CN110244395A - 一种平面双角闪耀光栅的制作方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种平面双角闪耀光栅的制作方法，该平面双角闪耀光栅的制作方法，采用全息离子束刻蚀技术，其方法相比较电子束刻蚀技术而言，降低了工艺成本，且制作周期短、重复性好以及可控性高；并且，采用倾斜刻蚀的方式对梯形同质掩模结构进行刻蚀，其槽形更容易控制，其轮廓可看成由简单的线条构成，因此，在刻蚀过程中槽形的演化更加简洁。以及，通过调节梯形同质掩模结构的高宽比来改变两个闪耀面的长度，其方式简单有效。

Description

一种平面双角闪耀光栅的制作方法

技术领域

本发明涉及衍射光学元件制备技术领域，更具体地说，涉及一种平面双角闪耀光栅的制作方法。

背景技术

衍射光栅由于在其内部或表面上存在周期排列的槽、线、缝或点阵结构，可以对入射光产生衍射，是一种重要的衍射光学元件。

不同方向的入射光产生衍射的方向不同，该特性使得衍射光栅可以从多色光或白光中分离出单色光，从而取代了棱镜，成为光谱仪器中最核心的元件。

一般的衍射光栅由于单元衍射因子与单元间干涉因子主极大重叠，造成衍射图样中无色散的零级主极大占有总光能的很大一部分，其余的光能分散在各级光谱中，以使每级光谱的强度都比较小。因此，在实际应用中，常根据所需要的衍射级次来设计光栅的槽型和衍射角度等参数，将衍射光能量集中在预定的衍射级次上，达到高衍射效率的目的，具备该功能的光栅称之为闪耀光栅。

闪耀光栅根据其槽形的不同，又可以分为单闪耀光栅和双闪耀光栅。单闪耀光栅表征只有一个固定的闪耀角度，其衍射效率最大值仅出现在闪耀波长附件，在其它衍射波段内，衍射效率分布极其不均匀。因此，为了解决该问题，Pantazis Mouroulis等人在1998年提出了双闪耀光栅的概念，以此来实现均匀的且较高的衍射效率，根据闪耀槽形的结构，又可以进一步将其细分为双面闪耀光栅(Dual-Blaze Grating)和双角闪耀光栅(Dual-Angle Blazed Grating)。

其中，双面闪耀光栅将基底划分成两组区域，分别对应不同角度的单闪耀光栅，其总的衍射效率可根据理论方程对两组闪耀光栅的衍射效率进行拟合，得到均匀且较高的、适用于宽波段的衍射光栅。但是，目前双面闪耀光栅存在衍射相位差的问题，并且制作过程耗时太长，且制作成本较高。

双角闪耀光栅将原本单闪耀光栅的闪耀面制作成两段不同闪耀角的闪耀面，避免了双面闪耀光栅中不同区域衍射相位差的问题，目前的制作方法主要是电子束光刻技术，同样存在费时和成本高的问题，不利于双闪耀光栅的大面积推广。

发明内容

有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种平面双角闪耀光栅的制作方法，技术方案如下：

一种平面双角闪耀光栅的制作方法，所述制作方法包括：

提供一石英基底；

在所述石英基底的表面涂覆光刻胶；

对所述光刻胶进行全息曝光和显影，形成预设线密度的光刻胶光栅掩模；

获取预设占宽比参数；

依据所述占宽比参数，对所述光刻胶光栅掩模进行灰化处理，以调节所述光刻胶光栅掩模的占宽比；

获取垂直刻蚀深度参数；

依据所述垂直刻蚀深度参数，对所述光刻胶光栅掩模进行反应离子束垂直刻蚀，经过去胶处理后形成预设高宽比的梯形同质掩模结构；

获取第一离子束入射角参数以及第一刻蚀深度参数；

依据所述第一离子束入射角参数和所述第一刻蚀深度参数，对所述梯形同质掩模结构进行倾斜刻蚀，形成第一闪耀角的第一闪耀面；

获取第二离子束入射角参数以及第二刻蚀深度参数；

依据所述第二离子束入射角参数和所述第二刻蚀深度参数，对所述梯形同质掩模结构继续进行倾斜刻蚀，形成第二闪耀角的第二闪耀面；

其中，所述第一闪耀角大于所述第二闪耀角。

优选的，在上述制作方法中，所述获取预设占宽比参数和所述获取垂直刻蚀深度参数，包括：

当所述梯形同质掩模结构的顶边和侧壁在倾斜刻蚀状态下同时收缩聚焦成一点时，即形成唯一固定闪耀角的闪耀光栅时，可得：

其中，高宽比比值为：

其中，为所述第一离子束入射角参数；α为该状态下所述梯形同质掩模结构的侧壁倾斜角度；h₁为该状态下所述梯形同质掩模结构的高度；w₁为该状态下所述梯形同质掩模结构的半高宽；为所述梯形同质掩模结构的顶边刻蚀速率；为所述梯形同质掩模结构的侧壁刻蚀速率；x为单位时间内顶边的右端点刻蚀时左移的距离；y为侧壁移动过程中所构成三角形的直角边长度；

