基于全息-離子束刻蝕的閃飾光柵制備

基于全息-離子束刻蝕的閃飾光柵制備

1高衍射效率的熒光消費研究衍射光是一種應用廣泛、重要的高分辨率色散光學元件，在現代光學儀器中發(fā)揮著重要作用。閃耀光柵作為衍射光柵的一個種類,在凝聚態(tài)物理和材料、信息及生命科學、原子物理、分子物理、團簇科學、分子反應動力學等領域的實驗系統(tǒng)中扮演著關鍵角色。從閃耀光柵出現到現在,人們對閃耀光柵衍射效率的追求從未停止過,對高衍射效率閃耀光柵的研制也進行了很多定性和定量研究,但是對于刻槽形狀與衍射效率關系的定量研究并不深入。閃耀光柵有多種制作方法,在這些方法中,全息離子束刻蝕由于其制作方便,可控性高,所制作光柵無鬼線,雜散光低,而成為閃耀光柵的主要制作手段。雖然全息離子束刻蝕制作閃耀光柵已經經歷了約30年的發(fā)展,但對于全息-離子束刻蝕閃耀光柵的研究仍然是本領域內的研究重點,國內外均在開展槽形與衍射效率關系的研究工作,并取得了一些不錯的研究成果,不過衍射效率依然不夠高,尚不能滿足日益增加的高衍射效率的閃耀光柵需求。本文以閃耀波長為250nm,330nm,線密度為1200lp/mm的閃耀光柵為例,對影響閃耀光柵衍射效率的主要因素進行了理論分析,并通過實驗實現了對影響衍射效率的主要因素的嚴格控制,從而在K9玻璃基底上獲得了兩種不同閃耀波長,有效面積分別為85mm×85mm和60mm×60mm的高衍射效率的閃耀光柵。2衍射效率曲線對工作波長為250nm和330nm,線密度為1200lp/mm的閃耀光柵在自準入射情況的衍射效率進行了理論分析。圖1為平面閃耀光柵一個周期的示意圖。從圖1可以看出,對于一種固定了閃耀波長和周期的閃耀光柵,其可變參數只有閃耀角(Leftangle)及非閃耀角(Rightangle),閃耀角的變化引起衍射效率的變化或與目標閃耀波長的偏離是眾所周知的。圖2為1200lp/mm閃耀光柵在250nm波長自準直入射情況下-1級衍射光衍射效率隨閃耀角變化的曲線,圖3為1200lp/mm閃耀光柵在330nm波長自準直入射情況下-1級衍射光衍射效率隨閃耀角變化的曲線,圖2和圖3的衍射效率曲線是通過商用軟件PCgratMLT2000,利用矢量算法計算得到的。從圖2可以看出,-1級衍射光的衍射效率在閃耀角為8～8.7°時達到最高,約82%,隨著閃耀角向大于8.7°或小于8°變化,對應250nm波長的`衍射效率將降低;同時由圖3可知此時其閃耀角為10.5～12°,衍射效率較高,約83%,隨著閃耀角向大于12°或小于10.5°變化,對應330nm波長的衍射效率將降低。從圖2和圖3的理論效率曲線上看,衍射效率對閃耀角的變化都是十分敏感的,如果要獲得高衍射效率(接近理論衍射效率)的閃耀光柵,對于閃耀角及非閃耀角的控制都要十分嚴格,即波長250nm的閃耀光柵,其閃耀角應為8～8.7°;波長應330nm的閃耀光柵,其閃耀角應為10.5～12°。3光刻膠蔽模的制備全息-離子束刻蝕閃耀光柵制作涉及多步工藝,其主要步驟如圖4所示。圖4的主要工藝步驟中涉及的基片處理,光刻膠前烘溫度和時間,兩相干光強的平衡性和曝光量,顯影液濃度和溫度,顯影時間和攪動程度,后烘溫度和時間,離子束刻蝕條件,鍍膜條件等的變化,都有可能影響到光柵的重復性和衍射效率。全息曝光、顯影用于產生光刻膠光柵浮雕圖形(掩模),離子束刻蝕用于將光刻膠光柵掩膜轉移到光柵基底材料中。閃耀光柵的閃耀角決定了光柵的閃耀波長,為了刻蝕出理想的鋸齒槽形,刻蝕時要求離子束與光刻膠掩模條紋相切,并剛好入射到掩模條紋的根部。