CN105403941B - 一种变间距光栅的近场全息‑离子束刻蚀制备方法 - Google Patents
一种变间距光栅的近场全息‑离子束刻蚀制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种变间距光栅的近场全息‑离子束刻蚀制备方法，该方法利用近场全息‑离子束刻蚀技术制备高线密度变间距光栅。本发明提供的变间距光栅制备方法，与一般的全息‑离子束刻蚀光栅相比，可以简化变间距光栅的全息制作光路、降低对全息系统稳定性的要求、提高线密度重复性精度；与机械刻划方法相比，易于产生高线密度、刻面光滑的矩形槽形轮廓的变间距光栅；与常规纳米压印技术相比，本发明提供的变间距光栅，可以通过优化近场全息的曝光‑显影条件在一定范围内对所获得的其光刻胶光栅掩模的占宽比进行调控。因此，本发明对发展激光等离子体诊断、同步辐射等领域所需变间距光栅的制备技术十分重要。
Description
技术领域
本发明属于一种衍射光学元件的微纳加工技术领域，具体涉及一种变间距(变线距)光栅的近场全息-离子束刻蚀制备方法。
背景技术
变间距光栅因其兼具高分辨率、消像差、扫描机构简单等优点，广泛用于同步辐射和等离子体诊断等领域。
目前变间距光栅通常采用机械刻划、全息-离子束刻蚀的方法制备。机械刻划法制备的变间距光栅，线密度分布可以灵活控制。机械刻划光栅通常为三角槽形轮廓，仅在闪耀波长附近具有较高的衍射效率，偏离闪耀波长，机械刻划变间距光栅的衍射效率会明显降低。并且这种三角槽形的光栅结构不利于抑制变间距光栅光谱仪的高次谐波。此外，一般使用的“机械刻划变间距光栅”实质是利用机械刻划原刻光栅(也称母光栅)得到的复制光栅。这种复制光栅材料抗辐射损伤的特性较差，其使用寿命远远低于全息-离子束刻蚀的变间距光栅。与机械刻划光栅相比，全息-离子束刻蚀的变间距光栅的光栅刻面光滑、杂散光水平低，更适合于在波长更短的光谱范围内使用。
虽然全息-离子束刻蚀光栅比机械刻划光栅具有明显的优势，但是利用全息法为产生变间距光栅图形，需要复杂的全息光路，且对全息系统的稳定性要求很高。在产生变间距光栅图形的灵活性方面要明显弱于机械刻划光栅，限制了光谱仪器的设计自由度。
对目前的微纳制作技术而言，发展高精度、快速的大尺寸高线密度变间距光栅的制作方法仍然十分迫切。
发明内容
本发明的目的在于：为克服现有技术存在的问题，本发明提出一种高线密度变间距光栅的微纳制作方法，即利用近场全息-离子束刻蚀技术制备高线密度变间距光栅的方法。本发明提供一种变间距光栅的近场全息制备方法，以克服目前全息技术制备变间距光栅光路复杂、光栅线密度重复性较差；机械刻划法难于制备高线密度变间距光栅、槽形轮廓单一；以及复制光栅抗辐射损伤能力差等问题。
本发明提供的技术方案是：一种变间距光栅的近场全息-离子束刻蚀制备方法，该方法包括如下步骤：
步骤一、根据拟制作变间距光栅的中心周期p0，确定近场全息曝光的激光波长λ及入射角度i0，三者之间满足：
利用近场全息可制作变间距光栅的周期period与曝光的激光波长λ和入射角i0之间应满足下面的关系：
其目的是入射激光经过熔石英变间距光栅掩模后仅有零级和负一级衍射，没有其它的衍射级次干扰近场全息干涉条纹的产生；
步骤二、熔石英变间距光栅掩模的设计和制作，对于某一周期为p的熔石英光栅掩模槽形结构的设计方法如下：
在近场全息曝光的激光波长为λ、入射角为i0、且光栅周期为p的条件下，相应负一级衍射角i-1满足方程(3)所示的关系：
sini-1＝sini0-λ/p (3)
