大尺寸熔石英采樣光柵的研究進展

劉 穎，劉正坤，邱克強，饒歡樂，蔣曉龍，陳火耀，徐向東，洪義麟，付紹軍

(1.中國科學技術大學 國家同步輻射實驗室，安徽 合肥 230029;2.杭州電子科技大學 生命信息與儀器工程學院 浙江 杭州 310018;3.中國工程物理研究院 激光聚變研究中心 工程光學部，四川 綿陽 621900)

大尺寸熔石英采樣光柵的研究進展

劉 穎1*，劉正坤1，邱克強1，饒歡樂2，蔣曉龍3，陳火耀1，徐向東1，洪義麟1，付紹軍1

(1.中國科學技術大學 國家同步輻射實驗室，安徽 合肥 230029;2.杭州電子科技大學 生命信息與儀器工程學院 浙江 杭州 310018;3.中國工程物理研究院 激光聚變研究中心 工程光學部，四川 綿陽 621900)

綜述了近五年來為神光裝置研制大口徑熔石英采樣光柵所取得的主要進展。提出了大尺寸采樣光柵的化學機械拋光技術，將全息光刻-離子束刻蝕的430 mm口徑采樣光柵的采樣效率均勻性控制在均方根值低于5%，滿足了采樣光柵的設計要求。針對采樣光柵的閾值特性，利用二次離子質譜技術，定量表征了采樣光柵制備過程中引入的污染及其清洗效果，優化、發展了采樣光柵的清洗方法。探索了基于氫氟酸和感應耦合等離子體刻蝕的熔石英基底處理技術，結合干濕法處理技術來去除熔石英光柵基底的亞表面損傷。為進一步提升采樣光柵抗激光輻射損傷特性，提出將發展大尺寸熔石英采樣光柵的氫氟酸處理方法及具有亞波長減反光柵結構的采樣光柵的制備方法。

熔石英；采樣光柵；采樣效率；激光損傷閾值；亞表面損傷；拋光；刻蝕；綜述

1 引 言

在美國國家點火裝置、法國兆焦裝置及我國神光裝置中，每束3ω(351 nm)激光的終端均使用光束采樣光柵(Beam Sampling Grating, BSG)進行輸出激光離軸聚焦和取樣[1-4]。考慮到熔石英光柵的抗激光損傷閾值，為降低單位面積上接收的激光功率，上述系統使用的BSG口徑均在400 mm左右。

BSG采用離軸波帶片，即圓形變間距光柵的結構實現離軸聚焦和采樣。美國國家點火裝置使用的BSG[1]周期在1～3 μm、槽深約為 20 nm，以便將BSG的采樣效率，即其一級透射效率控制在0.1%～0.3%。法國兆焦裝置使用的BSG[2]具有色分離和采樣兩個功能，其中心線密度為2 400 l/mm，槽深為700 nm，利用光柵的一級反射效率進行采樣，采樣效率大于1%。由于法國兆焦裝置BSG的線密度高，圖形高寬比大，因此其制作難度相對較高。目前，美、法兩國的大尺寸BSG制作技術已經較為成熟。

國內BSG研制的起步較晚[3-4]。隨著我國大尺寸衍射光學元件制作技術的發展，全息光刻[5-6]-離子束刻蝕[7]技術成為制作神光裝置大尺寸BSG的主要手段。目前，我國神光裝置的BSG主要參數有：BSG的中心線密度，與美國國家點火裝置的類似；BSG的中心線密度在2 000 l/mm左右[8]，兩者槽深均在幾十nm附近。

隨著我國神光裝置的發展，對430 mm口徑BSG的采樣效率均勻性和抗激光損傷閾值的要求越來越高，需求數量也越來越多。亟待提高的BSG特性參數包括采樣效率均勻性和抗激光損傷閾值。采用全息光刻-離子束刻蝕技術直接制備的大尺寸BSG，其采樣效率均勻性不能滿足強激光系統的使用要求。受BSG熔石英基底損傷閾值以及BSG清洗條件的限制，這種大尺寸BSG的激光損傷閾值[9]很難進一步提高。為了滿足神光裝置對高性能大尺寸BSG的迫切需求，近年來，我們開展了基于化學機械拋光方法提高BSG采樣效率均勻性、針對閾值特性的BSG清洗工藝、熔石英基底亞表面損傷去除方法以及BSG刻蝕深度的空間分布微調方法等研究工作[10-13]。本文總結了近五年國家同步輻射實驗室在大尺寸BSG性能提升方面的主要實驗進展，指明了研制更高性能大尺寸BSG的發展方向。

