摆动刻蚀法制作高衍射效率凸面闪耀光栅

王琼; 沈晨; 谭鑫; 齐向东; 巴音贺希格

doi:10.11884/HPLPB201931.180298

摆动刻蚀法制作高衍射效率凸面闪耀光栅

doi: 10.11884/HPLPB201931.180298

王琼^1,,
沈晨^{2, 3},
谭鑫^2, ,,
齐向东²,
巴音贺希格²

1.
中国工程物理研究院流体物理研究所, 四川绵阳 621999
2.
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130033
3.
中国科学院大学, 北京 100049

基金项目:

中国科学院重大科研装备研制项目 YZ201005

国家重大科学仪器设备开发专项 2011YQ120023

详细信息

作者简介:
王琼(1987—)，女，硕士，主要从事显微光学成像研究; estella676@sina.com

通讯作者:
谭鑫(1981—)，男，博士，研究员，博士生导师，主要从事光栅设计制作技术及光学器件微细加工技术研究; xintan_grating@163.com

中图分类号: TH744.1;O433.1
计量
- 文章访问数: 1246
- HTML全文浏览量: 284
- PDF下载量: 114
- 被引次数: 6
出版历程
- 收稿日期: 2018-10-30
- 修回日期: 2019-03-01
- 刊出日期: 2019-07-15

Fabrication of high-efficiency convex blazed gratings by swing ion beam etching

Wang Qiong^1
,,
Shen Chen^{2, 3},
Tan Xin^{2
, ,},
Qi Xiangdong²,
Bayanheshig²

1.
Institute of Fluid Physics, CAEP, Mianyang 621999, China
2.
Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China
3.
University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

摘要

摘要: 通过摆动离子束刻蚀方法，制作了用于短波红外高光谱成像光谱仪的凸面闪耀光栅。该方法通过在光栅子午方向上进行摆动刻蚀，解决了凸面光栅子午方向的闪耀角一致性问题。建立了摆动刻蚀模型来分析摆动速度、束缝宽度等工艺参数对槽型演化的影响，并计算了优化的刻蚀工艺参数。制备了基底尺寸为67 mm，曲率半径为156.88 mm，刻线密度为45.5 gr/mm，闪耀角为2.2°的凸面闪耀光栅，并对其表面形貌及衍射效率进行了测量。实验结果表明，摆动刻蚀法能够制作出闪耀角一致性好、衍射效率高的小闪耀角凸面光栅，满足成像光谱仪对光谱分辨率和便携性的使用要求。
- 凸面闪耀光栅 /
- 摆动刻蚀 /
- 衍射效率 /
- 成像光谱仪
Abstract: We use the swing ion-beam etching method to fabricate short wave infrared convex blazed gratings. This method solves the consistency problem of blaze angles by swing etching through the meridian direction of the gratings. A geometric model is built to analyze the influence of swinging speed and beam slit width on groove evolution. Convex gratings with a 45.5 gr/mm groove density, 67 mm aperture, 156.88 mm radius of curvature and 2.2° blaze angle have been fabricated and measured. Experimental results validate that high-efficiency convex gratings of small blaze angle and high groove consistency can be produced by swing etching to satisfy the requirements for high spectral resolution and miniaturization of imaging spectrometers.
- convex blazed gratings /
- swing etching /
- diffraction efficiency /
- imaging spectrometer

HTML全文

高光谱成像光谱仪^[1-4]是一种将空间成像技术与光谱技术相结合以同时获取目标空间信息与光谱信息的光谱仪器，在地质勘探、环境监测、生化分析、临床医疗和空间遥感等领域起着非常重要的作用。Offner成像光谱仪^[5-7]是使用最为广泛的高光谱成像光谱仪，具有大视场角、结构紧凑和无谱线弯曲等优势。标准Offner成像光谱仪由3个同心球面光学元件构成(两个凹面反射镜和一块凸面光栅)。

作为Offner成像光谱仪的核心器件，凸面光栅需要具有大相对孔径、高衍射效率、高刻线密度精度、低杂散光的特性，以满足星载成像光谱仪对便携性、高分辨率的要求。凸面光栅的制作方法有以下几种: 机械刻划法^[8]、电子束直写法^[9-13]、X射线光刻法^[14-15]以及全息离子束刻蚀法^[16]。传统机械刻划法难以在曲面基底上产生形状一致的光栅槽型，一般不使用这种方法。美国喷气推进实验室利用电子束直写法^[17]和X射线光刻法^[18]研制出相对峰值衍射效率分别达到90%和88%的凸面闪耀光栅。这两种方法制作的凸面光栅虽然刻线精度高、槽型可控、衍射效率高，但是存在尺寸小、鬼线强度高的缺点，所以应用较少，仅有美国NASA小型火星探测成像光谱仪使用了此种方式制作的凸面光栅。而全息离子束刻蚀法制作曲面光栅的技术已经非常成熟。德国Zeiss、美国Headwall Photonics，NASA和苏州大学^[19-22]等单位相继报道了采用全息离子束刻蚀法成功制作出用于成像光谱仪的凸面光栅。与电子束直写法和X射线光刻法相比，全息离子束刻蚀光栅具有完全无鬼线、尺寸大、制作周期短、成本较低等优势。但是，全息离子束刻蚀法制作凸面光栅存在一个问题。在使用传统平动离子束刻蚀设备刻蚀凸面光栅时，受凸面基底曲率的影响，光栅表面各个位置上刻槽的闪耀角不一致；当设计闪耀角较小时，甚至会有部分凸面基底无法被刻蚀。这些使得以往全息离子束刻蚀法制作的凸面光栅衍射效率不高。

