大尺寸中階梯光柵鋁膜均勻性研究

張方程， 于海利， 周敬萱

（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033）

0 引 言

中階梯光柵作為衍射光學(xué)元件被廣泛應(yīng)用于光譜探測(cè)和光譜分析，其中大尺寸中階梯光柵憑借其較高的衍射級(jí)次和大孔徑實(shí)現(xiàn)了極高的光譜分辨率（分辨率可達(dá)106量級(jí)以上），是天文觀測(cè)、痕量元素探測(cè)儀器等的核心光學(xué)器件[1－4]。目前，尺寸在300mm×300mm以上的中階梯光柵僅能通過(guò)光柵刻劃?rùn)C(jī)制作。其原理是利用金剛石刻刀擠壓、拋光鍍?cè)诠鈻呕咨系匿X膜，使鋁膜表面按設(shè)計(jì)要求發(fā)生預(yù)期的形變，刻制出具有納米精度的周期性微觀槽形，如圖1所示。

圖1 中階梯光柵刻槽截面

光柵刻劃過(guò)程是對(duì)鋁膜的重塑過(guò)程，刻劃過(guò)程中不產(chǎn)生鋁屑[5－7]。

圖1中鉻層的作用是作為過(guò)渡層增加鋁膜與光柵基底結(jié)合的牢固度，另外，可以防止在刻劃過(guò)程中對(duì)金剛石刻刀壓重過(guò)大損傷光柵基底。由圖中可以看出，中階梯光柵刻槽的截面近似為直角三角形，區(qū)別于常規(guī)分子光譜儀光柵，其較短的一個(gè)直角邊所在平面是光柵的工作平面。根據(jù)光柵電磁場(chǎng)理論計(jì)算可知，這樣的槽形在高衍射級(jí)次下具有較高的衍射效率[8]。設(shè)計(jì)的中階梯光柵刻槽參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 中階梯光柵設(shè)計(jì)參數(shù)

從表1可以看出，設(shè)計(jì)的中階梯光柵刻槽密度低，光柵常數(shù)大，要求的鋁膜厚度大。為了滿足大尺寸中階梯光柵刻劃需要，鍍制的鋁膜需滿足如下要求：

1）鋁膜厚度。設(shè)計(jì)的刻槽深度為5.0～6.0μm，為保證較好的成槽特性，根據(jù)光柵刻劃經(jīng)驗(yàn)，鋁膜厚度通常為光柵槽深的2～2.5倍，因此，鍍制出的鋁膜厚度范圍是10～15μm。

2）鋁膜厚度均勻性。鋁膜的均勻性直接影響光柵的衍射波前質(zhì)量和衍射效率，因此，要求在刻劃面積范圍內(nèi)有盡可能高的厚度均勻性，設(shè)計(jì)指標(biāo)要求為±1%。

3）鋁膜硬度。根據(jù)表1可以計(jì)算出金剛石刻刀的總刻劃行程約為17.3km，鋁膜過(guò)硬會(huì)造成金剛石刀具磨損，無(wú)法完成整塊光柵刻劃。鋁膜過(guò)軟則不易成槽，影響光柵衍射效率、雜散光等指標(biāo)，因此應(yīng)根據(jù)刻劃經(jīng)驗(yàn)選取適中的鋁膜硬度。

4）附著力。由于中階梯光柵的光柵常數(shù)較大，刻槽較深，刻劃過(guò)程中金剛石刻刀對(duì)鋁膜的作用力較大，同時(shí)鋁膜內(nèi)部存在應(yīng)力，附著力不好會(huì)造成膜層脫落，因此要求鋁膜與基底之間具有較好的附著力。

5）鋁膜表面。為保證光柵表面質(zhì)量、減小金剛石刻刀磨損，要求盡量減少鋁膜的表面疵病，如噴點(diǎn)、開(kāi)口氣泡等。

區(qū)別于普通的反射鋁膜，中階梯光柵鋁膜參數(shù)具有特殊性。較大的厚度要求較長(zhǎng)的蒸鍍時(shí)間，在蒸鍍過(guò)程中對(duì)真空度、蒸發(fā)束流、鍍膜溫度的控制是很關(guān)鍵的。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，現(xiàn)已基本掌握蒸鍍的最佳條件，鋁膜的表面、厚度、硬度、附著力等關(guān)鍵參數(shù)已經(jīng)能夠達(dá)到刻劃要求。厚度均勻性是面臨的另一關(guān)鍵參數(shù)，文中對(duì)內(nèi)徑1.1m的大尺寸中階梯光柵鍍膜機(jī)的均勻性做了研究，并設(shè)計(jì)出了具有改善均勻性功能的修正擋板。

