基于YAG透明陶瓷制作衍射光柵元件的研究

李豪偉，龔勇清，夏侯命玖，肖孟超，羅寧寧

（1.南昌航空大學(xué) 測試與光電工程學(xué)院，江西 南昌330063；2.無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室，江西 南昌330063）

引言

近年來，透明陶瓷作為一種廣受關(guān)注的新型光功能材料［1－2］，在軍事、科研、工業(yè)和醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。具有各向同性的立方晶體結(jié)構(gòu)［3］的釔鋁石榴石（yttrium aluminum garnet，YAG）因其具有優(yōu)良的光學(xué)性能、穩(wěn)定的化學(xué)性能和良好的力學(xué)性能［4］，成為制備透明陶瓷的理想基體。相比于晶體，YAG透明陶瓷具有生產(chǎn)成本低，周期短，摻雜濃度高，光均勻性好，耐熱沖擊性好，可大批量生產(chǎn)等優(yōu)點［5］，使其成為性能優(yōu)良的激光工作物質(zhì)。同時，YAG透明陶瓷的諸多優(yōu)點也使其成為二元光學(xué)器件的理想載體。而目前國內(nèi)鮮有對該方面的報道。因此，進一步拓寬YAG透明陶瓷作為結(jié)構(gòu)材料和功能材料［6］的應(yīng)用的研究顯得尤為重要。

作為光學(xué)儀器核心單元器件之一的衍射光柵，在幾乎所有的光學(xué)工程應(yīng)用中，無論是現(xiàn)代國防科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，還是普通的工業(yè)領(lǐng)域，都顯示出越來越重要的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景［7］。隨著光柵元件應(yīng)用的不斷深入，對其性能的要求也逐漸提高。使得衍射光柵具有在特殊環(huán)境下工作的性能成為近來研究的熱點。衍射光柵是利用標(biāo)準(zhǔn)的大規(guī)模集成電路生產(chǎn)工藝制作的，它分為加法和減法兩種工藝途徑［8－9］。加法工藝又稱薄膜沉積法［10］，分為物理氣相沉積（physical vapor deposition，PVD）和化學(xué)氣相沉積。磁控濺射鍍膜是最重要的PVD方法，其原理是：稀薄氣體在異常輝光放電產(chǎn)生的等離子體在電場的作用下，對陰極靶材表面進行轟擊，使靶材表面的分子、原子、離子及電子等濺射出來，被濺射出來的粒子帶有一定的動能，沿一定的方向射向基體表面，在基體表面形成鍍層。相比于蒸鍍技術(shù)，磁控濺射鍍膜技術(shù)的優(yōu)點在于低溫高速，且濺射束流的能量更大，較好地消除原子在基片上的松散性，增加結(jié)合力，使得薄膜更加致密［11］，更好地發(fā)揮基材的特性優(yōu)勢。

本研究結(jié)合二元光學(xué)理論和光刻技術(shù)，研究并制作了以YAG透明陶瓷為基底材料的衍射光柵元件。鑒于YAG透明陶瓷本身的物化性質(zhì)和磁控濺射技術(shù)的特點，實驗采用磁控濺射技術(shù)在陶瓷表面形成鉻層再進行光刻工藝。這種技術(shù)的優(yōu)點在于將金屬鉻濺射到Y(jié)AG透明陶瓷上，兩者緊密結(jié)合，為同時發(fā)揮透明陶瓷和衍射光柵的優(yōu)點提供了有利的條件。因此，本研究項目對擴展衍射光柵元件和YAG透明陶瓷的應(yīng)用具有重要的理論意義和實踐價值，使其具有更為廣闊的應(yīng)用前景。

1 實驗

本實驗采用四川南光真空設(shè)備公司的接觸式曝光技術(shù)在YAG透明陶瓷上制作衍射光柵。接觸式曝光系統(tǒng)原理圖如圖1所示。該系統(tǒng)的光源為365nm的汞燈光源，實驗所用的光刻膠是對該波長的光敏感的RZJ-304型光刻膠。由汞燈出射的光經(jīng)過擴束準(zhǔn)直等一系列光束整形后，等光強的照射在掩模版上，并以基片均勻涂覆光刻膠的一面緊貼掩模版有浮雕結(jié)構(gòu)的一面，保證圖形轉(zhuǎn)移后保真度的最大化。再經(jīng)過曝光、顯影和刻蝕等光刻步驟，最終獲得帶有衍射光柵的YAG透明陶瓷樣品。實驗中所用基片為中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所提供的YAG透明陶瓷，在可見光和紅外波段擁有優(yōu)異的光學(xué)性能，直線透過率都在80%以上，特別是在波長為1 064nm的紅外區(qū)透過率達到85%，實物如圖2所示。由于YAG透明陶瓷具有良好的機械性能和物理化學(xué)性能，傳統(tǒng)光刻工藝中的干法、濕法刻蝕方法很難將光刻膠中的圖形轉(zhuǎn)印到透明陶瓷中，這是本實驗面臨的最大挑戰(zhàn)。為解決此難題，本實驗采用加法工藝中的磁控濺射鍍膜技術(shù)，在YAG透明陶瓷表面濺射一層金屬鉻膜再結(jié)合刻蝕工藝獲得衍射光柵。實驗中采用中國科學(xué)院沈陽科學(xué)儀器研制中心有限公司生產(chǎn)的超高真空磁控濺射鍍膜系統(tǒng)，以純度為99.95%的高純鉻為濺射靶材，在YAG透明陶瓷上濺射一層致密的金屬鉻膜，使其形成硬掩模。實驗中，借助光學(xué)輪廓儀對YAG透明陶瓷上的衍射光柵進行分析。采集了該樣品在波長為1 064nm的半導(dǎo)體激光器重現(xiàn)下的衍射圖樣。