为了解决这个问题，提出了摆动离子束刻蚀制作凸面光栅的方法。本文建立了摆动刻蚀模型来分析不同工艺参数对光栅槽型的影响，使用摆动刻蚀法制作出适用于短波红外成像光谱仪的小闪耀角凸面闪耀光栅，测量了其表面形貌和衍射效率，并对实验结果进行了分析和讨论。

1. 摆动刻蚀模型

一般情况下，对刻蚀过程中的图形转移而言，建立刻蚀速率与离子束入射角的关系尤为重要。因为在离子束入射角不变的情况下，凸面基底不同位置对应的入射角度是不同的，而其他参数如离子能量、束流密度是保持不变的。我们对本文实验条件下光栅基底材料和光刻胶的刻蚀速率进行了实验测量，结合Ducommun等^[23]给出的刻蚀速率ER与入射角ϕ的经验公式，得出了刻蚀速率与离子束入射角的关系曲线。当离子束接近正入射时(ϕ≤12°)，刻蚀速率与离子束入射角ϕ呈近似线性关系；当离子束掠入射时(θ≤12°)，刻蚀速率与离子束掠射角θ近似成正比(一般情况下，掠射角θ是入射角ϕ是余角)。

先分析平行离子束刻蚀平面光栅时槽型的演化情况。光栅基底上的矩形光刻胶掩膜的高度为h，宽度为w，光栅周期为d，离子束掠射角为θ₀，设计闪耀角为γ，反闪耀角为β。光刻胶上表面与侧面的刻蚀速率分别为v_h和v_w，基底闪耀面的刻蚀速率v_γ，非闪耀面的刻蚀速率为v_β。为了获得标准的闪耀槽型，在刻蚀结束时，掩膜必须刚好刻完，如图 1所示，则掩膜的高宽比满足

$h / w=v_h / v_w$

(1)

$\tan \theta_0=h /(d-w)$

(2)

图 1 理想情形下掩膜槽形轮廓演化过程

Figure 1. Groove evolution under ideal condition

下载: 全尺寸图片幻灯片

随着掩膜高度的降低，离子束在基底上的投影截止点E与闪耀面也随之移动，它们在水平方向的速度应该相等^[24]，得出

$v_\gamma / \sin \gamma=v_h / \tan \theta_0$

(3)

在制作小闪耀角的凸面光栅时，由经验公式知离子束掠射角也很小，满足小角度近似条件。v₀为入射角为0时，光刻胶的刻蚀速率；v′₀为入射角为0时基底的刻蚀速率。k_h，k_w和k_γ，k_β分别为掩膜和基底材料的刻蚀速率系数，则有

$\sin \theta_0 \approx \theta_0 \approx \tan \theta_0$

(4)

$\left\{\begin{array}{l} v_h=k_h \theta_0 \\ v_w=k_w \theta_0+v_0 \\ v_\gamma=k_\gamma\left(\theta_0-\gamma\right) \\ v_\beta=k_\beta\left(90^{\circ}-\theta_0-\beta\right)+v_0^{\prime} \end{array}\right.$

(5)

$\gamma=k_\gamma \theta_0 /\left(k_\gamma+k_h\right)$

(6)

如图 2所示，在实际的摆动刻蚀过程中，随着工作台的摆动，光栅基底被通过束缝的离子束反复扫过。只有基底表面被离子束轰击的时间才是有效刻蚀时间。摆动刻蚀总时间为T，有效刻蚀时间为T_e，单次摆动时基底的刻蚀时间为t_n，摆动次数(半周期数)为n，摆动速度为ω，束缝AB的宽度为D(D为通过挡板狭缝的离子束在样品表面上的投影宽度)，束缝引起的离子束掠射角变化为-min(Δθ，θ₀)~Δθ，凸面基底的圆心角为θ_grating。

$T=\theta_{\text {grating }} T_{\mathrm{e}} /\left[\Delta \theta+\min \left(\Delta \theta, \theta_0\right)\right]$

(7)

$T_{\mathrm{e}}=n t_n=n\left[\Delta \theta+\min \left(\Delta \theta, \theta_0\right)\right] / \omega$

(8)