设定模拟熔石英光栅掩模衍射效率的初始条件为：入射光波长为近场全息曝光的激光波长λ、入射角为i0、光栅周期为p，在此条件下利用严格耦合波方法计算得出周期为p的熔石英光栅掩模零级和负一级衍射效率(η0和η-1)随槽深和占宽比的演化轮廓图；
定义熔石英光栅掩模的效率对比度Cont为：
根据公式(4)计算熔石英光栅掩模的效率对比度Cont随熔石英光栅槽深和占宽比的演化轮廓曲线，将Cont设定在0.80-1.00之间，确定周期p对应可接受的熔石英光栅掩模槽形参数范围；
设变间距光栅的中心周期、最大和最小周期分别为p0、pmax和pmin，在相同的入射条件下，即入射光波长为近场全息的激光波长λ、入射角为i0，分别计算典型变间距光栅周期pmax、p0、和pmin所对应的熔石英光栅掩模的效率对比度Cont随光栅槽深和占宽比的演化轮廓曲线，然后将熔石英光栅掩模的效率对比度Cont设定在0.80-1.00之间，分别确定典型周期对应的各自熔石英光栅掩模槽形参数范围；
根据确定的熔石英变间距光栅掩模的槽形参数，可采用全息-离子束刻蚀或电子束光刻-离子束刻蚀获得熔石英变间距光栅掩模；
步骤三、构建近场全息制作变间距光栅的装置，该装置包括激光光源、显微物镜-针孔、准直透镜、反射镜、熔石英变间距光栅掩模和涂布了光刻胶层的变间距光栅基底；激光光源发出的激光束经过显微物镜-针孔和准直透镜后，被扩束成口径约为100mm的平行光后，照射到反射镜上，然后经过反射镜依次反射到熔石英变间距光栅掩模和涂布了光刻胶层的变间距光栅基底上；
步骤四、采用近场全息制作变间距光栅的装置，利用熔石英变间距光栅掩模对涂布了光刻胶层的变间距光栅基底进行近场全息曝光-显影，获得变间距光栅的光刻胶掩模；
步骤五、采用离子束刻蚀方法将变间距光栅的光刻胶掩模图形转移到变间距光栅基底之上；
步骤六、对近场全息-离子束刻蚀后的变间距光栅进行清洗，以去除离子束刻蚀后的残余光刻胶；根据变间距光栅的工作波段，对变间距光栅蒸镀反射膜。
本发明的原理在于：
利用近场全息制作变间距光栅的基本原理是：如图2所示，当经过扩束的激光以一定的入射角照射到具有变间距光栅结构的熔石英变间距光栅掩模8后，其零级和负一级衍射光之间干涉会在其后表面附近产生与其周期空间分布相同的变间距光栅图形。熔石英变间距光栅掩模8的图形可以记录到变间距光栅基底10的光刻胶层9上。
本发明的优点和积极效果为：
(1)、本发明提供的变间距光栅制备方法，与一般的全息-离子束刻蚀光栅相比，可以简化变间距光栅的全息制作光路、降低对全息系统稳定性的要求、提高线密度重复性精度；
(2)、本发明与机械刻划方法相比，易于产生高线密度、刻面光滑的矩形槽形轮廓的变间距光栅；
(3)、本发明与常规纳米压印技术相比，本发明提供的变间距光栅图形，可以通过优化近场全息的曝光-显影条件在一定范围内对获得光刻胶光栅的占宽比进行调控。
因此，本发明对发展激光等离子体诊断、同步辐射等领域所需变间距光栅的制备技术十分重要。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图，其中，1为激光光源，2为显微物镜-针孔，3为准直透镜，4为反射镜，5为熔石英变间距光栅掩模，6为光刻胶层，7为变间距光栅基底；
图2是近场全息制作变间距光栅的基本原理图，其中，8为熔石英变间距光栅掩模，9为光刻胶层，10为变间距光栅基底；
图3是周期为416.6nm(线密度为2400线/mm)的熔石英光栅掩模效率对比度Cont随槽深和占宽比的变化轮廓图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
