[发明专利]一种变间距光栅的近场全息-离子束刻蚀制备方法

摘要

本发明公开了一种变间距光栅的近场全息-离子束刻蚀制备方法，该方法利用近场全息-离子束刻蚀技术制备高线密度变间距光栅。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；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；与常规纳米压印技术相比，本发明提供的变间距光栅，可以通过优化近场全息的曝光-显影条件在一定范围内对所获得的其光刻胶光栅掩模的占宽比进行调控。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。

主权项

一种变间距光栅的近场全息‑离子束刻蚀制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：步骤一、根据拟制作变间距光栅的中心周期p₀，确定近场全息曝光的激光波长λ及入射角度i₀，三者之间满足：$i_0=arcsin\left(\frac{\mathrm{\λ}}{2p_0}\right)---\left(1\right)$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i₀之间应满足下面的关系：$|1-\frac{\mathrm{\λ}}{period}|\<\sin i_0\<\frac{2\mathrm{\λ}}{period}-1---\left(2\right)$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；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：在近场全息曝光的激光波长为λ、入射角为i₀、且光栅周期为p的条件下，相应负一级衍射角i_‑1满足方程(3)所示的关系：sini_‑1＝sini₀‑λ/p               (3)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i₀、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(η₀和η_‑1)随槽深和占宽比的演化轮廓图；定义熔石英光栅掩模的效率对比度Cont为：$Cont=\left\{\begin{array}{cc}\left({\mathrm{\η}}_0\cos i_0\right)/\left({\mathrm{\η}}_{-1}\cos i_{-1}\right),& \left({\mathrm{\η}}_0\cos i_0\right)\<\left({\mathrm{\η}}_{-1}\cos i_{-1}\right)\\ \left({\mathrm{\η}}_{-1}\cos i_{-1}\right)/\left({\mathrm{\η}}_0\cos i_0\right),& \left({\mathrm{\η}}_0\cos i_0\right)\>\left({\mathrm{\η}}_{-1}\cos i_{-1}\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$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，将效率对比度Cont设定在0.80‑1.00之间，确定周期p对应可接受的熔石英光栅掩模槽形参数范围；设变间距光栅的中心周期、最大和最小周期分别为p₀、p_max和p_min，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i₀，分别计算典型变间距光栅周期p_max、p₀、和p_min，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；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；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)、熔石英变间距光栅掩模(5)和涂布了光刻胶层(6)的变间距光栅基底(7)；激光光源(1)发出的激光束经过显微物镜‑针孔(2)和准直透镜(3)后，被扩束成口径约为100mm的平行光后，照射到反射镜(4)上，然后经过反射镜(4)依次反射到熔石英变间距光栅掩模(5)和涂布了光刻胶层(6)的变间距光栅基底(7)上；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(5)对涂布了光刻胶层(6)的变间距光栅基底(7)进行近场全息曝光‑显影，获得变间距光栅的光刻胶掩模；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；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。