$D=2 R \sin \left(\left[\Delta \theta+\min \left(\Delta \theta, \theta_0\right)\right] / 2\right)$

(9)

$h=v_h T_{\mathrm{e}}=k_h \theta_0 n t_n$

(10)

$w=v_w T_{\mathrm{e}}=\left(k_w \theta_0+v_0\right) n t_n$

(11)

图 2 摆动刻蚀模型参数

Figure 2. Parameters of swing etching model

下载: 全尺寸图片幻灯片

理想情况下，经过时间T，光刻胶掩膜刚好刻完。实际情况下，离子束掠射角θ′、刻蚀时间和槽型演化要受到摆动速度ω和束缝宽度D影响。对于每次摆动周期，掩膜高度减少量为h_n，掩膜宽度收缩量为w_n。整个刻蚀过程掩膜总的刻蚀量为h′和w′。

(a) 当Δθ≤θ₀时，θ₀-Δθ≤θ′≤θ₀+Δθ，则

$\theta^{\prime}(t)=\theta_0-\Delta \theta+\omega t, \quad t \in\left[0, t_n\right]$

(12)

$h_n=\int_0^{t_n} v_h(t) \mathrm{d} t=\int_0^{t_n} k_h\left(\theta_0-\Delta \theta+\omega t\right) \mathrm{d} t=k_h \theta_0 t_n$

(13)

$w_n=\int_0^{t_n} v_w(t) \mathrm{d} t=\int_0^{t_n}\left[k_w\left(\theta_0-\Delta \theta+\omega t\right)+v_0\right] \mathrm{d} t=\left(k_w \theta_0+v_0\right) t_n$

(14)

经过有效时间T_e的刻蚀

$h^{\prime}=n h_n=k_h \theta_0 n t_n=h$

(15)

$w^{\prime}=n w_n=\left(k_w \theta_0+v_0\right) n t_n=w$

(16)

这种情况下，离子束掠射角的平均值仍为θ₀，闪耀角γ′保持不变。掩膜的变化与理想情况下相同，摆动速度与束缝宽度不影响槽型演变。

(b) 当Δθ＞θ₀时，0＜θ′≤θ₀+Δθ。此时穿过束缝的离子束有一部分从基底表面上方掠过，无法轰击到基底，整体的离子束掠射角会发生偏移。离子束掠射角的平均值大于θ₀，闪耀角γ′会增大。

$\theta^{\prime}(t)=\omega t, \quad t \in\left[0, t_n\right]$

(17)

$h_n=\int_0^{t_n} v_h(t) \mathrm{d} t=\int_0^{t_n} k_h \omega t \mathrm{~d} t=\left[k_h\left(\Delta \theta+\theta_0\right) / 2\right] t_n$

(18)

$w_n=\int_0^{t_n} v_w(t) \mathrm{d} t=\int_0^{t_n}\left[k_w \omega t+v_0\right] \mathrm{d} t=\left(k_w\left(\Delta \theta+\theta_0\right) / 2+v_0\right) t_n$

(19)

$v_h^{\prime \prime}=h_n / t_n=k_h \theta_0+k_h\left(\Delta \theta-\theta_0\right) / 2>v_h$

(20)

$v_w^{\prime \prime}=w_n / t_n=k_w \theta_0+v_0+k_w\left(\Delta \theta-\theta_0\right) / 2>v_w$

(21)

$\gamma^{\prime}=\frac{k_\gamma}{k_\gamma+k_h} \frac{\Delta \theta+\theta_0}{2}$

(22)

可以看出，对于每个摆动周期，掩膜上表面和侧壁的平均刻蚀速率v″_h和v″_w相对于理想情形都增大了，这说明在预定的有效刻蚀时间T_e之前，掩膜就会被刻完。而且，由于k_h＞k_w，掩膜上表面的刻蚀速率比侧壁增大程度要大，即掩膜在竖直方向会先于水平方向刻完，因此槽型的顶部会出现平台，多余的时间对基底表面的过刻蚀会增大平台的宽度。如图 3所示，设经过T₁时间，掩膜高度缩减为0，槽顶平台的宽度为w₁，槽型的深度为h₁；经过T_e时间刻蚀完成后平台最终宽度为w₂。实际上，由于刻面效应，光栅槽型不会演变为标准的梯形，槽型的顶角和沟槽会变成斜率连续变化的弧形。

$h^{\prime}=\left[k_h\left(\Delta \theta+\theta_0\right) / 2\right] T_1=h$

(23)

$w^{\prime}=\left(k_w\left(\Delta \theta+\theta_0\right) / 2+v_0\right) T_1$

(24)

$T_1=2 \theta_0 T_{\mathrm{e}} /\left(\Delta \theta+\theta_0\right)$

(25)

$w_1=w-w^{\prime}=v_0 T_{\mathrm{e}}\left(\Delta \theta-\theta_0\right) /\left(\Delta \theta+\theta_0\right)$

