一种变间距光栅的近场全息-离子束刻蚀制备方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003]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。
[0004] 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。
[0005] 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】
[0006] 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。
[0007] 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：
[0008] 步骤一、根据拟制作变间距光栅的中心周期p。，确定近场全息曝光的激光波长λ 及入射角度i。，三者之间满足：
[0010] 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i。 之间应满足下面的关系：
[0012] 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；
[0013] 步骤二、熔石英变间距光栅掩模的设计和制作，光栅周期为p，熔石英光栅掩模槽 形结构的设计方法如下：
[0014] 在近场全息曝光的激光波长为λ、入射角为i。、且光栅周期为p的条件下，相应负 一级衍射角i:满足方程（3)所示的关系：
[0015] sini丄=sini 0-λ/p (3)
[0016] 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i。、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（η。和nJ随槽深和占宽比的演化轮廓图；
[0017] 定义熔石英光栅掩模的效率对比度Cont为：
[0018]
[0019] 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对应可接受的恪石英光栅 掩模槽形参数范围；
[0020] 设变间距光栅的中心周期、最大和最小周期分别为？。、?_和？_，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i。，分别计算典型变间距光栅周期
?和p_，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；
[0021] 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；
[0022] 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；
[0023] 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；
[0024] 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；
[0025] 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。
[0026] 本发明的原理在于：
[0027] 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。
[0028] 本发明的优点和积极效果为：
[0029](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；
[0030] (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；
[0031] (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。
[0032] 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】
[0033] 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；
[0034]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；
[0035] 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】
[0036] 下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
[0037] 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：
[0038] 步骤一、根据拟制作变间距光栅的中心周期p。，确定近场全息曝光的激光波长λ 及入射角度i。，三者之间满足：
[0040] 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i。 之间应满足下面的关系：
[0042]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；
[0043] 步骤二、熔石英变间距光栅掩模的设计和制作，光栅周期为p，熔石英光栅掩模槽 形结构的设计方法如下：
[0044]在近场全息曝光的激光波长为λ、入射角为i。、且光栅周期为p的条件下，相应负 一级衍射角i:满足方程（3)所示的关系：
[0045] sini != sini 0-λ/p (3)
[0046] 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i。、光栅周期为p，在此条件下利用严格耦合波方法[例如 M.G.Moharametal.J.Opt.Soc.Am.A. 12, 1068 (1995),M.G.Moharametal.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（n。和 η:)随槽深和占宽比的演化轮廓图；
[0047] 定义熔石英光栅掩模的效率对比度Cont为：
[0048]
[0049] 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对应可接受的恪石英光栅 掩模槽形参数范围；
[0050] 设变间距光栅的中心周期、最大和最小周期分别为p。、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i。，分别计算典型变间距
和p_，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；
[0051] 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；
[0052] 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