本发明一种变间距光栅的近场全息-离子束刻蚀制备方法，该方法包括如下步骤：
步骤一、根据拟制作变间距光栅的中心周期p0，确定近场全息曝光的激光波长λ及入射角度i0，三者之间满足：
利用近场全息可制作变间距光栅的周期period与曝光的激光波长λ和入射角i0之间应满足下面的关系：
其目的是入射激光经过熔石英变间距光栅掩模后仅有零级和负一级衍射，没有其它的衍射级次干扰近场全息干涉条纹的产生；
步骤二、熔石英变间距光栅掩模的设计和制作，对于某一光栅周期为p的熔石英光栅掩模槽形结构的设计方法如下：
在近场全息曝光的激光波长为λ、入射角为i0、且光栅周期为p的条件下，相应负一级衍射角i-1满足方程(3)所示的关系：
sini-1＝sini0-λ/p (3)
设定模拟熔石英光栅掩模衍射效率的初始条件为：入射光波长为近场全息曝光的激光波长λ、入射角为i0、光栅周期为p，在此条件下利用严格耦合波方法[例如M.G.Moharamet al.J.Opt.Soc.Am.A.12,1068(1995),M.G.Moharam et al.J.Opt.Soc.Am.A.12,1077(1995)]计算得出周期为p的熔石英光栅掩模零级和负一级衍射效率(η0和η-1)随槽深和占宽比的演化轮廓图；
定义熔石英光栅掩模的效率对比度Cont为：
根据公式(4)计算熔石英光栅掩模的效率对比度Cont随熔石英光栅槽深和占宽比的演化轮廓曲线，将Cont设定在0.80-1.00之间，确定周期p对应可接受的熔石英光栅掩模槽形参数范围；
设变间距光栅的中心周期、最大和最小周期分别为p0、pmax和pmin。在相同的入射条件下，即入射光波长为近场全息曝光的激光波长λ、入射角为i0，分别计算典型变间距光栅周期pmax、p0、和pmin所对应的熔石英光栅掩模的效率对比度Cont随光栅槽深和占宽比的演化轮廓曲线，然后将熔石英光栅掩模的效率对比度Cont设定在0.80-1.00之间，分别确定典型周期对应的各自熔石英光栅掩模槽形参数范围；
根据确定的熔石英变间距光栅掩模的槽形参数，可采用全息-离子束刻蚀或电子束光刻-离子束刻蚀获得熔石英变间距光栅掩模；
步骤三、构建近场全息制作变间距光栅的装置，该装置包括激光光源1、显微物镜-针孔2、准直透镜3、反射镜4、熔石英变间距光栅掩模5和涂布了光刻胶层6的变间距光栅基底7。激光光源1发出的激光束经过显微物镜-针孔2和准直透镜3后，被扩束成口径约为100mm的平行光后，照射到反射镜4上，然后经过反射镜4依次反射到熔石英变间距光栅掩模5和涂布了光刻胶层6的变间距光栅基底7上；
步骤四、采用近场全息制作变间距光栅的装置，利用熔石英变间距光栅掩模5对涂布了光刻胶层6的变间距光栅基底7进行近场全息曝光-显影，获得变间距光栅的光刻胶掩模；
步骤五、采用离子束刻蚀方法将变间距光栅的光刻胶掩模图形转移到变间距光栅基底之上；
步骤六、对近场全息-离子束刻蚀后的变间距光栅进行清洗，以去除离子束刻蚀后的残余光刻胶；根据变间距光栅的工作波段，对变间距光栅蒸镀反射膜。
下面介绍本发明的具体实施例。
实施例1：中心周期p0为416.6nm(中心线密度为2400线/mm)的变间距光栅的近场全息制备方法。
步骤1：采用波长为441.6nm的激光器作为近场全息的曝光光源。中心周期p0为416.6nm(相应中心线密度为2400线/mm)。根据公式(1)计算近场全息曝光的入射角度i0为32°。根据公式(2)计算可以复制的变间距光栅的周期变化范围为在288nm-577nm之间。拟设计熔石英变间距光栅掩模的周期在333.2nm-500nm之间。
步骤2：熔石英变间距光栅掩模的设计和制作
