CN103645532B - 一种用于制作凹面闪耀光栅的基材结构及凹面闪耀光栅制作方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及凹面闪耀光栅制作技术领域，特别涉及一种用于制作凹面闪耀光栅的基材结构及凹面闪耀光栅制作方法，制作凹面闪耀光栅时先在凹面光栅基底上黏贴软膜并在其上涂覆成型光刻胶光栅层，然后再将软膜剥离凹面光栅基底并黏贴至平面基底上，以光刻胶光栅层为掩模将软膜蚀刻为软膜光栅，由于其蚀刻的掩模是在凹形光栅基底上显影成型的，因此其最终的光栅结构能够精准的匹配凹形光栅基底，另一方面，由于去光栅结构是在平面基底上进行离子束蚀刻的，其不会受到凹形光栅基底的影响，能够有效降低其制造难度并提高制造精度。

Description

一种用于制作凹面闪耀光栅的基材结构及凹面闪耀光栅制作方法

技术领域

本申请涉及凹面闪耀光栅制作技术领域，特别涉及一种用于制作凹面闪耀光栅的基材结构及凹面闪耀光栅制作方法。

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。

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，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、凸面闪耀光栅和凹面闪耀光栅。其中凹面闪耀光栅集色散、聚焦、平像场等功能于一体，是便携式光栅光谱仪器等光学仪器的关键元件，直接决定着这些光学仪器的最终质量。

现有技术中，闪耀光栅的主要制作方法有以下几类：

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作。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作闪耀光栅的方法源于20世纪60-70年代。Sheriden申请了驻波法，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作工艺是先在石英玻璃基底表面涂布光刻胶，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，再以此为光刻胶光栅掩模，进行离子束刻蚀。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。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。

然而对于凹面闪耀光栅，由于受凹面基底几何形状的限制，凹面光栅很难直接采用离子束刻蚀来制作闪耀凹面光栅，例如对凹面基底中间凹陷部分进行蚀刻时，离子束为避免受到凹面基底两侧的阻挡导致照射角度可变化范围小，因此凹面闪耀光栅的槽型无法精确控制，其制作难度大且衍射效率低，这成为其应用瓶颈。

发明内容

本申请的目的在于避免上述现有技术中的不足之处而提供一种便于制作的凹面闪耀光栅以及该凹面闪耀光栅的制作方法。

本申请的目的通过以下技术方案实现：

提供一种凹面闪耀光栅的制作方法，包括：

步骤A：将可弯曲形变的软膜黏贴在凹面光栅基底的工作面上；

步骤B：在软膜上涂覆光刻胶层，并对所述光刻胶层进行干涉光刻，形成光刻胶光栅层；

步骤C：将覆盖有光刻胶光栅层的软膜从凹面光栅基底上剥离并固定至一非凹面的蚀刻基底的工作面上；

步骤D：以所述光刻胶光栅层为掩模，对软膜进行离子束刻蚀，将光刻胶光栅层的光栅图形转移到软膜上，形成软膜光栅；

步骤E：将软膜光栅从平面基底上取下并将其黏贴回凹面光栅基底。

其中，所述步骤A包括：

步骤A1：在凹面光栅基底的工作面上镀上分离层；

步骤A3：将分离层与软膜粘接。

其中，所述步骤A还包括：

步骤A2：在所述分离层上镀上一层反射层。

其中，所述步骤C中所述的蚀刻基底为平面基底。

其中，所述步骤C包括：

步骤C1：在非凹面基底上镀上分离层；

步骤C3：将分离层与软膜粘接。

其中，所述步骤C还包括：

步骤C2：在所述分离层上镀上一层反射层。

其中，所述步骤D包括：

步骤D1：将待蚀刻的软膜分为多个蚀刻区域，对每个区域逐一进行蚀刻；

步骤D2：对一蚀刻区域进行蚀刻时，根据由曲面变为平面的过程中该蚀刻区域所对应的光刻胶光栅层的槽型倾斜角度调整离子束照射角度，同时阻挡其他蚀刻区域以避免离子束照射其他蚀刻区域。

