CN104536262A - 一种以透明陶瓷为基底材料制作二元光学元件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以透明陶瓷为基底材料制作二元光学元件的方法，采用未掺杂的钇铝石榴石透明陶瓷用作二元光学元件的基底材料，通过磁控溅射系统装置在透明陶瓷表面溅射一层致密抗氧化金属膜，借助接触式光刻系统将掩模板中的光栅等二元光学元件微结构转印至透明陶瓷的金属膜中，使其保留在透明陶瓷上。该基底材料具有耐高温、耐高压、耐腐蚀，硬度高，且在红外波段具有良好的透过率等优点，适合于制作透射式和反射式二元光学元件，能够克服传统的不透明硅系列基材不能制作透射式二元光学元件、无法应用于特殊环境的不足。<b/>

Description

一种以透明陶瓷为基底材料制作二元光学元件的方法

技术领域

本发明涉及一种以透明陶瓷为基底材料制作二元光学元件的方法，具体涉及一种二元光学元件材料，属于光学材料技术领域。

背景技术

传统的微光刻基底材料为硅基底材料、普通光学玻璃等，这些材料存在着某些不足：只能在可见光范围内适用；有的材料本身不透明，脆性大，无法用作透射式器件；有的材料熔点低，硬度低，无法应用于高温、高压、高强度的环境中；有的材料重量大，不利于器件的轻量化……而透明陶瓷材料具有相对这些传统材料更多的优点：耐高温，耐高压，耐腐蚀，高硬度，在可见光和红外波段均有良好的透过率，能成为优良的光刻基底材料。

近年来，透明陶瓷作为一种广受关注的新型光功能材料，在军事、科研、工业和医疗等领域的应用前景十分广阔。具有各向同性的立方晶体结构的钇铝石榴石(Yttrium Aluminum Garnet, YAG)因其具有优良的光学性能、稳定的化学性能和良好的力学性能，成为制备透明陶瓷的理想基体。相比于晶体，YAG透明陶瓷具有生产周期短，光均匀性好，耐热冲击性好，能批量生产等优点，使其成为性能优良的激光工作物质。同时，YAG透明陶瓷的诸多优点也能使其成为二元光学器件的理想载体，而目前国内未有该方面的技术报道。因此，进一步拓宽YAG透明陶瓷作为结构材料和功能材料的应用的研究显得尤为重要。

作为精密光学仪器核心单元器件之一的衍射二元光学元器件（如光栅等分光器件），在许多光学工程应用中，都显示出越来越重要的应用价值和广阔的应用前景。随着二元光学元器件应用的不断深入，对其性能的要求也逐渐提高，使得二元光学元器件具有在特殊环境下工作的性能成为近来研究的热点。

发明内容

本发明公开了一种以透明陶瓷为基底材料制作二元光学元件的方法。用透明陶瓷取代了传统光刻工艺中的基底材料。通过磁控溅射系统在透明陶瓷表面溅射一层致密的金属膜，使得金属膜与透明陶瓷结合牢固，借助接触式光刻系统将掩模板中的光栅结构转印到金属膜中，使得二元光栅结构长久保留在透明陶瓷面上。本发明提出了一种新型光刻基底材料，相比于普通玻璃、硅片等传统基材，透明陶瓷为基底材料制作的二元光学元件的优势表现在：耐高温，耐高压，耐腐蚀，高硬度，在可见光和红外波段均有良好的透过率。

本发明一种以透明陶瓷为基底材料制作二元光学元件的方法，其特征在于：采用未掺杂的钇铝石榴石透明陶瓷用作二元光学元件的基底材料，工艺流程：包括透明陶瓷表面处理、磁控溅射镀膜、旋转涂胶、前烘、曝光、后烘、显影、坚膜、刻蚀和去胶工序。

（1）透明陶瓷表面处理

抛光后的透明陶瓷表面分别用酒精檫拭、超声波清洗5分钟，水洗后再进行干燥处理。

（2）磁控溅射镀膜

经表面处理的透明陶瓷置于磁控溅射炉中镀金属铬膜，真空度控制在10^-4Pa后，通入氩气，调节电流为0.4A，溅射电压为0.38KV，透明陶瓷预溅射2～5分钟移开挡板后，溅射60～120秒，再经氩气钝化处理3分钟后冷却至70℃以下，得到与透明陶瓷紧密结合的致密金属铬薄膜。