(26)

$w_2=w_1+\left(\frac{d-w_1}{h_1} \frac{k_\gamma\left(\Delta \theta+\theta_0\right)}{2}-\frac{v_\gamma^{\prime}}{\sin \gamma^{\prime}}-\frac{v_\beta^{\prime}}{\sin \beta^{\prime}}\right)\left(T_{\mathrm{e}}-T_1\right)$

(27)

图 3 束缝宽度大于临界宽度时槽形演化

Figure 3. Groove evolution when the slit width is bigger than the critical width

下载: 全尺寸图片幻灯片

我们得出结论，在合适的范围内，不考虑摆动速度均匀性，在合适的范围内摆动速度对刻蚀时间与槽型演化没有影响(摆动速度过大或过小会影响电机的运动精度和工作台的稳定性)。离子束掠射角的变化范围与束缝宽度正相关。束缝宽度越大，总刻蚀时间会缩短，工作效率提高。当束缝宽度小于临界宽度2Rsinθ₀时，束缝宽度不影响最终的光栅槽型；当束缝宽度大于2Rsinθ₀时，刻蚀后的槽型闪耀角会增大，槽型轮廓顶部会出现平台, 且闪耀角的大小和平台的宽度与束缝宽度正相关。

2. 实验与测量

根据刻蚀模型可以计算目标凸面光栅和光刻胶掩膜的最佳设计参数，如表 1所示。我们根据设计的工艺参数制作了凸面光栅。首先，我们使用旋涂法在一块经过离子束抛光、清洗的尺寸为67 mm×67 mm的K9玻璃凸面基底表面涂布1 μm厚的正性光刻胶。然后，我们将基底进行全息曝光与显影，获得了近似矩形的光刻胶掩膜。曝光和显影使用了实时监测技术和条纹锁定技术以保证良好的掩膜槽型和精确的刻线密度。接着，使用O₂反应离子灰化技术去除光刻胶掩膜槽底残胶及侧壁毛刺，减小掩膜的占空比，改善光刻胶掩膜表面粗糙度及槽底直线性。在那之后，我们用摆动离子束刻蚀法将光栅图样从光刻胶掩膜转移到凸面基底上。离子束产生自Veeco公司的16 cm四栅网射频离子源，其束散角小于±0.1°。光栅基底放置在能进行曲线拟合运动的三维水冷工作台上。我们按照表 2设定了离子源参数和一些刻蚀参数。摆动速度、摆动周期、束缝宽度等参数是可变的。通过改变这些参数的组合来研究摆动刻蚀工艺。刻蚀过程中，工作台使基底表面在等于自身曲率半径的圆弧上来回摆动，通过挡板狭缝的离子束则以固定的入射角均匀地扫描整个样品，如图 2所示。完成刻蚀后，在光栅表面镀一层铝膜，从而提高光栅的反射率以及保护光栅槽型。我们制作了多组不同摆动速度和束缝宽度的光栅样品，研究这些工艺参数对刻蚀结果的影响，并寻找最佳的工艺参数。光栅的表面形貌由原子力显微镜进行了测量。光栅的衍射效率由自行研制的多功能曲面衍射效率测试仪进行测试。

表 1 摆动刻蚀凸面光栅的最佳设计参数

Table 1. Designed parameters of the convex grating

aperture/mm	radius/mm	period/μm	mask height/nm	mask width/nm	duty cycle	blaze angle/(°)	roughness/nm
67	156.88	21.978	1000	5 498.8	1∶4	2.2±0.05	＜1

下载: 导出CSV

| 显示表格

表 2 摆动刻蚀工艺参数

Table 2. Swing etching parameters

ion energy/eV	beam current/mA	accelerate voltage/V	working gas ratio of Ar∶CHF₃	effective etching time/min
500	250	250	5∶3	165.88

下载: 导出CSV

| 显示表格

3. 结果与讨论

3.1 束缝宽度对槽型影响

样品1~4是分别在23.1，24.8，25.9，27.3 mm的束缝宽度和0.012 7 rad/s的摆动速度下进行刻蚀的。这些束缝宽度均大于临界宽度19 mm。图 4是四个样品经过原子力显微镜测试的三维表面形貌图。图 5显示了四个样品槽形的横断面图测量结果与摆动刻蚀模型计算结果的对比。由测试结果可知，样品1~4的闪耀角分别为2.597 9°，2.795 0°，2.969 6°，3.130 1°，这证实了摆动刻蚀模型中当束缝宽度大于临界宽度时，闪耀角会大于设计值且闪耀角的大小与束缝宽度正相关的结论。图 4和图 5还显示了光栅槽形顶部会出现平台，且平台宽度随着束缝宽度的增大而变大，这同样符合刻蚀模型的解释。