2 化學機械拋光提高BSG采樣效率均勻性

受激光調制度的影響，為了降低利用BSG對強激光系統激光能量診斷的測試誤差，大尺寸BSG采樣效率的均方根(RMS)應小于5%[1,14]。

圖1 430 mm BSG化學機械拋光前、后的衍射效率分布Fig.1 Spatial distribution of diffraction efficiency of BSG with an aperture of 430 mm× 430 mm before and after CMP process

在提高大尺寸BSG采樣效率均勻性方面，美國利弗莫爾實驗室通過改進BSG制作過程中的涂膠、曝光、濕法刻蝕等工藝的均勻性[1]來提高BSG采樣效率的均勻性。但受目前制備工藝水平的限制，全息-離子束刻蝕工藝直接制備出的BSG的采樣效率均勻性一般在10%～30%，其采樣效率均勻性很難達到均方根值小于5%的技術要求。因此，饒歡樂等人借鑒光學冷加工中的拋光技術，對熔石英BSG進行化學機械拋光[15-16]，即通過拋光的方法改變BSG局部衍射效率較高區域的光柵槽形結構，從而降低其衍射效率，使之與周圍區域的衍射效率相近，最終使BSG的采樣效率趨于均勻。圖1是一個典型的大尺寸BSG在進行化學機械拋光前、后其采樣效率均勻性的改善情況。目前，化學機械拋光技術是控制大尺寸BSG采樣效率均勻性的關鍵工藝。

3 BSG清洗工藝

BSG經過全息光刻-離子束刻蝕-化學機械拋光等多步工藝制作而成。在這些過程中，多種無機及有機污染物殘留在BSG的表面甚至表層一定的深度范圍內，會引起激光的吸收，導致BSG損傷。因此，優化清洗工藝是控制BSG激光損傷閾值不可缺少的一個環節。

與X射線光電子能譜技術相比，二次離子質譜技術不僅可檢測分析樣品表面的元素和化合物的組分，獲取樣品的表層信息，還能對微量元素進行一定深度的剖析。饒歡樂利用二次離子質譜技術定量分析了BSG清洗前、后雜質在BSG表層一定深度范圍內的殘留及清洗情況[15]。并在對BSG清洗工藝進行表征和優化的基礎上建立了兩種BSG清洗工藝[15]：一種是以濃硫酸、硝酸為主的清洗方法，其特點是清洗后不改變BSG槽型的結構參數，也就不改變BSG的效率均勻性；另一種是以氫氟酸為主的清洗方法，利用氫氟酸與熔石英的化學反應，將表面的熔石英剝離，但是會改變BSG的槽型結構及采樣效率均勻性。這兩種清洗工藝均能將BSG在光柵結構制備過程中引入的雜質污染控制在低于光柵基底的水平，特別是在CMP中引入的Ce污染也能基本去除[16]。

BSG的激光損傷閾值受很多因素的影響，除了光柵制備工藝的影響，制作BSG所用熔石英基底的激光損傷閾值的影響也相當大。同時，受閾值測試條件的限制，BSG激光損傷閾值的測試數據極為有限，閾值結果的離散性較大。目前，大尺寸BSG的激光損傷閾值的測試結果最大在12 J/cm2(入射激光波長為351 nm、脈寬為3 ns)左右。原則上，BSG的閾值低于熔石英基底的閾值，而在強激光系統中，受界面反射的影響，相對入射面激光的出射面通常會承受更大的激光功率密度。目前BSG的光柵面是作為入射激光的出射面使用，因此，將光柵面作為激光入射面使用，可提高元件的壽命。