圖1 接觸式曝光系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle diagram of contact photolithograph system

圖2 實驗用YAG透明陶瓷實物圖Fig.2 Photograph of YAG transparent ceramics

2 結(jié)果與討論

借助磁控濺射鍍膜系統(tǒng)，在直流濺射電源功率為25W并以純度為99.95%的高純鉻為濺射靶材的條件下，對YAG透明陶瓷濺射60s后，獲得表面鍍有金屬鉻的YAG透明陶瓷，實物如圖3所示。樣品表面平整光亮，說明金屬鉻膜厚度均勻，鍍膜成功。在金屬鉻的表面均勻旋涂一層光刻膠，厚度約為1μm。利用接觸式曝光系統(tǒng)將掩模板中的圖形結(jié)構(gòu)通過曝光的方式轉(zhuǎn)印到光刻膠中。被曝光的光刻膠發(fā)生分解并釋放出羧酸，使得該部分光刻膠在顯影液中可溶。實驗用顯影液的濃度為3.5‰的NaOH溶液，刻蝕液的組成成分為硝酸鈰銨（Ce（NH4）2（NO3）6）200g，濃度為98%的醋酸（CH3COOH）35ml，去離子水1 000ml。

圖3 鍍有金屬鉻膜的YAG透明陶瓷Fig.3 Photograph of YAG transparent ceramics with chrome film

基于光柵的結(jié)構(gòu)和鉻膜溶解性等多方面考慮，經(jīng)過反復(fù)試驗，光刻最優(yōu)參數(shù)如表1所示。

表1 光刻參數(shù)表Table 1 Photolithograph process parameters

在經(jīng)過曝光、顯影后，借助美國KLA-Tencor公司的光學(xué)輪廓儀觀察光刻膠中的浮雕結(jié)構(gòu)并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

經(jīng)過顯影后的光柵結(jié)構(gòu)細節(jié)圖如圖4所示。由圖4可以看出，光刻膠中光柵結(jié)構(gòu)完整清晰，與掩模板內(nèi)的浮雕結(jié)構(gòu)相同，沒有出現(xiàn)扭曲等變形。造成圖中亮色白點的原因可能是個別尖銳顆?；蛟肼曅盘査?。輪廓儀在掃描過程中，由于光波很短，對外界環(huán)境的要求很高，當(dāng)外界有微小震動或者微塵時都會產(chǎn)生圖中的個別凸起，或者是該部分反射率非常高，讓計算機產(chǎn)生誤判導(dǎo)致激凸。輪廓儀可以通過選擇2個不同的臺階，來測量器件的高度差，由圖中“Delta Z”可知該高度差為1.020μm，即代表光刻膠的厚度。由圖4可以清楚看出臺階的變化十分規(guī)則，代表光柵結(jié)構(gòu)完好。

圖4 顯影后光柵細節(jié)參數(shù)圖Fig.4 Parameters of diffractive grating after developing

經(jīng)過刻蝕并去膠后的光柵結(jié)構(gòu)細節(jié)圖如圖5所示。由該圖可知光柵在YAG透明陶瓷上的鉻層中的形貌特征以及相應(yīng)參數(shù)。由微觀圖以及曲線圖可以直觀地觀察到光柵結(jié)構(gòu)較好地保留在了YAG透明陶瓷上的鉻層中，結(jié)構(gòu)完整。由參數(shù)表可知，刻蝕后鉻膜層的厚度為0.072μm。該厚度的鉻膜層能夠較好地起到光阻作用。在完成該步驟后，光柵結(jié)構(gòu)得以永久保留并且與YAG透明陶瓷成為結(jié)合牢固的整體。