图 4 样品AFM三维表面形貌图

Figure 4. 3D profile images of samples measured by AFM

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 AFM横断面图与理论模型计算出的光栅槽形对比

Figure 5. Measured (solidline) and simulated (dashedline) cross-section images of grating samples

下载: 全尺寸图片幻灯片

通过刻蚀模型计算得到槽形轮廓与实验结果基本吻合，但存在一定的差别：实测的平台宽度要大于计算结果，并且平台表面形状不规则，有凹凸起伏。原因有以下几个方面：一是刻蚀模型是一个简化的几何模型，用了一些近似方法，结果与事实肯定有所出入；二是刻蚀过程中，离子束入射角是在一定范围内周期性变化的，这会对刻面的形成造成影响；三是摆动刻蚀的总工作时间接近10 h，离子源的稳定性会对实验结果产生影响。图 6显示了四个样品衍射效率曲线的实测结果和理论计算结果的对比。可以看出，衍射效率的理论计算结果基本符合实测曲线的变化趋势。束缝宽度大于临界值时，衍射效率会因闪耀角的变化发生明显的降低，束缝宽度越大，衍射效率越低。这说明过宽的束缝引起的闪耀角增大和槽形变差，严重影响光栅的衍射效率。

图 6 样品的衍射效率实测结果与理论模型计算结果对比

Figure 6. Measured and calculated results of diffraction efficiency of samples

下载: 全尺寸图片幻灯片

3.2 摆动速度对槽型的影响

图 7(a)和7(c)显示了摆动速度为0.006 4 rad/s (线速度为1 mm/s)的样品No.5的槽形轮廓，图 7(b)和7(d)显示了摆动速度为0.025 5 rad/s (线速度为4 mm/s)的样品No.6的槽形轮廓，这两个样品的束缝宽度都为13.2 mm。图 8显示了这两个样品的实测衍射效率曲线与理想情况下的衍射效率曲线的对比。从图中可以看出，这两块样品都有较好的三角槽形，闪耀角分别为2.191 0°和2.192 8°，基本符合设计的要求。

图 7 光栅槽形的原子力测试结果

Figure 7. AFM images of the grating grooves

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 8 样品No.5和样品No.6的实测衍射效率与曲线理想衍射效率曲线的对比

Figure 8. Comparison between measured and ideal diffraction efficiency of No.5 and No.6

下载: 全尺寸图片幻灯片

两个样品的槽形形状基本一致，符合刻蚀模型的解释，但样品No.6的槽形轮廓比样品No.5更光滑。这说明摆动速度对槽形的基本轮廓形状没有影响，但对其形貌细节的影响未有定论。两块样品的差异可能是摆动速度快慢对工作台运动稳定性的影响导致的。本文的刻蚀模型对刻蚀速率与离子束入射角的关系做了近似处理，并且没有考虑工作台摆动均匀性对离子束掠射角的影响。由于工作台运动轨迹是由拟合算法控制的，摆动速度是由拟合精度和电机速度共同决定的，因此无法轻易判断摆动速度对槽形轮廓演化的影响。摆动过慢或过快都会降低工作台的稳定性和运动的均匀性，这都会影响到离子束刻蚀的均匀性。但是存在一个最佳的摆动速度范围，使刻蚀结果最佳。

两个样品的衍射效率都比较接近理想的衍射效率，但有一定的损失。样品No.5的峰值衍射效率为88.03%，整个波段上的平均衍射效率为65.07%；样品No.6的峰值衍射效率为88.08%，整个波段上的平均衍射效率为65.61%。衍射效率低于理想情况可能由以下原因引起：一是光栅表面的瑕疵降低了衍射效率，二是弧矢方向上闪耀角的不一致对衍射效率也会产生微小的影响。

3.3 摆动刻蚀闪耀角一致性

为了验证摆动刻蚀法能够解决凸面光栅闪耀角一致性的问题，我们对同一块摆动离子束刻蚀凸面光栅表面不同位置的槽形轮廓进行了测量。不同测试点的位置用其在xoy平面内投影的坐标(x, y)表示。图 9为摆动速度为0.01 rad/s、束缝宽度为13.2 mm的样品No.7上9个位置不同的测试点(a)~(i)的原子力显微镜测试结果；表 3显示了不同测试点的位置坐标和槽形轮廓的闪耀角。不同测试点的槽形轮廓基本一致，都呈现良好的闪耀形。子午方向闪耀角的一致性很好，三组测试点(abc, def, ghi)的闪耀角极差分别为0.011 8°, 0.009 6°和0.012 7°；弧矢方向闪耀角一致性稍差，三组测试点(adg, beh, cfi)的闪耀角极差分别为0.048 9°, 0.038 6°和0.038 0°，这是由于基底弧矢方向上的曲率造成的；整个光栅表面闪耀角的平均值为2.178 0°，标准差为0.018 7°，不一致性小于2.2°±0.041 7°，完全满足闪耀角设计公差的要求。与传统方法相比，摆动刻蚀法制作的凸面光栅闪耀角的不一致性很小，这证明了摆动刻蚀法能够有效地解决曲面光栅闪耀角一致性的问题。

