[发明专利]一种在凸面基底上直接制作光刻胶母光栅的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种直接制作凸面光栅作为母光栅以及用此母光栅来复制制作凹面光栅的方法，可以广泛应用于光谱仪器、分析测量等领域，属于光栅制作技术领域。

背景技术

目前，光谱仪器的应用范围正在不断扩大，它占据了分析仪器1/4的市场份额，在社会生产、生活和科学研究中发挥着不可替代的作用。衍射光栅作为光谱学研究中的关键元件，在多种多样的光谱仪器中扮演了越来越重要的角色，其中凹面光栅具有集色散、聚焦于一体的特性，平场凹面光栅还具备准直的特性，这些特点使得凹面光栅已经成为光谱仪器中关键甚至唯一的光学元件。

衍射效率是衡量凹面光栅质量好坏的一个重要指标。尤其对于紫外波段来说，衍射效率更是一个需要特别考虑的指标。为了获得较高衍射效率的凹面光栅，需要精确的控制光栅的槽形参数，在凹面基底上制作出满足要求的锯齿形、矩形等光栅槽形。

近年来，全息——离子束刻蚀法被广泛应用来制作衍射光栅。祝邵箕的《衍射光栅》第五章讲解了利用全息法进行衍射光栅的曝光制作的内容。采用全息法制作的凹面光栅具有无鬼线、低杂散光、高信噪比等优点，同时还可以进行像差的校正。使用惰性气体的常规物理溅射过程称为离子束刻蚀。具有能量单色性很强及一定密度的大面积、准直均匀离子束发射到材料(薄膜或基片)表面，通过离子撞击表面原子和材料原子间的级联碰撞过程，离子将其携带的动量或能量转移给材料原子，打破原子间的结合和产生活化原子的动量矢量反转，形成材料原子的物理溅射。离子溅射可实现掩模——材料间的精密图形转移，在材料表面刻蚀出三维构造。但是，离子束刻蚀凹面光栅却面临着很多困难。以制作闪耀凹面光栅为例，如附图1所示，采用一般的平行离子束刻蚀凹面光栅，存在整个光栅面上闪耀角不同的缺点，同时，因为凹面光栅基底的遮挡作用，也无法进行小角度闪耀角的刻蚀。为了在整个凹面光栅面上得到大小一致的闪耀角，需要采用如附图2所示的离子束入射形式。但是在此种情况下，同样由于凹面光栅基底的遮挡作用，在大多数情况下，该入射形式是不可能的。当然，采用聚焦离子束刻蚀技术也是可以在整个凹面光栅面上得到大小一致的闪耀角的。但是此种技术刻蚀效率低，花费时间长；同样的，由于凹面基底的遮挡作用，也无法针对小闪耀角的情况进行刻蚀。对于刻蚀诸如矩形、梯形等其他光栅槽形的凹面光栅也存在着同样的问题。上述问题都极大的影响了对凹面光栅槽形的精确控制，降低了凹面光栅产品的质量。

专利号为JP8082551-A；JP3434907-B2的专利(Concave saw-tooth slot for gratingmanufacturing method-involves usage of concave replica process to make replica ofconcave slots of saw-tooth for grating)提出了一种解决方案。该方案为了解决由于凹面基底的遮挡作用而带来的无法刻蚀问题，提出了如下工艺流程：首先，在制作出合适的凹面光栅之后，复制得到相应的第一代凸面光栅。其次，刻蚀复制得到的凸面光栅，得到闪耀凸面光栅。最后，利用该闪耀凸面光栅再次复制得到第二代凹面光栅，至此，得到了闪耀凹面光栅。但是，采用此方案具有如下两个缺点：第一，用于刻蚀的凸面光栅为复制后得到的，并不满足离子束刻蚀技术的需要。某些情况下，需要经过再次技术处理才能满足刻蚀需要，增加了工艺的复杂性，不利于工业化生产；但是，在更多的情况下，针对复制后的凸面光栅是无法进行离子束刻蚀过程的，导致此种方法完全失效。第二，离子束刻蚀工艺受被刻蚀的基底材料的影响很大，采用复制后的凸面光栅作为被刻蚀的对象，其基底材料具有局限性，限制了刻蚀工艺的自由度，增加了刻蚀的难度，在某些情况下甚至无法刻蚀得到所需要的光栅槽形。上述问题使得该方法实用性不强。

本发明提出了一种直接在凸面基底上制作出光刻胶母光栅的方法。制作出的母光栅既可以直接用于复制制作凹面光栅，也可以方便的通过离子束刻蚀等方法精确的得到需要的光栅槽形，然后再复制制作凹面光栅，达到提高衍射效率的目的。本方法工艺步骤简单，有利于工业化生产，为解决上文提到的现有凹面光栅制作中的问题提供了一个可行的方案。

发明内容

本发明的目的是针对凹面光栅制作中无法有效控制光栅槽形的问题，提出一种在凸面基底上直接制作光刻胶母光栅的替代方案。该方案将上述问题转换为了控制凸面母光栅槽型的问题，可大大降低实现难度，为精确控制凹面光栅的槽形铺平道路，并且有利于工业化生产。

利用本发明制作凹面光栅的步骤如下：