（3）旋转涂胶

镀铬膜的透明陶瓷先在1000转/min条件下旋转10秒，然后在3900转/min的条件下旋转20秒，使光刻胶均匀粘附在透明陶瓷铬膜表面，光刻胶的厚度控制在1.0μm。

（4）前烘

将涂胶的镀铬透明陶瓷在90～100℃，烘3～5分钟。

（5）曝光

将透明陶瓷带有光刻胶的一面与掩模板两者紧密叠在一起，通过接触式光刻装置，曝光15～25秒。

（6）后烘

将已曝光的透明陶瓷在100～110℃，烘烤2～3分钟。

（7）显影

后烘处理的透明陶瓷在钠黄光的环境下显影，显影液为质量浓度3.5‰的NaOH溶液，显影温度20±1℃，显影30～50秒，并用温度接近但不超过30℃的温水定影，将掩模板中的二元光学元件微结构以光刻方式转移到透明陶瓷上的光刻胶中。

（8）坚膜

将显影后的透明陶瓷在100～110℃烘干处理2分钟。

（9）刻蚀

采用湿法刻蚀，采用200g硝酸铈铵、质量浓度为98%的醋酸35ml和去离子水1000ml混合配成的溶液对坚膜处理的透明陶瓷进行化学刻蚀，刻蚀温度20±1℃，刻蚀时间50～70秒，将光刻胶上的图像转移到透明陶瓷上的致密的铬金属膜层中。

（10）去胶

采用溶剂去胶，在室温的条件下，将刻蚀后的铬版放在质量浓度为5%的NaOH溶液中浸泡1分钟以内，去除透明陶瓷表面的光刻胶，得到带有二元光栅结构的透明陶瓷。

所述的金属铬膜中铬的纯度99.99%，与透明陶瓷表面紧密结合的均匀致密的金属铬膜厚度为150～300nm。

所述的接触式光刻装置包括高压汞灯紫外光源，扩束准直透镜组、掩模板、三维微位移调整平台，以及涂敷光刻胶的透明陶瓷材料。

本发明具有以下优点：

本发明利用未掺杂的钇铝石榴石（简称YAG）透明陶瓷代替传统的光刻基底材料，能够在可见光和红外波段均获得良好的透过率。在透明陶瓷上的光栅等二元光学元件微结构能够在更为复杂的环境中发挥作用，具有传统的光刻基材无可比拟的优点：耐高温，耐高压，耐腐蚀，高硬度等，能够克服传统光刻基材只能在半导体硅系列基底材料上适用的不足，材料本身不透明，无法用作透射式器件，而且材料脆性大、硬度低，无法应用于高温、高压、高强度的环境中。  

附图说明

图1为接触式曝光系统示意图；

图中标号：1、汞灯光源；2、透镜组；3、整形后的平行光；4、掩模板；5、光刻胶；6、铬膜；7、透明陶瓷；

图2为镀膜透明陶瓷制作光栅元件的工艺流程图；

图3为透明陶瓷；

图4为磁控溅射镀膜后的透明陶瓷；

图5为透明陶瓷上二元光学元件设计图；

图6为二元衍射光栅内部结构放大图；

图7为以透明陶瓷为基材的光栅元件反射衍射图；

图8为以透明陶瓷为基材的光栅元件透射衍射图。

具体实施方式

实施实例1

本发明一种以透明陶瓷为基底材料制作二元光学元件的方法，采用未掺杂的钇铝石榴石透明陶瓷用作二元光学元件的基底材料，工艺流程包括：透明陶瓷表面处理、磁控溅射镀膜、旋转涂胶、前烘、曝光、后烘、显影、坚膜、刻蚀和去胶工序。