其中，所述步骤E包括永久性黏贴步骤：用紫外线照射软膜光栅使软膜光栅与凹面光栅基底的接触面等离子氧化。

还提供一种用于制作凹面闪耀光栅的基材结构，包括凹面光栅基底，其特征在于：还包括可分离粘接于所述凹面光栅基底的工作面上的可弯曲形变的软膜。

其中，所述软膜为PDMS材料制成的软膜。

本申请的有益效果：本申请提供了一种用于制作凹面闪耀光栅的基材结构和利用该凹面闪耀光栅的基材结构制作凹面闪耀光栅的方法，制作凹面闪耀光栅时先在凹面光栅基底上黏贴软膜并在其上涂覆成型光刻胶光栅层，然后再将软膜剥离凹面光栅基底并黏贴至平面基底上，以光刻胶光栅层为掩模将软膜蚀刻为软膜光栅，由于其蚀刻的掩模是在凹形光栅基底上显影成型的，因此其最终的光栅结构能够精准的匹配凹形光栅基底，另一方面，由于去光栅结构是在平面基底上进行离子束蚀刻的，其不会受到凹形光栅基底的影响，能够有效降低其制造难度并提高制造精度。

附图说明

利用附图对本申请作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本申请的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1为本申请一种便于制作的凹面闪耀光栅在制作步骤A中的结构示意图。

图2为本申请一种便于制作的凹面闪耀光栅在制作步骤B中的结构示意图。

图3为本申请一种便于制作的凹面闪耀光栅在制作步骤C中的结构示意图。

图4为本申请一种便于制作的凹面闪耀光栅的最终产品结构示意图。

在图1至图4中包括有：

1——凹面光栅基底、2——软膜、20——软膜光栅、3——光刻胶光栅层、4——平面基底。

具体实施方式

结合以下实施例对本申请作进一步描述。

本申请用于制作凹面闪耀光栅的基材结构的具体实施方式，如图1所示，包括：凹面光栅基底1和固定于所述凹面光栅基底1的工作面上的可弯曲形变的软膜2，所述软膜2与凹面光栅基底可分离粘接。

通过该用于制作凹面闪耀光栅的基材结构可方便制得凹面闪耀光栅，该凹面闪耀光栅结构如图4所示，包括：凹面光栅基底1和固定于所述凹面光栅基底1的工作面上的可弯曲形变的软膜光栅20，所述软膜光栅20在平面基板上经离子束蚀刻成型其光栅结构。

其中，所述软膜2为PDMS材料制成的软膜2。PDMS材料是具有非易燃性的透明弹性体，十分适合本制造方法的要求。

其中，所述凹面光栅基底1是由玻璃材料制成的凹面光栅基底1。

上述凹面闪耀光栅的制作方法如下：

步骤A：将软膜2黏贴在凹面光栅基底1的工作面上，如图1所示，具体的，步骤A包括：

步骤A1：在凹面光栅基底1的工作面上镀上硅油膜层以形成分离层；（当然，也可以采用其他离型剂来制作分离层）；

步骤A2：在所述硅油膜层上镀上一层反射层；

步骤A3：在反射层上涂覆环氧树脂胶，将软膜2覆盖在所述环氧树脂胶上并压平排除气泡；

步骤A4：将凹面光栅基底1置于烘烤箱中烘烤以使环氧树脂胶固化。

本处采用离型剂硅油来形成分离层，这样在需要分离时可以方便的进行分离，同时镀有反射层，提高软膜底面的反光率，确保一下步骤在对软膜2上的光刻胶进行曝光时能够有效曝光，当然如果由反光率高的离型剂制作分离层，则也可不增加反射层。

步骤B：在软膜2上涂覆光刻胶层，并对所述光刻胶层进行干涉光刻，形成光刻胶光栅层3；如图2所示，具体的，步骤B包括：

步骤B1：在软膜2上旋涂光刻胶层；

步骤B2：对光刻胶层进行曝光；

步骤B3：对光刻胶层进行显影刻蚀。

本实施例采用旋涂法涂覆光刻胶，当然也可以采用所述涂布光刻胶的工艺可以蒸涂法，该光刻胶层可以是正胶，也可以是负胶，本领域技术人员可根据具体需要选择现有的涂覆手段和材料。

对于步骤B2和步骤B3，本申请采用激光干涉光刻工艺来实现，确保其光刻胶光栅层3的精确度。进一步的，根据需要，当光刻胶表面形成光栅结构后，还可以对光刻胶进行灰化处理，以对光刻胶光栅结构的占宽比调节，具体的灰化方法属于本领域公知常识，在此不再赘述。

步骤C：将覆盖有光刻胶光栅层3的软膜2从凹面光栅基底1上剥离并固定至一平面基底4的工作面上；如图3所示，在实际制作过程中，由于凹面光栅具有一曲率半径，软膜2由弯曲转为平铺后，软膜2上的光刻胶光栅层3的微观槽型的倾斜角度有所改变（图3中未示此形变），具体体现为在弯曲状态下光刻胶光栅层3的微观槽型为矩形槽型（如图2），当把它展开为平铺的样子后，光刻胶光栅层3两边的矩形槽型会向两边略微倾斜，而中即的矩形槽型仍保持竖直。同时，本步骤采用平面基底4作为蚀刻基底，可以减少软膜2由弯曲转为平铺后的形变，减低蚀刻难度，当然，根据实际需要可以采用凸面基底作为蚀刻基底。