在刻蚀初始时，所述反应离子束的投影截止点位于所述梯形同质掩模结构的侧壁和底边的拐角处，由此可得：

其中，d为所述光刻胶光栅掩模的周期；

为了形成所述平面双角闪耀光栅，在保证所述梯形同质掩模结构的刻蚀深度不变的情况下，根据所述第一闪耀面的长度和所述第二闪耀面的长度的比例改变半高宽的大小，以使所述梯形同质掩模结构在倾斜刻蚀过程中，由梯形同质掩模结构变为三角形同质掩模结构，可得：

其中，w₂为形成所述平面双角闪耀光栅所需的同质掩模结构的半高宽；l₁为所述第一闪耀面在水平方向上的投影长度；l₂为所述第二闪耀面在水平方向上的投影长度；

根据公式(1)、公式(2)、公式(3)和公式(4)可得，所述预设占宽比参数和所述垂直刻蚀深度参数h₁。

优选的，在上述制作方法中，所述获取第一离子束入射角参数，包括：

依据公式获得所述第一离子束入射角参数；

其中，θ_s1为所述第一闪耀角；为形成所述第一闪耀面的刻蚀速率。

优选的，在上述制作方法中，所述获取第二离子束入射角参数，包括：

依据公式获取所述第二离子束入射角参数；

其中，θ_s2为所述第二闪耀角；为所述第二离子束入射角；为所述梯形同质掩模结构变为三角形同质掩模结构之后其侧壁的刻蚀速率；为形成所述第二闪耀面的刻蚀速率。

优选的，在上述制作方法中，所述获取第一刻蚀深度参数和第二刻蚀深度参数，包括：

当以所述第一离子束入射角参数对所述梯形同质掩模结构进行倾斜刻蚀时，所述梯形同质掩模结构的半高宽收缩一个单位，高度收缩个单位；

设定所需半高宽为

则高度收缩为即所述第一刻蚀深度参数；

当所述第一闪耀面形成时，所述梯形同质掩模结构的宽度收缩完成，其还具有一定的高度，此时为所述三角形同质掩模结构，以所述第二离子束入射角参数对所述三角形同质掩模结构进行倾斜刻蚀；

刻蚀深度为即所述第二刻蚀深度参数；

其中，l₁为所述第一闪耀面在水平方向上的投影长度；l₂为所述第二闪耀面在水平方向上的投影长度。

相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：

该平面双角闪耀光栅的制作方法，采用全息离子束刻蚀技术相比较电子束刻蚀技术而言，降低了工艺成本，且制作周期短、重复性好以及可控性高；

并且，采用倾斜刻蚀的方式对梯形同质掩模结构进行刻蚀，其槽形更容易控制，其轮廓可看成由简单的线条构成，因此，在刻蚀过程中槽形的演化更加简洁。

以及，通过调节梯形同质掩模结构的高宽比来改变两个闪耀面的长度，其方式简单有效。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种平面双角闪耀光栅的制作方法的流程示意图；

图2-图7为图1所示的制作方法相对应的结构示意图；

图8-图12为本发明实施例提供的平面双角闪耀光栅形成过程中的几何等效示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1，图1为本发明实施例提供的一种平面双角闪耀光栅的制作方法的流程示意图，所述制作方法包括：

