选取离子束入射角；凹面光栅基底分区；制作刻蚀狭缝；狭缝的放置；刻蚀凹面光栅。本发明对槽形为正弦型或类矩形的凹面光栅掩模基片进行分区反应离子束刻蚀，使得刻蚀后的闪耀凹面全息光栅的闪耀角一致性高，对制作出高衍射效率的闪耀凹面全息光栅有直接的重要意义。

Description

闪耀凹面全息光栅分区反应离子束的刻蚀方法
技术领域
本发明涉及光谱技术领域，具体涉及一种闪耀凹面全息光栅的分区反应离子束刻蚀方法。
背景技术
凹面光栅具有色散功能的同时，由于其凹面面形又具备聚焦功能，所以其应用于光谱分析仪器领域相比于平面光栅，能够省略聚焦镜，减小光机结构，利于仪器的小型化。凹面光栅的衍射效率作为重要的技术指标直接影响光谱分析仪器的分辨率及信噪比，因此闪耀凹面全息光栅这种能够实现高衍射效率的凹面光栅是光谱分析仪器行业追求的目标。
目前凹面光栅使用平行离子束刻蚀设备刻蚀凹面光栅时，由于凹面基底存在曲率半径R，平行的离子束流对于基底上不同位置的入射角不同，致使在凹面基底上各处获得的闪耀角不同，两端闪耀角差值为
Figure BDA0000272913981
，其中W为凹面基底宽度、R为基底曲率半径。这个闪耀角差异直接影响闪耀凹面光栅的衍射效率，致使获得的闪耀凹面光栅衍射效率低，限制了使用范围，尤其在弱信号探测领域，无法实现仪器的轻量化、小型化优势。因此闪耀角一致性高的凹面光栅的制作方法至关重要。
美国NASA、日本岛津公司和Horiba Jobin-Yvon公司等知名光栅生产厂家在制作这类闪耀凹面光栅方面具有领先地位，已经制作了一些闪耀凹面光栅，但是在光栅制作工艺方面的研究仍然未成熟。国内尚未对这种高闪耀角一致性的刻蚀工艺进行过研究。
发明内容
本发明为解决采用现有方法刻蚀凹面光栅获得的闪耀角不同，同时由于闪耀角差异影响闪耀凹面光栅的衍射效率的的问题，提供一种闪耀凹面全息光栅分区反应离子束的刻蚀方法。
闪耀凹面全息光栅分区反应离子束的刻蚀方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、对凹面光栅掩模基片分区，沿所述凹面光栅掩模基片过顶点并垂直于光栅刻线方向的平面与凹面光栅掩模基片表面的交线分N个区域，每个区域对应的圆心角为
Figure BDA0000272913982
；所述N为正整数，凹面光栅掩模基片的半径为R，凹面光栅掩模基片的宽度为W；
步骤二、制作刻蚀狭缝，所述狭缝为柱面，柱面半径与凹面光栅掩模基片的半径相同，狭缝的宽度为
Figure BDA0000272913983
，所述狭缝的上圆弧线及下圆弧线与狭缝的宽度垂直；
步骤三、调整狭缝顶点到凹面光栅掩模基片的顶点的距离，所述狭缝的上圆弧线和下圆弧线与凹面光栅掩模基片光栅刻线平行，反应离子束通过狭缝刻蚀凹面光栅掩模基片的第一区域；所述的第一区域是相对圆心角为
Figure BDA0000272913984
的凹面光栅掩模基片圆弧面上的光栅刻线区域；
步骤四、调整回转工作台绕回转轴Y旋转，旋转的角度与圆心角（8）的角度相同，进行第二区域的刻蚀，依次以与圆心角相同的角度绕回转轴Y旋转，最终完成对N个区域的刻蚀。
本发明的有益效果：本发明的技术方案是采用分区刻蚀法，也就是对槽形为正弦型或类矩形的凹面光栅掩模基片进行分区反应离子束刻蚀，使得刻蚀后的闪耀凹面光栅的闪耀角沿表面一致性相对误差＜8%。对提高闪耀凹面全息光栅的衍射效率有直接的重要价值。本发明目的在于实现对闪耀凹面全息光栅反应离子束刻蚀，获得高闪耀角一致性，特提出一种易于实现的能够精获得高闪耀角一致性的闪耀凹面全息光栅反应离子束刻蚀的方法。
附图说明
图1为本发明所述的闪耀凹面全息光栅分区反应离子束的刻蚀方法中光栅与狭缝位置关系示意图；
图2为本发明所述的闪耀凹面全息光栅分区反应离子束的刻蚀方法中离子束刻蚀过程示意图；
图3为本发明所述的闪耀凹面全息光栅分区反应离子束的刻蚀方法的凹面全息光栅掩模槽形原子力显微镜测试效果图；
图4为本发明所述的闪耀凹面全息光栅分区反应离子束的刻蚀方法中分区刻蚀后的闪耀凹面全息光栅中心位置槽形原子力显微镜测试效果图；