1）透明陶瓷表面处理

对透明陶瓷（简称YAG）进行镀膜前处理，通过研磨机抛光获得表面接近镜面的透明陶瓷，用酒精溶液清洗，再用超声波清洗机清洗5分钟，待陶瓷表面完全干燥后进入镀膜阶段。

2）磁控溅射镀抗氧化金属膜

2.1用酒精清洗磁控溅射炉腔，清除污垢、附着物和之前残留的沉积物。

2.2加热和抽气。将透明陶瓷夹入托盘中，装入真空室，开启基体承载架旋转功能，均匀镀金属铬膜（铬纯度99.99%）。关闭腔体盖板，开加热器个基体加热打开机械泵，等到真空计读数小于10Pa的时候开电磁阀，等到真空计读数再次小于10Pa时启动分子泵，直到真空计读数到10^-4Pa。

2.3预溅射。打开氩气阀通气，调节气体流量，实验为20sccm，打开基体保护盖用挡板挡住靶材，调节电流为0.4A，溅射电压为0.38KV。预溅射2～5分钟后移开挡板。

2.4溅射镀膜。移开挡板后溅射60～120秒，可以获得150～300nm的均匀铬膜。

2.5钝化。镀膜完成后腔体内部还是处于高温，膜层还处于活泼状态，如果和大气马上接触会发生氧化，所以在镀膜过程结束后关闭氮气，通入惰性气体氩气，进行3分钟的钝化处理。

2.6冷却取样。待炉内温度降低到70℃以下时，通入空气气，打开炉盖，小心取出试样。

3）透明陶瓷旋转涂胶

试验使用的甩胶设备是自动匀胶机，使用的记录介质是正性光刻胶（RZJ-304型）。涂胶时，将镀铬膜的透明陶瓷放置在匀胶机的真空吸附托盘上，先设在“1000转/min”低速旋转10秒钟，让光刻胶扩散开来，然后高速旋转20秒钟，使得光刻胶均匀地粘附在基片表面。基片表面光刻胶的厚度主要与光刻胶的粘稠度和涂胶时的转速来决定：在匀胶机3900转/min的情况下，涂覆在透明陶瓷铬膜上的光刻胶的厚度控制在约为1.0μm。

4）前烘

将涂好胶的镀铬透明陶瓷放到烘箱里面，将烘箱温度调至90～100℃，烘3～5分钟。以使光刻胶膜充分干燥，令其稀释剂充分蒸发，以增加光刻胶的粘附性和耐磨性，从而增加曝光时的光吸收并提高光刻胶的抗腐蚀能力。

5）曝光

包括对准和曝光。对准是使掩模板上的图形和匀胶后的透明陶瓷金属膜紧密贴合。实验使用的光源是高压汞灯紫外光源，曝光的方式接触式（或接近式）曝光。将透明陶瓷带有光刻胶的一面与掩模板两者紧密叠在一起，曝光时间为15-25秒。

6）后烘

曝光后，需要对已曝光的透明陶瓷进行烘烤，即曝光后烘(100～110℃,2～3分钟)，后烘的目的主要是降低曝光时产生的驻波效应。驻波是由于曝光时入射波和透明陶瓷上反射波产生了干涉引起的。而由于烘烤时高温导致感光剂在光刻胶中扩散，从而使得曝光区与非曝光区的边界变得比较均匀。

7）显影

将曝光后烘冷却后的透明陶瓷取出来，在钠黄光（单色光）的环境下进行显影。试验中使用的是正性光刻胶，通过显影后，曝光的部分由于吸收了光，光刻胶变成可溶性的而被溶解掉。所以曝光部分的光刻胶被去掉，而未曝光的部分被留下。显影时间选择要合适，显影时间过长会造成光刻胶的过度溶解，从而导致一些图形的不完整甚至改变图形原来的形状，达不到缩微的目的。相反，如果显影不足又会导致本该有图案的部分还有胶剩余，这样会使刻蚀的时候缺失部分图案。所以要掌握好显影时间和显影温度在显影环节中至关重要。试验中使用的显影液是浓度为3.5‰的NaOH溶液，显影液温度的最佳范围是20±1℃。显影时间为30～50秒，最后用温度接近但不超过30℃温水定影即可。

8）坚膜

就是将显影后的透明陶瓷进行烘干处理。透明陶瓷在显影后，必须再经过一次烘干处理，以加强显影后胶膜与陶瓷表面铬膜之间的附着力，从而使得光刻胶能够在腐蚀的时候真正起到保护所生成图形的作用。坚膜的温度和时间的选择也要合适。本实验采用的是将透明陶瓷放在110℃的烘干器中烘2分钟。