S101：提供一石英基底；

S102：如图2所示，在所述石英基底11的表面涂覆光刻胶12；

S103：如图3所示，对所述光刻胶12进行全息曝光和显影，形成预设线密度的光刻胶光栅掩模13；

S104：获取预设占宽比参数；

S105：依据所述占宽比参数，对所述光刻胶光栅掩模13进行灰化处理，以调节所述光刻胶光栅掩模的占宽比；

S106：获取垂直刻蚀深度参数；

S107：如图4所示，依据所述垂直刻蚀深度参数，对所述光刻胶光栅掩模13进行反应离子束垂直刻蚀，经过去胶处理后形成预设高宽比的梯形同质掩模结构14；

S108：获取第一离子束入射角参数以及第一刻蚀深度参数；

S109：如图5所示，依据所述第一离子束入射角参数和所述第一刻蚀深度参数，对所述梯形同质掩模结构14进行倾斜刻蚀，形成第一闪耀角的第一闪耀面；

S110：获取第二离子束入射角参数以及第二刻蚀深度参数；

S111：如图6所示，依据所述第二离子束入射角参数和所述第二刻蚀深度参数，对所述梯形同质掩模结构14继续进行倾斜刻蚀，形成第二闪耀角的第二闪耀面；

其中，如图7所示，所述第一闪耀角大于所述第二闪耀角。

在该实施例中，该平面双角闪耀光栅的制作方法，采用全息离子束刻蚀技术相比较电子束刻蚀技术而言，降低了工艺成本，且制作周期短、重复性好以及可控性高。

该制作方法采用全息离子束刻蚀方法，既有全息法无鬼线和杂散光低的优点，又有刻划光栅高衍射效率的优点，并且适合制作高线密度的平面双角闪耀光栅。

并且，采用倾斜刻蚀的方式对梯形同质掩模结构进行刻蚀，其槽形更容易控制，其轮廓可看成由简单的线条构成，因此，在刻蚀过程中槽形的演化更加简洁。

以及，通过调节梯形同质掩模结构的高宽比来改变两个闪耀面的长度，其方式简单有效。

参考图8-图12，图8-图12为本发明实施例提供的平面双角闪耀光栅形成过程中的几何等效示意图。

进一步的，基于本发明上述实施例，所述获取预设占宽比参数和所述获取垂直刻蚀深度参数，包括：

当所述梯形同质掩模结构的顶边和侧壁在倾斜刻蚀状态下同时收缩聚焦成一点时，即形成唯一固定闪耀角的闪耀光栅时，可得：

其中，高宽比比值为：

其中，为所述第一离子束入射角参数；α为该状态下所述梯形同质掩模结构的侧壁倾斜角度；h₁为该状态下所述梯形同质掩模结构的高度；w₁为该状态下所述梯形同质掩模结构的半高宽；为所述梯形同质掩模结构的顶边刻蚀速率；为所述梯形同质掩模结构的侧壁刻蚀速率；x为单位时间内顶边的右端点刻蚀时左移的距离；y为侧壁移动过程中所构成三角形的直角边长度；

在刻蚀初始时，所述反应离子束的投影截止点位于所述梯形同质掩模结构的侧壁和底边的拐角处，由此可得：

其中，d为所述光刻胶光栅掩模的周期；

为了形成所述平面双角闪耀光栅，在保证所述梯形同质掩模结构的刻蚀深度不变的情况下，根据所述第一闪耀面的长度和所述第二闪耀面的长度的比例改变半高宽的大小，以使所述梯形同质掩模结构在倾斜刻蚀过程中，由梯形同质掩模结构变为三角形同质掩模结构，可得：

其中，w₂为形成所述平面双角闪耀光栅所需的同质掩模结构的半高宽；l₁为所述第一闪耀面在水平方向上的投影长度；l₂为所述第二闪耀面在水平方向上的投影长度；

根据公式(1)、公式(2)、公式(3)和公式(4)可得，所述预设占宽比参数和所述垂直刻蚀深度参数h₁。

需要说明的是，y为侧壁移动过程中所构成三角形的直角边长度，其为辅助线，并无实际物理意义。

进一步的，基于本发明上述实施例，所述获取第一离子束入射角参数，包括：

依据公式获得所述第一离子束入射角参数；

其中，θ_s1为所述第一闪耀角；为形成所述第一闪耀面的刻蚀速率。

在该实施例中，利用梯形同质掩模结构对离子束的遮挡作用，致使石英基底的不同位置先后被刻蚀，以形成第一闪耀面。

进一步的，基于本发明上述实施例，所述获取第二离子束入射角参数，包括：

依据公式获取所述第二离子束入射角参数；

其中，θ_s2为所述第二闪耀角；为所述第二离子束入射角；为所述梯形同质掩模结构变为三角形同质掩模结构之后其侧壁的刻蚀速率；为形成所述第二闪耀面的刻蚀速率。

在该实施例中，在形成第一闪耀面的过程中，半高宽收缩完成，高度收缩还未结束，此时梯形同质掩模结构变为三角形同质掩模结构，根据几何关系可得第二离子束入射角和约束的第二闪耀角的关系，进而获取所述第二离子束入射角参数。

进一步的，基于本发明上述实施例，所述获取第一刻蚀深度参数和第二刻蚀深度参数，包括：

当以所述第一离子束入射角参数对所述梯形同质掩模结构进行倾斜刻蚀时，所述梯形同质掩模结构的半高宽收缩一个单位，高度收缩个单位；

设定所需半高宽为

则高度收缩为即所述第一刻蚀深度参数；

当所述第一闪耀面形成时，所述梯形同质掩模结构的宽度收缩完成，其还具有一定的高度，此时为所述三角形同质掩模结构，以所述第二离子束入射角参数对所述三角形同质掩模结构进行倾斜刻蚀；

