紫外全息凹面光柵離子束刻蝕技術

王長庚

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

0 引 言

衍射光柵是一種應用非常廣泛而重要的高分辨率的色散光學元件，在現代光學儀器中占有相當重要的地位［1－3］。

凹面光柵作為衍射光柵相對于平面光柵來說有其獨有的特點，有利于光譜儀器緊湊。凹面光柵的制作方式主要是機械刻劃和全息－離子束刻蝕光柵。機械刻劃光柵制作凹面光柵的歷史較長［4－6］，但是由于凹面光柵曲率半徑的限制及刻劃光柵自身的缺點，使得機械刻劃凹面光柵逐漸被發展起來的全息凹面光柵所替代。早期全息凹面光柵主要利用干涉曝光的方式在凹面基底上獲得干涉條紋后再進行鍍膜制作凹面全息光柵［7－8］，此類光柵的槽形為正弦型結構，衍射效率較低；隨著離子束刻蝕技術引入全息光柵制作工藝，利用離子束刻蝕工藝對光刻膠圖形向基底進行轉移制作的全息－離子束刻蝕光柵具有更高的衍射效率，其槽形結構成三角形［9］。這種槽形成三角形的全息－離子束刻蝕凹面光柵也有兩種，其一為閃耀角沿凹面光柵表面保持不變，此類凹面光柵衍射效率最高，接近平面閃耀光柵；其二為閃耀角沿凹面光柵表面變化，此類凹面光柵衍射效率較前一種低，但仍然高于正弦槽形的凹面光柵。

國外全息－離子束刻蝕凹面光柵的生產廠家主要有日本島津公司、J－Y公司等；國內在全息凹面光柵方面開展研究較早，但全息－離子束刻蝕凹面光柵的制作方面相對落后。

文中以閃耀波長250nm，線密度為1 200lp／mm，入臂200mm，出臂188mm，尺寸45mm×40mm的IV型凹面光柵為例，著重介紹了IV型凹面光柵的離子束圖形轉移過程，對離子束刻蝕過程中IV型凹面光柵衍射效率的主要影響因素進行了理論分析，并通過實驗實現了對能夠影響衍射效率的主要因素進行嚴格控制，對凹面光柵的離子束刻蝕工藝進行研究。

1 IV型凹面光柵的制作工藝

全息－離子束刻蝕IV型凹面光柵制作涉及多步工藝［10－13］，其工藝流程如圖1所示。

由圖1可知，全息－離子束刻蝕制作IV型凹面光柵的工藝與制作平面光柵的工藝相同，其主要差別在于全息干涉曝光光路及離子束刻蝕工藝。對于全息干涉曝光光路而言，制作等間距平面光柵是利用兩束相干的平行光在平面基底上曝光來記錄干涉圖樣；而制作IV型凹面光柵則是利用兩路相干的球面波來干涉，從而在凹面基底上記錄干涉圖樣，IV型凹面光柵需通過優化設計來計算工作參數及記錄參數（點光源位置）。優化設計記錄參數的目的是消像差，對于全息－離子束刻蝕后的IV型凹面光柵來說，其記錄參數對于衍射效率、雜散光是無影響的。

圖1 全息離子束刻蝕IV型凹面光柵工藝流程

2 IV型凹面光柵的衍射效率與離子束刻蝕

對工作波長250nm，1 200lp／mm的IV型凹面光柵在工作參數情況下的衍射效率進行理論分析，如圖2所示。

圖2 波長250nm入射，1200lp／mm IV型凹面光柵，－1級衍射光衍射效率隨閃耀角的變化（鍍鋁表面）

由圖2可知，當IV型凹面光柵的閃耀角控制在8°～9°時，在波長250nm處的衍射效率接近70%。而IV型凹面光柵離子束刻蝕制作工藝中，欲獲得沿凹面基底均保證閃耀角8°～9°是相當困難的。這是因為離子束刻蝕系統產生的離子束流為發散角小于3°的平行束流。利用其對凹面光柵進行圖形轉移時，由于凹面基底的曲面各處切線與離子束流夾角不同，將在基底表面形成閃耀角沿曲面變化，如圖3所示。

圖3 平行離子束流刻蝕凹面基底

IV型凹面基底示意圖如圖4所示。

圖4 IV型凹面基底示意圖

圖4為尺寸45mm×40mm的凹面基底，基底曲率半徑為224mm。

由圖4可知：

將曲率半徑R＝224mm，L＝45mm代入上式得：

則可知在曲面AOB上，過點A的切線與過點B的切線與水平面的夾角差4θ，約11.5°。如利用平行離子束刻蝕，則在IV型凹面基底上獲得的閃耀角將沿曲面變化，閃耀角最大位置與最小位置存在11.5°的差異，而欲在整個曲面內使閃耀角均在8°～9°是無法實現的，只能獲得閃耀角沿曲面由2°到13°漸變的變閃耀角光柵，其中心區域的閃耀角約8°～9°。但此種光柵的槽形很差，這是因為離子束刻蝕不同閃耀角時要求不同的光刻膠掩模高度，而2°～13°變化的閃耀角要求光刻膠掩模從53～175nm漸變。此種漸變的光刻膠掩模是無法利用全息干涉曝光獲得的。