设计：中心周期为416.6nm的熔石英光栅掩模的槽形轮廓(占宽比与槽深)范围；
根据公式(1)式选定入射角i0为32°，使用基于严格耦合波算法的Gsolver软件，改变光栅的占宽比和槽深，计算出零级和负一级衍射效率，并通过公式(4)计算出熔石英光栅掩模的效率对比度。如图3所示，给出了周期为416.6nm的熔石英光栅掩模的效率对比度Cont随占宽比和槽深的变化。得出周期为416.6nm熔石英光栅掩模对应的占宽比变化范围：0.37±0.10、槽深变化范围：(335±15)nm。在此光栅槽形参数范围内占宽比和槽深的任一组合，均可保证周期为416.6nm的熔石英光栅掩模效率对比度Cont在0.80-1.00的范围内。
类似地，使用上述方法，分别模拟周期为500nm、458.3nm、374.9nm和333.2nm的熔石英光栅衍射效率η0和η-1，入射角仍为中心周期416.6nm的入射角32°，根据公式(3)，各周期对应的负一级衍射角i-1分别为–20°、–26°、–40°和–49°。周期为500nm熔石英光栅掩模的占宽比变化范围：0.33±0.07、槽深变化范围：(335±15)nm。周期为458.3nm熔石英光栅掩模的占宽比变化范围：0.34±0.07、槽深变化范围：(335±15)nm。周期为374.9nm熔石英光栅掩模的占宽比变化范围：0.38±0.07、槽深变化范围：(335±15)nm。周期为333.2nm熔石英光栅掩模的占宽比变化范围：0.38±0.08、槽深变化范围：(340±10)nm。综合不同周期的熔石英光栅掩模的效率对比度Cont随槽深和占宽比的变化，选取熔石英光栅掩模的占宽比变化范围：0.35±0.05、槽深(340±10)nm。在此光栅槽形参数范围内占宽比和槽深的任一组合，均可保证周期在500nm至333.2nm之间的熔石英光栅掩模效率对比度Cont在0.80-1.00的范围内。
制作：根据设计的熔石英变间距光栅掩模槽形结构参数，利用电子束光刻-离子束刻蚀技术制备熔石英变间距光栅掩模。
步骤3：构建近场全息制作变间距光栅的装置
该装置包括激光光源1、显微物镜-针孔2、准直透镜3、反射镜4、熔石英变间距光栅掩模5和涂布了光刻胶层6的光栅基底7。激光光源1发出的激光束经过显微物镜-针孔2和准直透镜3后，将入射激光扩束成口径约为100mm的平行光后，照射到反射镜4上，然后经过反射镜4依次反射到熔石英变间距光栅掩模5和基底7上；入射激光束经熔石英变间距光栅掩模5的零级和负一级衍射光之间干涉，在熔石英变间距光栅掩模5的后表面附近产生与其周期空间分布相同的干涉图形。
步骤4：近场全息
曝光：采用图1所示近场全息曝光实验装置，调整反射镜4，使入射平行光与熔石英变间距光栅掩模5的法线夹角为32°，对熔石英变间距光栅掩模5和涂布了光刻胶层6的变间距光栅基底7进行曝光，记录干涉图形。
曝光后，取下熔石英变间距光栅掩模5与涂布了光刻胶层6的变间距光栅基底7，将曝光了的含有光刻胶层6的变间距光栅基底7放在110℃热台上后烘4分30秒。
显影：将后烘过且冷却至常温的变间距光栅基底7放入显影液中显影，获得变间距光栅的光刻胶掩模。
至此，完成近场全息变间距光刻胶掩模的制作。
步骤5：离子束刻蚀
将变间距光栅的光刻胶光栅掩模放入100℃的烘箱中保持1小时，利用三氟甲烷气体离子束刻蚀变间距光栅的光刻胶掩模，将光刻胶光栅的图形转移至变间距光栅基底材料中。实验中使用KZ400型离子源扫描离子束刻蚀。
步骤6：镀膜
对近场全息-离子束刻蚀后的变间距光栅进行清洗，以去除离子束刻蚀后的残余光刻胶；将去胶后的光栅镀金膜，实验中采用LDJ-2A-F150型双离子束溅射镀膜机为光栅基底镀膜。