刻蚀深度为即所述第二刻蚀深度参数；

其中，l₁为所述第一闪耀面在水平方向上的投影长度；l₂为所述第二闪耀面在水平方向上的投影长度。

需要说明的是，所述梯形同质掩模结构的半高宽w₁收缩和高度h₁收缩，二者成线性关系。

以上对本发明所提供的一种平面双角闪耀光栅的制作方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种平面双角闪耀光栅的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：

提供一石英基底；

在所述石英基底的表面涂覆光刻胶；

对所述光刻胶进行全息曝光和显影，形成预设线密度的光刻胶光栅掩模；

获取预设占宽比参数；

依据所述占宽比参数，对所述光刻胶光栅掩模进行灰化处理，以调节所述光刻胶光栅掩模的占宽比；

获取垂直刻蚀深度参数；

依据所述垂直刻蚀深度参数，对所述光刻胶光栅掩模进行反应离子束垂直刻蚀，经过去胶处理后形成预设高宽比的梯形同质掩模结构；

获取第一离子束入射角参数以及第一刻蚀深度参数；

依据所述第一离子束入射角参数和所述第一刻蚀深度参数，对所述梯形同质掩模结构进行倾斜刻蚀，形成第一闪耀角的第一闪耀面；

获取第二离子束入射角参数以及第二刻蚀深度参数；

依据所述第二离子束入射角参数和所述第二刻蚀深度参数，对所述梯形同质掩模结构继续进行倾斜刻蚀，形成第二闪耀角的第二闪耀面；

其中，所述第一闪耀角大于所述第二闪耀角。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述获取预设占宽比参数和所述获取垂直刻蚀深度参数，包括：

当所述梯形同质掩模结构的顶边和侧壁在倾斜刻蚀状态下同时收缩聚焦成一点时，即形成唯一固定闪耀角的闪耀光栅时，可得：

其中，高宽比比值为：

其中，为所述第一离子束入射角参数；α为该状态下所述梯形同质掩模结构的侧壁倾斜角度；h₁为该状态下所述梯形同质掩模结构的高度；w₁为该状态下所述梯形同质掩模结构的半高宽；为所述梯形同质掩模结构的顶边刻蚀速率；为所述梯形同质掩模结构的侧壁刻蚀速率；x为单位时间内顶边的右端点刻蚀时左移的距离；y为侧壁移动过程中所构成三角形的直角边长度；

在刻蚀初始时，所述反应离子束的投影截止点位于所述梯形同质掩模结构的侧壁和底边的拐角处，由此可得：

其中，d为所述光刻胶光栅掩模的周期；

为了形成所述平面双角闪耀光栅，在保证所述梯形同质掩模结构的刻蚀深度不变的情况下，根据所述第一闪耀面的长度和所述第二闪耀面的长度的比例改变半高宽的大小，以使所述梯形同质掩模结构在倾斜刻蚀过程中，由梯形同质掩模结构变为三角形同质掩模结构，可得：

其中，w₂为形成所述平面双角闪耀光栅所需的同质掩模结构的半高宽；l₁为所述第一闪耀面在水平方向上的投影长度；l₂为所述第二闪耀面在水平方向上的投影长度；

根据公式(1)、公式(2)、公式(3)和公式(4)可得，所述预设占宽比参数和所述垂直刻蚀深度参数h₁。

3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述获取第一离子束入射角参数，包括：

依据公式获得所述第一离子束入射角参数；

其中，θ_s1为所述第一闪耀角；为形成所述第一闪耀面的刻蚀速率。

4.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述获取第二离子束入射角参数，包括：

依据公式获取所述第二离子束入射角参数；

其中，θ_s2为所述第二闪耀角；为所述第二离子束入射角；为所述梯形同质掩模结构变为三角形同质掩模结构之后其侧壁的刻蚀速率；为形成所述第二闪耀面的刻蚀速率。

5.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述获取第一刻蚀深度参数和第二刻蚀深度参数，包括：

当以所述第一离子束入射角参数对所述梯形同质掩模结构进行倾斜刻蚀时，所述梯形同质掩模结构的半高宽收缩一个单位，高度收缩个单位；

设定所需半高宽为

则高度收缩为即所述第一刻蚀深度参数；

当所述第一闪耀面形成时，所述梯形同质掩模结构的宽度收缩完成，其还具有一定的高度，此时为所述三角形同质掩模结构，以所述第二离子束入射角参数对所述三角形同质掩模结构进行倾斜刻蚀；

刻蚀深度为即所述第二刻蚀深度参数；

其中，l₁为所述第一闪耀面在水平方向上的投影长度；l₂为所述第二闪耀面在水平方向上的投影长度。