图 9 光栅表面不同位置的原子力横断面图

Figure 9. Cross-section diagrams at different locations on the grating surface by AFM

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 3 基底表面不同位置的闪耀角

Table 3. Blaze angles at different locations on the substrate surface

coordinate/mm	blaze angle/(°)	coordinate/mm	blaze angle/(°)	coordinate/mm	blaze angle/(°)
(a)(-30, -30)	2.158 3	(d)(0, -30)	2.207 2	(g)(30, -30)	2.172 3
(b)(-30, -0)	2.170 1	(e)(0, 0)	2.205 7	(h)(30, 0)	2.167 1
(c)(-30, 30)	2.163 1	(f)(0, 30)	2.197 6	(i)(30, 30)	2.159 6

下载: 导出CSV

| 显示表格

3.4 优化参数实验结果

综合考虑刻蚀均匀性、刻蚀稳定性、刻蚀工作效率以及离子束束散角的影响，应该选取适中的摆动速度和稍小于临界值的束缝宽度为宜。我们选取0.012 7 rad/s的摆动速度和16.5 mm的束缝宽度制作了样品No.8。图 10显示出样品No.8的衍射效率曲线很接近理想情形的衍射效率。其峰值衍射效率为90.03%，整个波段上的平均衍射效率为70.25%。

图 10 样品No.8的实测衍射效率曲线

Figure 10. Comparison of the measured diffraction efficiency of sample No.8 with the ideal efficiency

下载: 全尺寸图片幻灯片

4. 结论

我们提出一种通过使用Ar，CHF₃混合离子束刻蚀矩形光刻胶掩膜来获得凸面闪耀光栅的摆动刻蚀方法。首先，建立了摆动刻蚀的几何模型，分析了摆动刻蚀工艺参数对槽型演化的影响。在良好的工作状态和合适的范围下，摆动速度对槽型轮廓基本没有影响；当束缝宽度大于临界值时，其引起的离子束掠射角变化会使槽型最终的闪耀角变大，刻蚀完毕后槽型顶部会出现平台，降低了光栅的衍射效率。并且闪耀角的大小和槽顶平台的宽度与束缝宽度正相关。通过这个模型可以计算出一些实验所需的摆动刻蚀工艺参数。然后，我们通过摆动刻蚀法成功地制备了刻线密度为45.5 gr/mm、闪耀角为2.2°、基底尺寸为67 mm，曲率半径为156.88 mm的槽型良好的凸面闪耀光栅。这种方法制备的凸面闪耀光栅对于成像光谱仪大有益处。AFM和衍射效率测试仪的测量结果显示了样品的优异性能。实验结果与刻蚀模型的理论预期相吻合，证实了模型的有效性。在工作气体中混入O₂能够加快光刻胶的刻蚀速率，减少刻蚀时间，但其流量与配比及对槽型轮廓的影响有待进一步的系统研究。这需要对刻蚀模型和工艺进行优化以及大量的实验工作。未来的工作还包括对这种凸面光栅应用于成像光谱仪中实际表现的调查研究。

图 1 理想情形下掩膜槽形轮廓演化过程

Figure 1. Groove evolution under ideal condition

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 摆动刻蚀模型参数

Figure 2. Parameters of swing etching model

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 束缝宽度大于临界宽度时槽形演化

Figure 3. Groove evolution when the slit width is bigger than the critical width

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 样品AFM三维表面形貌图

Figure 4. 3D profile images of samples measured by AFM

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 AFM横断面图与理论模型计算出的光栅槽形对比

Figure 5. Measured (solidline) and simulated (dashedline) cross-section images of grating samples

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 样品的衍射效率实测结果与理论模型计算结果对比

Figure 6. Measured and calculated results of diffraction efficiency of samples

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 光栅槽形的原子力测试结果

Figure 7. AFM images of the grating grooves

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 8 样品No.5和样品No.6的实测衍射效率与曲线理想衍射效率曲线的对比

Figure 8. Comparison between measured and ideal diffraction efficiency of No.5 and No.6

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 9 光栅表面不同位置的原子力横断面图

Figure 9. Cross-section diagrams at different locations on the grating surface by AFM

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 10 样品No.8的实测衍射效率曲线

Figure 10. Comparison of the measured diffraction efficiency of sample No.8 with the ideal efficiency

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 摆动刻蚀凸面光栅的最佳设计参数

Table 1. Designed parameters of the convex grating

aperture/mm	radius/mm	period/μm	mask height/nm	mask width/nm	duty cycle	blaze angle/(°)	roughness/nm
67	156.88	21.978	1000	5 498.8	1∶4	2.2±0.05	＜1