4 采樣光柵熔石英基底亞表面損傷層處理技術

熔石英基底的激光損傷閾值是決定大尺寸BSG激光損傷閾值高低的一個重要因素。熔石英基底的亞表面損傷層是影響熔石英基底閾值的關鍵。目前，去除熔石英亞表面損傷層的加工方法包括傳統光學加工的優化、磁流變拋光技術、氫氟酸濕法刻蝕技術和干法刻蝕技術等，然而，這些方法均會不同程度地引入新的問題。所以，依賴單一的技術手段并不能徹底地消除激光損傷的誘因。我們探索了氫氟酸濕法刻蝕技術和感應耦合等離子體(Inductively Coupled Plasma，ICP)刻蝕技術在去除熔石亞表面損傷層方面的潛力。

4.1 熔石英復合加工方法

蔣曉龍提出了基于氫氟酸法刻蝕為主的熔石英復合加工方法[17]。其主要流程包括：研磨、氫氟酸大深度刻蝕、超光滑拋光、離子束刻蝕和氫氟酸淺表層腐蝕，如圖2所示。

圖2 熔石英復合加工方法的工藝流程圖Fig.2 Flow chart of removal treatment of subsurface damage layer on fused silica substrate

首先，熔石英樣品在研磨后進行大深度的氫氟酸刻蝕，亞表面缺陷在刻蝕過程中完全暴露并橫向擴展，亞表面損傷演化成表面起伏，從而獲得了表面粗糙但沒有亞表面損傷的熔石英樣品。然后對樣品進行超光滑拋光，拋平表面起伏獲得光滑表面。此時，樣品損傷層包括深度小于100 nm的水解層以及超光滑拋光所引入的深度相對較小的亞表面損傷層。接著利用與制備BSG相同的離子束刻蝕技術去除超精密拋光階段引入的水解層和亞表面損傷層，亞表面缺陷在各向異性的刻蝕過程中被徹底去除，此時熔石英樣品表面只有金屬污染。最后，對樣品進行淺表層的氫氟酸腐蝕，去除表面的金屬污染。最終獲得沒有亞表面損傷和金屬污染的完美熔石英樣品。經過上述復合加工方法處理的熔石英基底，其紫外激光損傷閾值可以達到初始基底的將近兩倍。

4.2 ICP刻蝕的輻射損傷及抑制

與一般反應離子刻蝕系統不同的是，ICP系統有兩套射頻電源，一套用于輝光放電產生等離子體，控制等離子體密度；另一套用于加速離子，控制轟擊能量。ICP系統具有高等離子體密度和高轟擊能量，因此可獲得更高的刻蝕速率和更好的各向異性。

在熔石英的ICP刻蝕技術中，重點研究了ICP刻蝕的表面損傷問題[18-19]。首先系統地研究了刻蝕坑狀損傷的形成機理和演化規律，通過對比不同亞表面缺陷密度樣品ICP刻蝕后的表面缺陷情況證實，觀察到的表面坑狀損傷為干法刻蝕造成的刻蝕損傷。其次，分析了刻蝕損傷在物理刻蝕和化學刻蝕下的演化規律，揭示了其形成機理。最后，對ICP刻蝕工藝進行了系統的優化，通過使用隔離罩裝置消除了金屬污染，大幅地提高了刻蝕后的表面質量。另外，通過優化刻蝕氣體配比和ICP功率，抑制了低密度表面坑狀損傷。使用優化后的ICP刻蝕工藝成功地去除了熔石英的亞表面損傷層。

5 研制大尺寸BSG的新技術

雖然目前利用化學機械拋光技術可以獲得采樣效率均勻性滿足要求的大尺寸BSG，但是，仍迫切需要發展研制大尺寸BSG的新技術，以進一步提高大尺寸BSG的激光損傷特性。

閾值測試結果顯示，利用氫氟酸清洗后BSG的閾值要略高于第一種清洗方法制備的BSG。因此，擬建立大尺寸衍射光學元件的氫氟酸噴淋系統，研究氫氟酸濕法刻蝕對BSG槽型結構-采樣效率演化規律的影響，從而掌握可控的氫氟酸刻蝕技術。