由于上述原因，期待一種能夠隨曲面切線角度變化的離子束流來實現沿凹面基底曲面各處閃耀角近似相等，我們將此種類型的離子束流稱為彎轉離子束流，凹面基底理想離子束刻蝕方法如圖5所示。

圖5 凹面基底理想離子束刻蝕方法

彎轉離子束流與發散離子束流是不同的。發散離子束流的離子束運動路徑是直線，只是各束之間存在較大夾角；而彎轉離子束流的離子束運動路徑是曲線，彎轉離子束流刻蝕凹面基底如圖6所示。

圖6 彎轉離子束流刻蝕凹面基底

它是通過某種作用使發散角較小的平行離子束流發生偏轉。所以離子束流發散與否是離子源本身的性能，而彎轉離子束流則是對離子源出射離子束進行控制獲得的。

離子源出射的Ar＋平行離子束經過方框區域內分布的磁場（見圖6），在洛倫茲力的作用下發生偏轉，控制磁場的分布及磁場強度，配合Ar＋平行離子束出射速度控制（加速電壓）能夠實現離子束流的偏轉，從而實現凹面基底的理想刻蝕。

3 實驗結果及討論

工藝條件可控的情況下，在K9基底上利用彎轉離子束流制作了閃耀波長250nm的IV型凹面光柵如圖7所示。

圖7 1 200lp／mm，250nm IV型凹面光柵AFM照片

其線密度為1 200lp／mm，閃耀角7.57°～9.21°，尺寸為45×40mm2。其中，（a）為閃耀角最大的邊緣（刻蝕時距離子源最遠邊緣）的原子力顯微鏡照片，其該位置的閃耀角7.57°；（b）為閃耀角最小的邊緣（刻蝕時距離子源最近邊緣）的原子力顯微鏡照片，其該位置的閃耀角9.21°。

由圖7及測量結果可知，沿凹面基底的曲面，IV型凹面光柵的閃耀角是變化的，最大閃耀角位置與最小閃耀角位置之差約1.6°。這一偏差是由實際彎轉離子束流與理想彎轉離子束流存在差異引起的。經分析，產生差異的原因有兩個方面，第一，計算離子束流彎轉時未考慮Ar＋離子束自身重力；第二，實驗用的裝置內磁場能夠實現定量控制，但實際磁場分布的測量目前尚未完善，即并未實現控制與測量閉環，而只是利用不同控制參數來進行凹面基底刻蝕來選取合適的控制參數。

利用發散離子源刻蝕制作的IV型凹面光柵的實測衍射效率與理論衍射效率對比如圖8所示。

圖8 1 200lp／mm IV型凹面光柵衍射效率理論值與實測值

測量波長范圍為180～1 000nm，每隔10nm測量一次，由于測量設備接收器的限制，最小波長為180nm，所以180nm以下的衍射效率沒有進行測量。從圖中可以看出，所制作的IV型凹面光柵的衍射效率與理論值較為接近，在波長250nm處達到了67%。

利用發散離子束流刻蝕的IV型凹面光柵與利用平行離子束流刻蝕的IV型凹面光柵的衍射效率對比如圖9所示。

其中，方塊為發散離子束流的刻蝕結果，圓點為平行離子束流的刻蝕結果。從圖中可以看出，平行離子束流刻蝕獲得的IV型凹面光柵的衍射效率最高的位置為47%，其對應波長約在370nm左右；而在波長250nm處，衍射效率僅為30%。對平行離子束刻蝕的IV型凹面光柵槽形進行測量，其最大閃耀角約15°，整個光柵有近三分之一的位置無明顯的光柵槽形，且具有閃耀槽形的位置其槽形頂端也存在較大平臺。這些都是由于前面所述的掩模高度及凹面基底曲率變化所引起的。

圖9 發散離子束流與平行離子束流刻蝕結果對比

4 結 語

對IV型凹面光柵的離子束刻蝕工藝進行了深入的分析，提出了使用彎轉離子束流制作IV型凹面光柵的方法，并在現有設備上實現了彎轉離子束流刻蝕IV型凹面光柵，刻蝕過程彎轉束流參數可控。

制作了閃耀波長250nm，線密度為1 200lp／mm，入臂200mm，出臂188mm，尺寸45mm×40mm的IV型凹面光柵，其衍射效率達到了67%，與理論衍射效率符合較高。在此基礎上再一次用實驗證實了平行離子束流刻蝕IV型凹面光柵難以實現高衍射效率。

在彎轉離子束流刻蝕的研究中，關于束流控制及束流測量環節中的閉環控制方面仍需繼續研究。

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