1 鍍膜設(shè)備

蒸鍍小尺寸刻劃光柵鋁膜時(shí)，使用的是450型鐘罩式鍍膜機(jī)。這臺(tái)鍍膜機(jī)共有7組電極，其中6組用于蒸鍍鋁膜，另外一組用于蒸鍍?cè)鰪?qiáng)鋁膜與基底之間附著力的鉻膜。由于中階梯光柵所需鋁膜厚度在10μm以上，要求加在每組電極上的每一蒸發(fā)源要有足夠量的鋁供蒸發(fā)，可將3股Φ1.2mm的鎢絲拼成一股，再繞成10圈螺旋，其內(nèi)徑為10mm，每圈間隔為5mm作為蒸發(fā)源，每組鎢絲圈內(nèi)可放置2～3g鋁絲，鋁量較多。實(shí)踐證明，這種形式基本能滿足蒸鍍要求，但對(duì)于大尺寸中階梯光柵來(lái)說(shuō)，450型鍍膜機(jī)是不合適的。首先，大尺寸中階梯光柵的刻劃面積將達(dá)到520mm×420mm，450型鍍膜機(jī)無(wú)法滿足光柵的尺寸要求；其次，大尺寸中階梯光柵對(duì)鋁膜的表面、厚度均勻性和韌性有著嚴(yán)格的要求，使用450型鍍膜機(jī)鍍制鋁膜時(shí)，鋁膜的表面和致密度比較難控制，鍍制膜層的重復(fù)性不是很好。

為滿足大尺寸中階梯光柵的刻劃需要，購(gòu)置了一臺(tái)內(nèi)徑為1.1m，具備電子束和熱阻式蒸發(fā)兩種蒸發(fā)方式的鍍膜機(jī)，如圖2所示。

圖2 大尺寸中階梯光柵鍍膜機(jī)

這臺(tái)鍍膜機(jī)配備了兩臺(tái)電子槍，布置在真空室左右兩側(cè)，10組熱阻式蒸發(fā)電極底盤圓周分布。工件架為平面旋轉(zhuǎn)式，其旋轉(zhuǎn)速度可調(diào)。此外，該鍍膜機(jī)還配備了考夫曼離子源和用于監(jiān)控膜層厚度的探頭。

大尺寸中階梯光柵鋁膜采用電子束蒸發(fā)，這種方式比較容易控制鋁膜的厚度和表面質(zhì)量，同時(shí)蒸鍍的鋁膜致密性比較好，易于進(jìn)行光柵刻劃，這些條件對(duì)于大尺寸中階梯光柵的刻劃來(lái)說(shuō)都是比較關(guān)鍵的。通過(guò)大量測(cè)試，該鍍膜機(jī)的重復(fù)性能夠達(dá)到1%，鍍膜機(jī)只有在具備較好的重復(fù)性前提下才能進(jìn)行膜厚校正。

2 膜厚均勻性擋板設(shè)計(jì)原理

根據(jù)鍍膜機(jī)參數(shù)建立直角坐標(biāo)系如圖3所示。

圖3 鍍膜機(jī)坐標(biāo)系

光柵基底鋁膜所在平面為XY平面，源在該平面的投影為坐標(biāo)原點(diǎn)，基底的回轉(zhuǎn)中心在X軸上與原點(diǎn)距離為x0，源在Z軸上與原點(diǎn)的距離為z0，工件的回轉(zhuǎn)半徑為r0。

當(dāng)基底不旋轉(zhuǎn)時(shí)，基底上各點(diǎn)（x，y，0）的鋁膜蒸發(fā)速率v的函數(shù)為：

則t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的膜厚為：

以（x0，0，0）為中心，半徑為r上的鋁膜總量為：

式中：φ—— 半徑為r的圓的路徑。

當(dāng)基底以速度ω旋轉(zhuǎn)時(shí)，假設(shè)時(shí)間t足夠長(zhǎng)，則可以認(rèn)為以（x0，0，0）為中心，半徑為r上各點(diǎn)的鋁膜厚度相同，則由式（2）可得到基底旋轉(zhuǎn)時(shí)Y軸上各點(diǎn)的膜厚計(jì)算式為：

該式可用于驗(yàn)證鍍膜機(jī)的穩(wěn)定性。假設(shè)擋板的位置在回轉(zhuǎn)中心的左側(cè)，且相對(duì)Y軸對(duì)稱，以（x0，0，0）回轉(zhuǎn)中心經(jīng)過(guò)Y 軸上各點(diǎn)處的弧長(zhǎng)為l（y），則擋板的設(shè)計(jì)參數(shù)即是確定不同點(diǎn)處的弧長(zhǎng)l。由于在鍍膜過(guò)程中擋板是靜止不動(dòng)的，所以對(duì)于任意t時(shí)刻擋板上不同點(diǎn)處的鋁膜蒸發(fā)速率是不同的，弧長(zhǎng)l遮擋的總鋁膜量為：

其中，l是x和y的函數(shù)。設(shè)修正后的膜厚為h0，則

由式（2）、式（4）和式（5）可得

依據(jù)式（6），當(dāng)確定鋁膜蒸發(fā)速率函數(shù)或數(shù)值規(guī)律式（1）時(shí)，即可通過(guò)數(shù)值分析法求解出擋板各點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)l。通常，為提高鋁膜鍍制的效率擋板各點(diǎn)的弧長(zhǎng)相對(duì)光柵基底尺寸較小，因此，可假定鋁膜在弧長(zhǎng)上各點(diǎn)的蒸發(fā)速率是相同的，則式（4）可近似為：