降低界面反射是從根本上提高BSG激光損傷閾值的方法。目前，大尺寸BSG的非光柵面已成功采用了涂溶膠-凝膠減反膜的方法來提高透射率。雖然在光柵面涂化學減反膜理論上是可行的[20]，但實現起來有相當的難度。目前大量報道的隨機亞波長減反結構在430 mm口徑上也很難實現均勻減反。因此，我們采用與BSG制備相同的全息光刻-離子束刻蝕技術，開展了大面積亞波長光柵減反結構的制備技術研究，建立了完整、可重復的相關制作工藝，研制出具有明顯增透效果的光柵減反結構的BSG，從根本上提高了BSG的抗激光閾值。課題組利用此技術已成功研制出100 mm口徑的含減反光柵的BSG，獲得了與化學膜相近的減反效果。

6 總結與展望

本文總結了近五年來大口徑BSG性能提升工作的主要進展。首先，建立了大尺寸BSG的化學機械拋光技術，可將其采樣效率均方根值控制在5%以下，滿足神光裝置對其采樣效率均勻性的要求。其次，針對BSG閾值特性，利用二次離子質譜技術比較優化了BSG不同清洗工藝的清洗效果，研究了基于濃硫酸+濃硝酸的采樣光柵清洗方法；還提出了去除BSG熔石英基底亞表面損傷的干濕法復合技術，該方法可以快速獲得既無亞表面損傷又無金屬雜質污染的熔石英基底，有助于從根本上提高BSG的抗激光損傷閾值。

為了進一步提升大尺寸BSG的抗激光損傷特性，兩個切實可行的技術發展方向為基于氫氟酸的BSG濕法刻蝕-效率修正技術和具有亞波長減反光柵的BSG制作技術。

7 致 謝

感謝蘇州大學為我們提供的大尺寸BSG光刻膠掩模。

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Advances in large-aperture beam sampling gratings

LIU Ying1*, LIU Zheng-kun1, QIU Ke-qiang1, RAO Huan-le2, JIANG Xiao-long3, CHEN Huo-yao1, XU Xiang-dong1, HONG Yi-lin1, FU Shao-jun1

(1.NationalSynchrotronRadiationLaboratory,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230029,China;2.CollegeofLifeInformationScience&InstrumentEngineering,HangzhouDianziUniversity,Hangzhou310018,China;3.EngineeringOpticsDepartment,ResearchCentreofLaserFusion,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900,China) *Correspondingauthor,E-mail:liuychch@ustc.edu.cn

This paper reviews the advances in fabricating large-aperture Beam Sampling Grating (BSG) made of fused silica for Shenguang laser facility. A chemical mechanical polishing process for large-aperture BSGs is proposed. The efficiency uniformity of BSGs with an aperture of 430 mm× 430 mm is successfully controlled within a rms of 5% , which meets the specification of the large-aperture BSGs. For threshold characteristics of BSGs, the contamination and its cleaning of large-aperture BSGs are characterized with second ion mass spectroscopy quantitatively, and the cleaning flow of BSGs is developed and optimized. To remove the subsurface damage of fused silica, the fused silica substrate processing based on hydrofluoric acid and inductively coupled plasma etching is investigated. For improving the laser-induced damage threshold of the BSGs, it suggests that the HF acid etching method for large-aperture fused silica BSGs and the preparation method for BSGs integrated with sub-wavelength antireflection gratings should be developed in the future.

fused silica; Beam Sampling Grating (BSG); sampling efficiency; laser-induced damage threshold; subsurface damage; polishing; etching;review

2016-11-02；

2016-11-17.

國家重大專項資助項目；中國科學院知識創新工程重要方向項目(No.GY2011053005)；國家自然科學基金資助項目(No.10975139)；安徽省科技攻關項目(No.131015195)

1004-924X(2016)12-2896-06

O436.1；TN305.2

:Adoi:10.3788/OPE.20162412.2896

劉 穎( 1972-) , 女, 天津人, 副研究員, 主要從事衍射光學元件設計及全息光刻、離子束制作技術的研究。E-mail: liuychch@ ustc.edu.cn

劉正坤(1981-)，男，河南信陽人，副研究員，主要從事衍射光學元件設計與制作的研究。E-mail: zhkliu@ustc.edu.cn