Claims (1)
1.一种变间距光栅的近场全息-离子束刻蚀制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
步骤一、根据拟制作变间距光栅的中心周期p0，确定近场全息曝光的激光波长λ及入射角度i0，三者之间满足：
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利用近场全息可制作变间距光栅的周期period与曝光的激光波长λ和入射角i0之间应满足下面的关系：
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其目的是入射激光经过熔石英变间距光栅掩模后仅有零级和负一级衍射，没有其它的衍射级次干扰近场全息干涉条纹的产生；
步骤二、熔石英变间距光栅掩模的设计和制作，对于某一周期为p的熔石英光栅掩模槽形结构的设计方法如下：
在近场全息曝光的激光波长为λ、入射角为i0、且光栅周期为p的条件下，相应负一级衍射角i-1满足方程(3)所示的关系：
sin i-1＝sin i0-λ/p (3)
设定模拟熔石英光栅掩模衍射效率的初始条件为：入射光波长为近场全息曝光的激光波长λ、入射角为i0、光栅周期为p，在此条件下利用严格耦合波方法计算得出周期为p的熔石英光栅掩模零级和负一级衍射效率(η0和η-1)随槽深和占宽比的演化轮廓图；
定义熔石英光栅掩模的效率对比度Cont为：
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根据公式(4)计算熔石英光栅掩模的效率对比度Cont随熔石英光栅槽深和占宽比的演化轮廓曲线，将效率对比度Cont设定在0.80-1.00之间，确定周期p对应可接受的熔石英光栅掩模槽形参数范围；
设变间距光栅的中心周期、最大和最小周期分别为p0、pmax和pmin，在相同的入射条件下，即入射光波长为近场全息的激光波长λ、入射角为i0，分别计算典型变间距光栅周期pmax、p0、和pmin所对应的熔石英光栅掩模的效率对比度Cont随光栅槽深和占宽比的演化轮廓曲线，然后将熔石英光栅掩模的效率对比度Cont设定在0.80-1.00之间，分别确定典型周期对应的各自熔石英光栅掩模槽形参数范围；
根据确定的熔石英变间距光栅掩模的槽形参数，可采用全息-离子束刻蚀或电子束光刻-离子束刻蚀获得熔石英变间距光栅掩模；
步骤三、构建近场全息制作变间距光栅的装置，该装置包括激光光源(1)、显微物镜-针孔(2)、准直透镜(3)、反射镜(4)、熔石英变间距光栅掩模(5)和涂布了光刻胶层(6)的变间距光栅基底(7)；激光光源(1)发出的激光束经过显微物镜-针孔(2)和准直透镜(3)后，被扩束成口径约为100mm的平行光后，照射到反射镜(4)上，然后经过反射镜(4)依次反射到熔石英变间距光栅掩模(5)和涂布了光刻胶层(6)的变间距光栅基底(7)上；
步骤四、采用近场全息制作变间距光栅的装置，利用熔石英变间距光栅掩模(5)对涂布了光刻胶层(6)的变间距光栅基底(7)进行近场全息曝光-显影，获得变间距光栅的光刻胶掩模；
步骤五、采用离子束刻蚀方法将变间距光栅的光刻胶掩模图形转移到变间距光栅基底之上；
步骤六、对近场全息-离子束刻蚀后的变间距光栅进行清洗，以去除离子束刻蚀后的残余光刻胶；根据变间距光栅的工作波段，对变间距光栅蒸镀反射膜。
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