用基于光刻胶熔融的离子束蚀刻技术制作用于紫外区域的闪耀光栅

用基于光刻胶热熔的离子束蚀刻技术制

作用于紫外区域的闪耀光栅

摘要

用于制造基于表面热运动的全息离子束蚀刻衍射光栅的新技术已经出现，光刻胶光栅粗糙的表面可以通过这种技术被解决。依据这种技术，用于紫外区的1200线/mm全息离子束蚀刻闪耀光栅就可以被制造出来。结果表明，光栅具有良好的表面质量，低杂散光，高衍射效率。此外，这些光栅的性能满足紫外光谱仪的操作要求。

在曝光于显影的过程中，由于非对称的光分布、光学元件的缺陷、杂散光等因素使得光刻胶光栅的槽型表面变得比较粗糙。如果被用作掩膜版的光刻胶光栅有粗糙的表面并且被离子束刻蚀，那么这种缺陷将在刻蚀光栅的表面被部分或整个的复制。结果光栅的性能会被严重的影响。虽然光刻胶光栅的槽型表面可以通过活性离子蚀刻的方法而变光滑，但是价格将更高，制造周期将更长。

光刻胶热熔法，由于它的低成本，短的处理周期，易于控制的特点已经在最近几年被证实是降低刻蚀光栅表面粗糙的好方法。我们用这种方法去制造全息光栅是为了降低其表面的粗糙，并且能够获得更满意的结果。

这篇文章的目的是要阐述光刻胶熔融法的原理同时通过详细说明一个1200线/mm闪耀全息光栅的技术处理与实验结果来证明这种方法的可行性。

如图1是实验的曝光光路的搭建。光束从平面镜M2反射，并与M3反射的光干涉，两光束夹角为2?，同时它们的干涉区就是曝光区域。如果涂有光刻胶的衬底插入在这个区域，条纹将以空间距离d被记录

?d?

2sin?cos?

?是激光的波长，n是相应空间的折射率，?是衬底的法线与光束的角平分线的夹角。

凹面镜 M2 Kr激光 Ｍ１ 针孔滤波 Ｍ３ 光栅毛胚

图1 全息曝光光路 基于热运动理论，当有限接触角被运用于固体表面时液滴将处于平衡状态。杨氏模型用如下的式子描述液滴在坚实平坦，表面平整，均匀的固体上的状态。

TALcos??TSA?TLS

?是平衡接触角，TAL是液滴的表面张力，TSA是固体的表面张力，TLS是固体与液体之间的界面力，这个公式完全正确地描述了K9玻璃衬底与光刻胶在融化状态的界面关系。了K9玻璃衬底与光刻胶之间的接触角?是个常数、它与光刻胶的化学组成、周围的空气、以及衬底的性质有关。

液滴 ? 空气 TLS 图2 接触角平衡 TSA

在实验中，输出波长为413.1nm的Kr+离子激光用于记录在空气中空间周期为0.833微米的干涉条纹，通过合理的设计使得在?=0，?=14.530，涂有光刻胶的K9玻璃衬底被放置在曝光区域。

图3展示了经过适当的曝光与显影后光刻胶光栅的原子力显微镜图，从图中看到光刻胶光栅的凹槽具有一致的槽型，经过充分的显影以后凹槽被相互隔离开来，但是槽面上有很多凸起的块。

在熔化过程中，光刻胶光栅在烘烤炉中被加热，通过表面张力使表面粗糙更小。因为光刻胶属于含有很多化学成分的非晶态聚合物，它的熔点在一个范围之内，所选用的温度范围在160-180摄氏度，加热时间为30分钟。熔化参数的适当选择可以减小表面的粗糙，当光刻胶熔化以后，如图4所示光栅的表面结构就形成了。

从图3与图4对比发现，图4由于表面张力的缘故，其表面光滑有规律。表面粗糙的减小是由于凸起块明显减少的原因。它的剖面图从正弦曲线变为圆弧曲线形式。光刻胶光栅的周期没有变，但是剖面的最大高度下降了。

由于在K9玻璃基底上光刻胶光栅的物理特性和光学性能远远优于全息光栅。表面结构从光刻胶到K9玻璃基底转换，这步的实现可以通过Ar离子蚀刻技术。拥有随机闪耀角的光栅通过调节凹槽的深宽比以及离子束的入射角可以被制造出来。

数码仪器 Vano Scope

扫描大小 5.000微米

扫描频率 1.141HZ 样本数量 256 数据刻度 1.0000微米 图像高度 1000微米

图3 曝光与显影后光刻胶光栅的三维构型与剖面图 剖面分析

图5展示了通过蚀刻融化了的光刻胶光栅得到的表面蚀刻光栅。被熔化的光栅表面变得光滑，凹槽变得有规律。

表面蚀刻光栅通过真空镀铝后便制成了全息光栅。 数码仪器 Vano Scope 扫描大小 5.000微米 扫描频率 1.100HZ 样本数量 256 数据刻度 1.0000微米 图像高度 800.0微米

剖面分析

图4 熔化过程后光刻胶光栅的三维构型与剖面图

数码仪器 Vano Scope 扫描大小 5.000微米 扫描频率 0.8728HZ 样本数量 256 数据刻度 1.0000微米 图像高度 300.0微米

剖面分析

图5 被蚀刻后全息光栅的三维构型与剖面图

光刻胶热熔法有低成本、制作周期短、易于实现的特点。基于这些特点，我们已经成功的制造出了离子束蚀刻全息闪耀光栅，同时它是一个拥有优良凹槽并且可以在紫外区域使用的1200线\\mm全息闪耀光栅。实验结果表明这种光栅拥有更好的表面轮廓、低杂散光以及高衍射效率的优点。另外这种光栅能够满足紫外光谱仪的操作要求。这篇文章的总结为更深入的研究离子束蚀刻全息闪耀光栅的制造技术打下了坚实的基础。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/nz1h.html