图5为本发明所述的闪耀凹面全息光栅分区反应离子束的刻蚀方法中分区刻蚀后的闪耀凹面全息光栅边缘位置槽形原子力显微镜测试效果图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，闪耀凹面全息光栅分区反应离子束刻蚀方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一，凹面光栅掩模基片3的放置；将槽形为正弦型或类矩形的凹面光栅掩模基片3放置在一个回转工作台上，该工作台回转中心为O，坐标系为XYZ，可绕Y轴做回转运动，球心在回转工作台的回转轴Y上，即图中坐标原点O；凹面光栅掩模基片3的顶点A处光栅刻线2所在平面经过回转轴Y，其余刻线所在平面平行于回转轴Y。
步骤二，选取离子束入射角；如图2所示，若凹面光栅掩模基片3的球半径为R，宽度（垂直光栅刻线方向）为W，要制成的闪耀凹面全息光栅的闪耀角
Figure BDA0000272913985
，则将离子束方向与光栅掩模基片3顶点A处光栅刻线2所在平面成90°-θ，即离子束入射角7为θ。
步骤三，凹面光栅掩模基片3分区；沿凹面光栅掩模基片3过顶点A并垂直于栅线方向的平面与凹面光栅掩模基片3表面的交线分N个区，N可以通过衍射效率计算软件PCgrate及凹面光栅所使用波段进行设计计算，N一般取大于等于2小于等于10间的整数。每个区域对应的圆心角8为。
步骤四，制作刻蚀狭缝；所述的狭缝4为一个柱面，柱面半径与凹面光栅掩模基片（3）的半径R相同，狭缝（4）的宽度6为
Figure BDA0000272913987
，上圆弧线9及下圆弧线10与宽度6垂直，上下圆弧线长度由凹面光栅掩模基片3刻线方向长度决定，只要大于基片刻线方向长度即可。
步骤五，狭缝4的放置；所述的狭缝4顶点B到凹面光栅掩模基片3的顶点A的距离5小于等于3mm，大于
Figure BDA0000272913988
，并且在不接触凹面光栅掩模基片3表面的情况下尽量接近凹面光栅掩模基片3表面；狭缝4的上圆弧线9、下圆弧线10与凹面光栅掩模基片光刻胶光栅刻线2平行，反应离子束通过狭缝4可刻蚀到的区域为区域一。
步骤六，刻蚀凹面光栅；刻蚀区域一为相对于角度
Figure BDA0000272913989
的凹面光栅掩模圆弧面上的光栅刻线区域。刻蚀完成后由回转工作台绕回转轴Y旋转
Figure BDA00002729139810
角度再进行第二次刻蚀，依次旋转N次，以相同的刻蚀工艺参数刻蚀N次，直到凹面光栅掩模的整个圆弧面全部刻蚀完成为止。
本实施方式所述的凹面光栅是指光栅刻槽分布在凹球面的表面上，刻线之间相互平行。首先在凹球面的基片上采用全息曝光的方法制作成槽形为正弦型或类矩形的凹面光栅掩模，然后以它为基片进行反应离子束刻蚀。刻蚀后成为槽形为锯齿形的闪耀凹面光栅。
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闪耀凹面全息光栅分区反应离子束刻蚀方法的实施例：其具体过程为：
步骤一、凹面光栅掩模基片3的放置；将槽形为类矩形的凹面光栅掩模基片3放置在一个回转工作台上，该工作台回转中心为O，坐标系为XYZ，可绕Y轴做回转运动，球心在回转工作台的回转轴Y上，即图中坐标原点O；凹面光栅掩模顶点A处光栅刻线2所在平面经过回转轴Y，其余刻线所在平面平行于回转轴Y，其中凹面全息光栅掩模槽形如图2所示，是采用全息曝光的方法得到的，具体方法是在凹面石英基片上涂覆一层光刻胶薄膜，利用413.1nm激光干涉系统曝光，经NaOH显影液显影，形成类矩形光栅槽形。
步骤二，选取离子束入射角；如图2所示，其中凹面光栅掩模基片的球半径为R=224.36mm，宽度（垂直光栅刻线方向）为W=45mm，长度为40mm，要制成的闪耀凹面全息光栅的闪耀角θ=9.5°，其大于
Figure BDA00002729139811
，即离子束入射角7为θ=9.5°。
步骤三，凹面光栅基底3分区；如图2所示，沿凹面基底过顶点并垂直于栅线方向的平面与凹面基底表面的交线分N个区，N可以通过衍射效率计算软件PCgrate及凹面光栅所使用波段进行设计计算，经设计N取4。每个区域对应的圆心角8为
Figure BDA00002729139812
。
步骤五，狭缝的放置；如图1和图2所示，所述的狭缝顶点B到凹面光栅掩模基片的顶点A的距离5取1.5mm，小于等于3mm，大于
Figure BDA00002729139813
