反应离子束刻蚀石英同质掩模制作小阶梯光栅研究
2017-07-05 07:12:37   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

小阶梯光栅光谱仪广泛运用于大型光学天文望远镜，对于提高天文望远镜的分辨率起到关键性作用。其工作波段较宽，通常针对各个波段有对应不同参数的光栅提供相应的工作模式以便切换或同时覆盖整个波长。根据光谱仪设计的不同，所需小阶梯光栅线密度较低且闪耀角变化范围比较大。大口径天文望远镜的发展，对小阶梯光栅的使用面积也有了新的要求。低线密度的小阶梯光栅通常采用机械刻划的办法，缺点是存在鬼线以及杂散光较强，制作的母光栅也不能直接作为透射光栅使用。其他方法如激光直写、电子束光刻等不适合制作周期较大以及大面积的光栅，加工成本也较高。

从上个世纪70年代开始，随着真空技术的发展，离子束刻蚀作为微纳米图形转移的重要手段已广泛运用于众多领域，是制作衍射光学元件中常用的图形转移技术。其原理是保证离子源和中和器在低压强不被污染的前提下把Ar、Kr或Xe之类的惰性气体充入离子源放电室并使其电离形成等离子体，然后由栅极将离子呈线状引出、加速并汇聚成一定能量的离子束进入工作室，射向并撞击固体表面，产生弹性碰撞，将能量传递给工件材料的原子或分子，其中一部分能量使原子或分子产生溅射，抛出工件表面。

离子束刻蚀就是利用其物理溅射效应，使材料的原子层连续铣削，由于离子束可控的准直性和均匀性，使其具有图形转移精确，分辨率高，刻蚀参数独立控制以及基片的形状、厚度对刻蚀工艺无影响等优点。通过全息离子束刻蚀的方法制作的闪耀光栅集中了机械刻划光栅高衍射效率和全息光栅无鬼线、低杂散光和成本低的优点，更重要的是，容易在石英的透明基底表面制作透射光栅。而相较于物理轰击作用的离子铣，反应离子束物理溅射和化学反应相结合的特性使其具有刻蚀速率更快、图形转移更精确以及对基片损伤小的优点，更适合刻蚀大面积和需要长时间刻蚀的光栅。

光栅制作的流程示意图

中国科学技术大学国家同步辐射实验室的董圣为等研究人员，针对线密度较低且在可见光和紫外光波段可形成透射闪耀的小阶梯光栅，使用CHF3反应离子束倾斜不同角度刻蚀石英掩模，制作了360lp/mm闪耀角为16.8°以及400lp/mm闪耀角为35°和43°的三种小阶梯光栅，讨论了再沉积作用下离子束入射角与闪耀角的关系并对其透射衍射效率进行了测量与分析。

不同离子束入射角φ倾斜刻蚀后的光栅截面扫描电镜照片

离子束入射角度决定闪耀角的大小，针对小阶梯光栅闪耀角变化范围较大的特点，分别选择离子束与光栅平面法线夹角70°、50°和30°为离子束入射角。为保证石英同质掩模在倾斜刻蚀时顶边收缩成一点，且尽量避免顶边消失过快影响闪耀角大小，依据离子束入射角与刻蚀速率的关系，离子束入射角为70°和50°时选用占宽比0.4左右，高度分别为650nm和1.2μm的石英掩模；离子束入射角为30°时选用占宽比0.6，高度为1.9μm的石英掩模。其中掩模的高度通过离子束垂直刻蚀的时间控制，占宽比则通过曝光显影和对光刻胶掩模的灰化进行控制。

本研究将全息反应离子束刻蚀同质掩模的技术运用于低线密度小阶梯光栅的制作，相比于传统的机械刻划制作方法，具有低成本、高效率和可大面积加工的优点，且不同闪耀角的光栅可通过改变离子束入射角获得。使用这种方法制作了三种在紫外光和可见光波段可形成透射闪耀的光栅，并讨论了再沉积作用下反应离子束入射角与闪耀角的关系。其中线密度360lp/mm闪耀角为16.8°的光栅在325nm波长透射闪耀衍射效率为74%；线密度400lp/mm闪耀角分别为34.7°和43°的光栅在632.8nm波长的透射闪耀效率分别为63%和57%。结果表明在光栅的工作波段衍射效率基本在理论值的75%以上，在保证衍射效率的基础上拓展了全息离子束工艺制作闪耀光栅的范围。

北京埃德万斯离子束技术研究所股份有限公司自主研发的AdvancedLKJ系列离子束刻蚀系统，为通用离子束刻蚀系统，除了可进行传统微纳结构刻蚀外，还可实现离子束清洗、材料表面抛光和材料减薄等功能，还可实现化学辅助离子束刻蚀（CAIBE）与反应离子束刻蚀（RIBE）。

埃德万斯采用RIBE配合He-Ne激光全息光刻制备500nm周期的SiO2闪耀光栅，闪耀角为27°和4°，光栅密度达到了1200线/mm，闪耀波长0.25μm，制成的中心波长为2.3~4.5nm的波带片已实用于同步辐射系统中2~5nm闪耀波长的软X射线扫描；埃德万斯制备了1000线/mmAu透射光栅，与针孔成像技术配合，实现了对X射线光源空间分辨能谱的分析应用。埃德万斯已成功为长春光机所研制了我国第一个大尺寸二元光学器件，并提供了成套设备和工艺软件。