這時的光刻膠掩模高度將有一確定值,根據光刻膠掩模界面外形曲線方程和離子束與其相切的切線方程可得式中,θ為離子束與光柵平面的夾角,它與刻蝕獲得的閃耀光柵的閃耀角存在一定的偏差,這是由于離子束流存在發(fā)散角所引起的。對于不同的離子源及刻蝕系統(tǒng),其偏差是不同的,可以通過大量實驗確定其偏差值,從而確定獲得的閃耀角。從式(1)及上面的討論可以看出閃耀光柵的閃耀角直接受光刻膠掩模的槽深及占寬比影響,通過在光刻膠掩模制作過程中使用曝光-顯影在線監(jiān)測系統(tǒng),加之在離子束刻蝕前對掩模進行反應離子灰化可以獲得滿足離子束刻蝕需求的光刻膠掩模。在此基礎上,利用穩(wěn)定的離子束刻蝕工藝將獲得閃耀角滿足要求的閃耀光柵。上述工藝是制作全息-離子束刻蝕閃耀光柵的基礎工藝,由于其對離子束刻蝕過程的控制只能通過實驗總結再進行實驗以選擇合適的刻蝕參數,所以制作效率較低。本文在實驗中引入了離子束刻蝕過程模擬,在離子束刻蝕前對離子束刻蝕過程進行模擬得到目標槽形所需的離子束刻蝕參數后再利用該參數指導離子束刻蝕工藝,從而大大地提高了工作效率和刻蝕結果的可控性。在模擬過程中,需要在保證離子束刻蝕參數易于實現的基礎上使獲得的刻蝕模擬槽形逼近理想槽形,同時給出諸如離子束刻蝕參數,刻蝕時間等結果。圖5給出了利用自行開發(fā)的刻蝕模擬程序BLAZING計算獲得的兩種不同刻蝕參數情況下獲得的250nm和330nm閃耀光柵的刻蝕槽形。圖5中的兩幅圖片分別是對應不同刻蝕參數情況下獲得的250nm和330nm的閃耀光柵槽形。將圖5中的槽形參數與理想槽形參數一起輸入衍射效率計算軟件,獲得如圖6、圖7所示的衍射效率對比圖。由圖5、圖6和圖7可以看出,通過BLAZING模擬獲得的槽形與理想槽形計算出來的衍射效率差異較小,在閃耀波長附近,小于3%。閃耀光柵的閃耀角通過離子束刻蝕過程中離子束入射角的控制來進行調整;而非閃耀角則通過控制離子束對光刻膠掩模與基底層的刻蝕速率比來進行控制,這些工藝技術國內外已經進行過很多研究。4熒光光柵的衍射效率工藝條件可控的情況下,在K9基底上制作了如圖8所示的250nm閃耀光柵,其線密度為1200lp/mm,閃耀角為8.54°,非閃耀角為72°,尺寸為85mm×85mm,衍射效率的測量結果如圖9所示。同時,在K9基底上制作了如圖10所示的330nm閃耀光柵,其線密度為1200lp/mm,閃耀角為11.68°,非閃耀角為74°,尺寸為60mm×60mm,衍射效率的測量結果如圖11所示。圖8和圖10中所示的閃耀光柵槽形的閃耀角,非閃耀角均使用VeecoD3100型原子力顯微鏡測量。從圖9和圖11的衍射效率曲線中可以看出,理論衍射效率平均比制作的衍射光柵的衍射效率高2%。這是因為,第一,理論衍射效率是通過PcgrateMLT2000進行計算獲得的,該版本的軟件在計算衍射效率時不能加入光柵表面粗糙度等制作誤差信息,而是完全理想的狀況,因此獲得了較高的衍射效率;第二,制作獲得的閃耀光柵受表面粗糙度,光柵山脊成圓角等因素的影響。第二個原因可以通過閃耀光柵制作工藝的改進來加以控制,但是在目前的軟件版本下無法給出定量的計算分析。5熒光光衍射效率本文對影響閃耀光柵衍射效率的主要因素進行了分析,并通過全息-離子束刻蝕實驗驗證了之前對衍射效率影響因素的分析。使用離子束刻蝕模擬程序來指導離子束刻蝕工藝,實現了離子束刻蝕速率比的可控,并在此基礎上制作了兩種尺寸均大于60mm×60mm,線密度為1200lp/mm的閃耀光柵。其中閃耀角為8.54°,非閃耀角為72°