；狭缝的上圆弧线9、下圆弧线10与凹面光栅掩模基片光刻胶光栅刻线2平行，反应离子束通过狭缝可刻蚀到的区域1。
步骤六，刻蚀凹面光栅；刻蚀区域1为相对于圆心角2.88°的凹面光栅掩模圆弧面上的光栅刻线区域。刻蚀完成后由回转工作台绕回转轴Y旋转2.88°再进行第二次刻蚀，依次旋转N=4次，以相同的刻蚀工艺参数刻蚀N=4次，直到凹面光栅掩模的整个圆弧面全部刻蚀完成为止，其中刻蚀工艺参数为离子能量300eV，离子束流90mA，加速电压200V，中和电流110mA，工作气压2.5×10-2Pa，Ar进气量10sccm，CHF3进气量5sccm。
结合图4和图5说明本实施方式，图4和图5中所示的三角槽形，是指在符合要求的类矩形槽形光栅掩模制备完成的基础上，采用本发明的方法，通过反应离子束将其转移到光栅基底材料中。其原理是：当反应离子束入射方向与凹面光栅掩模基片3上的光刻胶类矩形槽成一个角度时，由于光刻胶类矩形槽的遮挡作用，使得基片有光刻胶线条部分不能被刻蚀，无光刻胶线条部分被刻蚀，同时光刻胶线条随着刻蚀时间的推进在不断减少，直到光刻胶全部刻蚀完后，在凹面光栅基片上刻蚀出的光栅截面为三角槽型。图4为闪耀凹面光栅中心位置处的槽形测量结果，其闪耀角为9.6°；图5为闪耀凹面光栅边缘位置处的槽形测量结果，其闪耀角为9.9°；中心位置与边缘位置闪耀角差为0.3°，远小于传统方法中心位置与边缘位置闪耀角差
Figure BDA00002729139814
，可见该分区刻蚀法获得的闪耀凹面光栅闪耀角一致性较好。
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.闪耀凹面全息光栅分区反应离子束的刻蚀方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：
步骤一、对凹面光栅掩模基片（3）分区，沿所述凹面光栅掩模基片（3）过顶点并垂直于光栅刻线（2）方向的平面与凹面光栅掩模基片（3）表面的交线分N个区域，每个区域对应的圆心角（8）为
Figure FDA0000272913971
；所述N为正整数，凹面光栅掩模基片（3）的半径为R，凹面光栅掩模基片（3）的宽度为W；
步骤二、制作刻蚀狭缝（4），所述狭缝（4）为柱面，柱面半径与凹面光栅掩模基片（3）的半径相同，狭缝（4）的宽度（6）为
Figure FDA0000272913972
，所述狭缝（4）的上圆弧线（9）及下圆弧线（10）与狭缝（4）的宽度（6）垂直；
步骤三、调整狭缝（4）顶点B到凹面光栅掩模基片（3）的顶点A的距离，所述狭缝（4）的上圆弧线（9）和下圆弧线（10）与凹面光栅掩模基片（3）光栅刻线（2）平行，反应离子束通过狭缝（4）刻蚀凹面光栅掩模基片（3）的第一区域；所述的第一区域是相对圆心角（8）为
Figure FDA0000272913973
的凹面光栅掩模基片（3）圆弧面上的光栅刻线区域；
步骤四、调整回转工作台绕回转轴Y旋转，旋转的角度与圆心角（8）的角度相同，进行第二区域的刻蚀，依次以与圆心角相同的角度绕回转轴Y旋转，最终完成对N个区域的刻蚀。
2.根据权利要求1所述的闪耀凹面全息光栅分区反应离子束的刻蚀方法，其特征在于，在步骤一之前，还包括对凹面光栅掩模基片（3）放置的步骤，所述凹面光栅掩模基片（3）放置在回转工作台上，所述回转工作台的回转中心为O，凹面光栅掩模基片（3）绕回转轴Y轴回转，回转中心O在回转轴Y上，凹面光栅掩模基片（3）的顶点（A）处的光栅刻线（2）所在平面经过回转轴Y。
3.根据权利要求1所述的闪耀凹面全息光栅分区反应离子束的刻蚀方法，其特征在于，所述反应离子束的方向与凹面光栅掩模基片（3）顶点（A）处的光栅刻线（2）所在平面成90°-θ角，反应离子束的入射角（7）为θ。刻蚀凹面光栅的闪耀角θ的范围为：
Figure FDA0000272913974
。
4.根据权利要求1所述的闪耀凹面全息光栅分区反应离子束的刻蚀方法，其特征在于，所述狭缝（4）的顶点（B）到凹面光栅掩模基片（3）的顶点A的距离（5）小于等于3mm，大于
Figure FDA0000272913975
。
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