下载: 导出CSV

表 2 摆动刻蚀工艺参数

Table 2. Swing etching parameters

ion energy/eV	beam current/mA	accelerate voltage/V	working gas ratio of Ar∶CHF₃	effective etching time/min
500	250	250	5∶3	165.88

下载: 导出CSV

表 3 基底表面不同位置的闪耀角

Table 3. Blaze angles at different locations on the substrate surface

coordinate/mm	blaze angle/(°)	coordinate/mm	blaze angle/(°)	coordinate/mm	blaze angle/(°)
(a)(-30, -30)	2.158 3	(d)(0, -30)	2.207 2	(g)(30, -30)	2.172 3
(b)(-30, -0)	2.170 1	(e)(0, 0)	2.205 7	(h)(30, 0)	2.167 1
(c)(-30, 30)	2.163 1	(f)(0, 30)	2.197 6	(i)(30, 30)	2.159 6

下载: 导出CSV

参考文献(24)

[1]	Zhang H, Wu T, Zhang L, et al. Development of a portable field imaging spectrometer: Application for the identification of sun-dried and sulfur-fumigated Chinese herbals[J]. Applied Spectroscopy, 2016, 70(5): 879. doi: 10.1177/0003702816638293
[2]	PrietoBlanco X, MonteroOrille C, Couce B, et al. Analytical design of an Offner imaging spectrometer[J]. Optics Express, 2006, 14(20): 9156-9168. doi: 10.1364/OE.14.009156
[3]	Mouroulis P Z, McKerns M M. Pushbroom imaging spectrometer with high spectroscopic data fidelity: Experimental demonstration[J]. Optical Engineering, 2000, 39(3): 808-817. doi: 10.1117/1.602431
[4]	Gao L, Smith R T, Tkaczyk T S. Snapshot hyperspectral retinal camera with the image mapping spectrometer (IMS)[J]. Biomedical Optics Express, 2012, 3(1): 48-54. doi: 10.1364/BOE.3.000048
[5]	Mouroulis P, Wilson D W, Maker P D, et al. Convex grating types for concentric imaging spectrometers[J]. Applied Optics, 1998, 37(31): 7200-8. doi: 10.1364/AO.37.007200
[6]	Lucke R L. Out-of-plane dispersion in an Offner spectrometer[J]. Optical Engineering, 2007, 46: 073004. doi: 10.1117/1.2754316
[7]	韩姗, 黄元申, 李柏承, 等. 消像差Offner成像光谱仪的研究进展[J]. 激光技术, 2015, 39(1): 33-38. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JGJS201501007.htm Han Shan, Huang Yuanshen, Li Baicheng, et al. Progress of Offner imaging spectrometers for eliminating aberration. Laser Technology, 2015, 39(1): 33-38 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JGJS201501007.htm
[8]	Xu D, Owen J D, Papa J C, et al. Design, fabrication, and testing of convex reflective diffraction gratings[J]. Optics Express, 2017, 25(13): 15252. doi: 10.1364/OE.25.015252
[9]	Maker P, Muller R, Wilson D, et al. New convex grating types manufactured by electron beam lithography[J]. 1998.
[10]	Mouroulis P Z, Thomas D A. Compact low-distortion imaging spectrometer for remote sensing[C]//Proc of SPIE. 1998, 3438: 31-38.
[11]	Okano M, Kikuta H, Hirai Y, et al. Optimization of diffraction grating profiles in fabrication by electron-beam lithography[J]. Applied Optics, 2004, 43(27): 5137. doi: 10.1364/AO.43.005137
[12]	Takahara K, Shiono T, Hamamoto T. High-efficiency blazed diffractive optical elements for the violet wavelength fabricated by electron-beam lithography[J]. Applied Optics, 2002, 41(13): 2390-2393. doi: 10.1364/AO.41.002390
[13]	Johnson W R, Wilson D W, Bearman G. All-reflective snapshot hyperspectral imager for ultraviolet and infrared applications[J]. OpticsLetters, 2005, 30(12): 1464-1466.
[14]	Mouroulis P Z, Hartley F T, Wilson D W, et al. Grating fabrication through X-ray lithography[C]//Proc of SPIE. 2003, 5173: 108-114.
[15]	Mouroulis P, Wilson D W, Hartley F T, et al. Concentric spectrometer forms enabled by lithographically produced gratings[J]. Frontiers in Optics, 2004: FWT2.
[16]	刘玉娟, 崔继承, 巴音贺希格, 等. 凸面光栅成像光谱仪的研制与应用[J]. 光学精密工程, 2012, 20(1): 52-57. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXJM201201010.htm Liu Yujuan, Cui Jicheng, Bayanhexig, et al. Design and application of imaging spectrometer with convex grating. Optics and Precision Engineering, 2012, 20(1): 52-57 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXJM201201010.htm
[17]	Wilson D W, Mouroulis P Z. Recent advances in blazed grating fabrication by electron-beam lithography[C]//Proc of SPIE. 2003, 5173: 115-126.
[18]	Mouroulis P, Hartley F, Wilson D, et al. Blazed grating fabrication through gray-scale X ray lithography[J]. Optics Express, 2003, 11(3): 270-81. doi: 10.1364/OE.11.000270
[19]	Headwall Photonics Inc. Hyperspec-VNIR and Hyperspec-NIR integrated hyperspectral imaging sensors[EB/OL]. http://www.headwallphotonics.com/diffractive-optics-technology.
[20]	Reininger F M, Coradini A, Capaccioni F, et al. VIRTIS: Visible infrared thermal imaging spectrometer for the Rosetta mission[J]. 1996, 2: 1604-1606.
[21]	Davis C O, Bowles J, Leathers R A, et al. Ocean PHILLS hyperspectral imager: Design, characterization, and calibration[J]. Optics Express, 2002, 10(4): 210-221. doi: 10.1364/OE.10.000210
[22]	Liu Q, Ji Y, Wu J, et al. Study on convex grating in hyperspectral imaging spectrometers[C]//Proc of SPIE. 2009: 74940N.
[23]	Ducommun J P, Cantagrel M, Moulin M. Evolution of well-defined surface contour submitted to ion bombardment: Computer simulation and experimental investigation[J]. Journal of Materials Science, 1975, 10(1): 52-62. doi: 10.1007/BF00541031
[24]	Lin H, Lilifeng. Fabrication of extreme-ultraviolet blazed gratings by use of direct argon-oxygen ion-beam etching through a rectangular photo resist mask[J]. Applied Optics, 2008, 47: 6212-6218. doi: 10.1364/AO.47.006212