其中，θ為弧長(zhǎng)相對(duì)回轉(zhuǎn)中心（x0，0，0）的張角，則擋板參數(shù)即是確定弧長(zhǎng)l相對(duì)于回轉(zhuǎn)中心的張角。由式（2）、式（6）和式（7）可以求得l為：

利用式（8）則可求取出擋板的輪廓曲線。

3 鍍膜機(jī)均勻性實(shí)驗(yàn)

依據(jù)設(shè)計(jì)要求，光柵的面積為520mm×420mm，另外還要陪鍍一塊面積為520mm×100mm的毛坯用于光柵試刻，因此，總鍍膜尺寸為520mm×520mm。基底中心與回轉(zhuǎn)中心重合，中心與原點(diǎn)的距離為365mm。在該布置基礎(chǔ)上，進(jìn)行光柵基底不旋轉(zhuǎn)情況下的膜厚分布測(cè)試。兩次實(shí)驗(yàn)條件相同，蒸鍍時(shí)間為2h。利用臺(tái)階儀測(cè)試X軸上等距分布的20個(gè)點(diǎn)的膜厚，各點(diǎn)間隔30mm，繪制曲線如圖4所示。

圖4 靜態(tài)膜厚測(cè)試

由圖4可以看出，兩次實(shí)驗(yàn)所鍍制出的膜厚具有很好的重復(fù)性。假設(shè)蒸發(fā)速率函數(shù)與時(shí)間不相關(guān)，并且膜厚函數(shù)在光柵基底平面上以原點(diǎn)為中心不同半徑上各點(diǎn)的蒸發(fā)速率值均相等，因此，通過(guò)圖4中曲線即可求取二維光柵基底平面上各點(diǎn)的蒸發(fā)速率。圖4中兩次曲線的均值作為該鍍膜機(jī)的膜厚曲線，采用多項(xiàng)式最小二乘法擬合膜厚曲線，多項(xiàng)式階次選取為5。計(jì)算得到擬合的膜厚曲線為：

系數(shù)a0，a1，a2，a3，a4，a5見(jiàn)表2，擬合誤差均方根和小于0.01%。

膜厚的各項(xiàng)擬合系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 膜厚的各項(xiàng)擬合系數(shù)

根據(jù)式（9）可得光柵基底的二維膜厚分布為：

繪制膜厚分布如圖5所示。

圖5 靜態(tài)條件下基底膜厚二維分布

根據(jù)圖5，利用式（3）即可求得光柵基底旋轉(zhuǎn)時(shí)的膜厚曲線。在相同條件下進(jìn)行工件旋轉(zhuǎn)情況下的厚度均勻性實(shí)驗(yàn)，對(duì)比計(jì)算與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，繪制光柵基底X軸上的膜厚曲線如圖6所示。

圖6 基底旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下X軸膜厚計(jì)算與實(shí)測(cè)對(duì)比曲線

由圖6可以看出，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，并且鋁膜厚度的均勻性誤差達(dá)到±6%，無(wú)法滿足刻劃要求，因此，必須利用膜厚修正擋板來(lái)對(duì)膜層厚度進(jìn)行修正。

4 鍍膜機(jī)擋板設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)

根據(jù)圖6測(cè)試曲線，利用式（8）和式（10）進(jìn)行修正擋板設(shè)計(jì)，光柵膜厚目標(biāo)值h0設(shè)定為12μm。計(jì)算得到擋板形狀如圖7所示。

圖7 擋板輪廓曲線

擋板安裝在遠(yuǎn)離源的X軸上，對(duì)比離源較近的一側(cè)，安裝在該側(cè)時(shí)對(duì)擋板的加工誤差和安裝誤差敏感度較低。

依據(jù)設(shè)計(jì)擋板的輪廓坐標(biāo)軌跡，采用鋁材料加工擋板。安裝擋板，在基底旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下鍍制鋁膜，測(cè)得X軸上鋁膜厚度曲線如圖8所示。

圖8 安裝擋板后X軸膜厚分布實(shí)測(cè)與計(jì)算曲線對(duì)比

從圖8中可以看出，在鍍膜機(jī)內(nèi)增加了修正擋板以后，膜層厚度均勻性有了很大的提高，降低至±0.96%，滿足大尺寸中階梯光柵刻劃對(duì)鋁膜均勻性的要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

平面夾具轉(zhuǎn)動(dòng)鍍膜機(jī)的均勻性無(wú)法滿足中階梯光柵膜層厚度均勻性的要求。在確保鍍膜機(jī)重復(fù)性的情況下設(shè)計(jì)修正擋板，實(shí)驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)的擋板明顯改善了膜層厚度均勻性，均勻性誤差從±6%降低至±0.96%，滿足520mm×520mm大尺寸中階梯光柵的刻劃需求。對(duì)比行星式夾具鍍膜機(jī)，這種方法有效降低了鍍膜機(jī)真空室尺寸，節(jié)約成本。繼續(xù)提高鍍膜機(jī)的重復(fù)性，膜層的厚度均勻性還會(huì)進(jìn)一步提高。

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