另外，本步骤中将软膜2从凹面光栅基底1上剥离主要是利用步骤A中的分离层，将软膜2固定至平面基底4上的具体步骤可以采用类似步骤A的具体步骤，以便于后期再一次分离。

步骤D：以所述光刻胶光栅层3为掩模，对软膜2进行离子束刻蚀，将光刻胶光栅层3的光栅图形转移到软膜2上，形成软膜光栅20；具体的，包括步骤：

步骤D1：将待蚀刻的软膜2分为多个蚀刻区域，对每个区域逐一进行蚀刻；

步骤D2：对任一蚀刻区域进行蚀刻时，根据由曲面变为平面的过程中该蚀刻区域所对应的光刻胶光栅层3的槽型倾斜角度调整离子束照射角度，同时阻挡其他蚀刻区域以避免离子束照射其他蚀刻区域；

步骤D3：蚀刻完成后清洗软膜光栅20，去除剩余光刻胶。

如以上步骤所述，软膜2由弯曲转为平铺后，软膜2上的光刻胶光栅层3的微观槽型的倾斜角度有小的改变，即在离子束刻蚀时，从左到右的刻蚀角度需要稍微不一样，为此，根据蚀刻角度的不同将软膜2分为多个蚀刻区域，然后调整离子束照射角度以保证蚀刻角度满足当前蚀刻区域的蚀刻角度要求，同时阻挡其他区域避免其他区域被照射，从而保证了蚀刻过程各个蚀刻区域都能得到精确的蚀刻角度。

步骤E：将软膜光栅20从平面基底4上取下并将永久性黏贴回凹面光栅基底1。如图4所示，其中，所述永久性黏贴步骤为：用紫外线照射软膜光栅20使软膜光栅20与凹面光栅基底1的接触面等离子氧化。通过使软膜光栅20与凹面光栅基底1的接触面等离子氧化后与凹面光栅基底1高强度的永久性粘合，采用这种粘合方式，粘合结构牢固，强度高，不容易脱落。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对本申请保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本申请作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本申请技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种凹面闪耀光栅的制作方法，其特征在于包括：

步骤A：将可弯曲形变的软膜黏贴在凹面光栅基底的工作面上；

步骤B：在软膜上涂覆光刻胶层，并对所述光刻胶层进行干涉光刻，形成光刻胶光栅层；

步骤C：将覆盖有光刻胶光栅层的软膜从凹面光栅基底上剥离并固定至一非凹面的蚀刻基底的工作面上；

步骤D：以所述光刻胶光栅层为掩模，对软膜进行离子束刻蚀，将光刻胶光栅层的光栅图形转移到软膜上，形成软膜光栅；

步骤E：将软膜光栅从平面基底上取下并将其黏贴回凹面光栅基底。

2.如权利要求1所述的一种凹面闪耀光栅制作方法，其特征在于所述步骤A包括：

步骤A1：在凹面光栅基底的工作面上镀上分离层；

步骤A3：将分离层与软膜粘接。

3.如权利要求2所述的一种凹面闪耀光栅制作方法，其特征在于所述步骤A还包括：

步骤A2：在所述分离层上镀上一层反射层。

4.如权利要求1所述的一种凹面闪耀光栅制作方法，其特征在于所述步骤C中所述的蚀刻基底为平面基底。

5.如权利要求1所述的一种凹面闪耀光栅制作方法，其特征在于所述步骤C包括：

步骤C1：在非凹面基底上镀上分离层；

步骤C3：将分离层与软膜粘接。

6.如权利要求5所述的一种凹面闪耀光栅制作方法，其特征在于所述步骤C还包括：

步骤C2：在所述分离层上镀上一层反射层。

7.如权利要求3所述的一种凹面闪耀光栅制作方法，其特征在于所述步骤D包括：

步骤D1：将待蚀刻的软膜分为多个蚀刻区域，对每个区域逐一进行蚀刻；

步骤D2：对一蚀刻区域进行蚀刻时，根据由曲面变为平面的过程中该蚀刻区域所对应的光刻胶光栅层的槽型倾斜角度调整离子束照射角度，同时阻挡其他蚀刻区域以避免离子束照射其他蚀刻区域。

8.如权利要求3所述的一种凹面闪耀光栅制作方法，其特征在于所述步骤E包括永久性黏贴步骤：用紫外线照射软膜光栅使软膜光栅与凹面光栅基底的接触面等离子氧化。