施引文献

期刊类型引用(1)
1. 徐昊宇，姜岩秀，陈星硕，王瑞鹏，张靖，巴音贺希格. 小闪耀角单晶硅光栅结构参数优化及制备工艺. 中国光学(中英文). 2024(05): 1139-1149 . 百度学术
其他类型引用(5)

资源附件(0)

访问统计

点击查看大图

图(10) / 表(3)

计量

文章访问数: 1246
HTML全文浏览量: 284
PDF下载量: 114
被引次数: 6

1. 摆动刻蚀模型
2. 实验与测量
3. 结果与讨论
3.1 束缝宽度对槽型影响
3.2 摆动速度对槽型的影响
3.3 摆动刻蚀闪耀角一致性
3.4 优化参数实验结果
4. 结论

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

留言板

摆动刻蚀法制作高衍射效率凸面闪耀光栅

doi: 10.11884/HPLPB201931.180298

作者简介:
王琼(1987—)，女，硕士，主要从事显微光学成像研究; estella676@sina.com

通讯作者:
谭鑫(1981—)，男，博士，研究员，博士生导师，主要从事光栅设计制作技术及光学器件微细加工技术研究; xintan_grating@163.com

计量

Fabrication of high-efficiency convex blazed gratings by swing ion beam etching

1. 摆动刻蚀模型

2. 实验与测量

3. 结果与讨论

3.1 束缝宽度对槽型影响

3.2 摆动速度对槽型的影响

3.3 摆动刻蚀闪耀角一致性

3.4 优化参数实验结果

4. 结论

期刊类型引用(1)

其他类型引用(5)

计量

目录

1. 摆动刻蚀模型

2. 实验与测量

3. 结果与讨论

3.1 束缝宽度对槽型影响

3.2 摆动速度对槽型的影响

3.3 摆动刻蚀闪耀角一致性

3.4 优化参数实验结果

4. 结论

留言板

摆动刻蚀法制作高衍射效率凸面闪耀光栅

doi: 10.11884/HPLPB201931.180298

作者简介: 王琼(1987—)，女，硕士，主要从事显微光学成像研究; estella676@sina.com

通讯作者: 谭鑫(1981—)，男，博士，研究员，博士生导师，主要从事光栅设计制作技术及光学器件微细加工技术研究; xintan_grating@163.com

计量

出版历程

Fabrication of high-efficiency convex blazed gratings by swing ion beam etching

1. 摆动刻蚀模型

2. 实验与测量

3. 结果与讨论

3.1 束缝宽度对槽型影响

3.2 摆动速度对槽型的影响

3.3 摆动刻蚀闪耀角一致性

3.4 优化参数实验结果

4. 结论

期刊类型引用(1)

其他类型引用(5)

计量

出版历程

目录

1. 摆动刻蚀模型

2. 实验与测量

3. 结果与讨论

3.1 束缝宽度对槽型影响

3.2 摆动速度对槽型的影响

3.3 摆动刻蚀闪耀角一致性

3.4 优化参数实验结果

4. 结论

作者简介:
王琼(1987—)，女，硕士，主要从事显微光学成像研究; estella676@sina.com

通讯作者:
谭鑫(1981—)，男，博士，研究员，博士生导师，主要从事光栅设计制作技术及光学器件微细加工技术研究; xintan_grating@163.com