9）刻蚀

目的是将光刻胶上的图像最终转移到透明陶瓷上的铬金属膜层中。实验中刻蚀采用的是湿法刻蚀。将200g硝酸铈铵、浓度为98%的醋酸35ml和去离子水1000ml混合配成的溶液进行化学刻蚀，刻蚀温度为20±1℃，刻蚀时间为50～70秒，注意控制好每次的刻蚀温度和刻蚀时间。

10）去胶

刻蚀以后，接下来进行去胶。试验使用的是溶剂去胶的方法。在室温的条件下，将刻蚀后的铬版放在NaOH溶液中浸泡1分钟以内即可去除透明陶瓷表面的光刻胶。其中去胶液是浓度为5%的NaOH 溶液。最终得到带有二元光栅结构的透明陶瓷。图形结构长久保留在透明陶瓷的抗氧化金属膜上，既可作为透射元件，又可作为反射元件。

Claims (3)

1.一种以透明陶瓷为基底材料制作二元光学元件的方法，其特征在于：采用未掺杂的钇铝石榴石透明陶瓷用作二元光学元件的基底材料，工艺流程：包括透明陶瓷表面处理、磁控溅射镀膜、旋转涂胶、前烘、曝光、后烘、显影、坚膜、刻蚀和去胶工序；

（1）透明陶瓷表面处理

抛光后的透明陶瓷表面分别用酒精檫拭、超声波清洗5分钟，水洗后再进行干燥处理；

（2）磁控溅射镀膜

经表面处理的透明陶瓷置于磁控溅射炉中镀金属铬膜，真空度控制在10^-4Pa后，通入氩气，调节电流为0.4A，溅射电压为0.38KV，透明陶瓷预溅射2～5分钟移开挡板后，溅射60～120秒，再经氩气钝化处理3分钟后冷却至70℃以下，得到与透明陶瓷紧密结合的致密金属铬薄膜；

（3） 旋转涂胶

镀铬膜的透明陶瓷先在1000转/min条件下旋转10秒，然后在3900转/min的条件下旋转20秒，使光刻胶均匀粘附在透明陶瓷铬膜表面，光刻胶的厚度控制在1.0μm；

（4） 前烘

将涂胶的镀铬透明陶瓷在90～100℃，烘3～5分钟；

（5）曝光

将透明陶瓷带有光刻胶的一面与掩模板两者紧密叠在一起，通过接触式光刻装置，曝光15～25秒；

（6）后烘

将已曝光的透明陶瓷在100～110℃，烘烤2～3分钟；

（7）显影

后烘处理的透明陶瓷在钠黄光的环境下显影，显影液为质量浓度3.5‰的NaOH溶液，显影温度20±1℃，显影30～50秒，并用温度接近但不超过30℃的温水定影，将掩模板中的二元光学元件微结构以光刻方式转移到透明陶瓷上的光刻胶中；

（8）坚膜

将显影后的透明陶瓷在100～110℃烘干处理2分钟；

（9）刻蚀

采用湿法刻蚀，采用200g硝酸铈铵、质量浓度为98%的醋酸35ml和去离子水1000ml混合配成的溶液对坚膜处理的透明陶瓷进行化学刻蚀，刻蚀温度20±1℃，刻蚀时间50～70秒，将光刻胶上的图像转移到透明陶瓷上的致密的铬金属膜层中；

（10）去胶

采用溶剂去胶，在室温的条件下，将刻蚀后的铬版放在质量浓度为5%的NaOH溶液中浸泡1分钟以内，去除透明陶瓷表面的光刻胶，得到带有二元光栅结构的透明陶瓷。

2.根据权利要求1所述的一种以透明陶瓷为基底材料制作二元光学元件的方法，其特征在于：所述的金属铬膜中铬的纯度99.99%，与透明陶瓷表面紧密结合的均匀致密的金属铬膜厚度为150～300nm。

3.根据权利要求1所述的一种以透明陶瓷为基底材料制作二元光学元件的方法，其特征在于：所述的接触式光刻装置包括高压汞灯紫外光源，扩束准直透镜组、掩模板、三维微位移调整平台，以及涂敷光刻胶的透明陶瓷材料。