圖5 鉻層中光柵細節(jié)參數(shù)圖Fig.5 Parameters of diffractive grating after etching

圖6 是通過輪廓儀進一步放大所獲得的局部三維圖像，便于進一步分析。圖中，光柵的方孔結(jié)構(gòu)邊緣清晰，刻蝕效果良好。而方孔的邊角并不是如掩模板直角那樣，而是具有一定的圓角的倒梯形結(jié)構(gòu)。這是因為濕法刻蝕具有各向同性的特點，在樣品浸入刻蝕液后，刻蝕劑沿球面擴展。濕法刻蝕很難實現(xiàn)理想情況下的垂直切面，由于受到刻蝕液濃度和溫度的影響，最終只能得到側(cè)壁坡度盡可能小的結(jié)構(gòu)，這是工藝所不可避免的問題。但是，該問題并不影響光柵的性能，大部分光柵結(jié)構(gòu)得到很好地轉(zhuǎn)印與保留，三維圖像很好地證明了這一點。

圖6 光柵微觀三維圖Fig.6 3D graph of diffractive grating

借助光學(xué)輪廓儀從微觀結(jié)構(gòu)證實衍射光柵結(jié)構(gòu)被成功刻在透明陶瓷的表面，實驗進而采用更為直觀的方法驗證其實際衍射效果。以波長為1 064nm的半導(dǎo)體激光器重現(xiàn)其衍射效果，實際效果如圖7所示。激光經(jīng)位于陶瓷樣品表面上的光柵衍射后，出射的光點大小對稱且光強均勻，光柵級次得以完好展現(xiàn)，證明陶瓷上的光柵元件符合設(shè)計要求。

圖7 實際樣品衍射圖Fig.7 Diffraction patterns of final sample

綜上所述，以YAG透明陶瓷為基材的衍射光柵元件可由此方法成功獲得，微觀結(jié)構(gòu)和衍射效果都說明該方法的可行性。實驗中所研制的光柵為透射光柵，以正交光柵為模板。由表2可知，對實驗中帶有正交光柵的YAG透明陶瓷樣品進行測試，光柵的衍射光強分布與模板一致，相對光強無變化。但由表3可看出，經(jīng)過透明陶瓷后，光功率會有所衰減。

表2 YAG透明陶瓷相對衍射強度參數(shù)表Table 2 Relative diffraction intensity parameters

表3 透過率參數(shù)表Table 3 Transmittance parameters

傳統(tǒng)基底材料一般有硅片、合金和玻璃，其特點如下：

硅片是光刻領(lǐng)域使用最為廣泛的基底材料，其優(yōu)點是重量輕。但是硅片的缺點在于只能做反射式元件，硅的莫氏硬度為7，且容易斷裂，在制備元件時必須十分小心；另外硅片易于與酸發(fā)生反應(yīng)，不能應(yīng)用于酸性環(huán)境。

合金作為一種高硬度的基底材料同樣存在著諸多不足：只能作反射式材料，重量大，易于酸堿發(fā)生反應(yīng)。雖然可以通過摻雜其他元素金屬來提高其化學(xué)性能，但很難使其整體得到完善。

玻璃，也是光刻領(lǐng)域中較為廣泛的基底材料。其優(yōu)點在于透光性好，其透過率在80%以上，且重量輕。但普通玻璃軟化溫度在500～600℃，而且脆度大，易于酸發(fā)生反應(yīng)，很難在高溫、高強度或者酸堿環(huán)境下得到良好的應(yīng)用。

通過實驗，相比于傳統(tǒng)基底光柵，YAG透明陶瓷作為基底材料的優(yōu)勢如下：

YAG透明陶瓷莫氏硬度為9，并且該硬度可以維持到900℃，具有優(yōu)良的抗磨損性能，不易脆斷。在該方面只有合金材料能和透明陶瓷相比，但合金重量較大。YAG透明陶瓷有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，常溫下不與酸堿發(fā)生反應(yīng)，這是上述3種基底材料無法比擬的。YAG透明陶瓷的熔點在1 970℃，大大高于普通玻璃的軟化溫度。YAG透明陶瓷因有良好的透過率，即可做透射式元件又可作反射式元件（無閃耀角設(shè)計）。硅片和合金只能做反射式元件，且硅片的反射率約為40%，合金更低。玻璃同樣可作透射式元件又可作反射式元件，與透明陶瓷在功能上相同。實驗中進一步在可見光到紅外波段對兩種材料的透過率進行測試。由表3可看出，在可見光波段，玻璃的透過率優(yōu)于YAG透明陶瓷；在紅外波段，玻璃的透過率低于YAG透明陶瓷，在2個波段上兩種材料的透過率近似。實驗光柵采用同一光柵常數(shù)的正交光柵，但YAG透明陶瓷在機械強度、高溫、脆度等方面優(yōu)于玻璃。綜上所述，YAG透明陶瓷是一種更為全面的新型基底材料，相比于傳統(tǒng)基底材料，基于YAG透明陶瓷制作的衍射元件能夠應(yīng)用在高溫、高強度和酸堿環(huán)境中，在高溫窗口、紅外探測、發(fā)光介質(zhì)、半導(dǎo)體行業(yè)具有潛在的應(yīng)用價值。

3 結(jié)論

當(dāng)磁控濺射系統(tǒng)功率為25W，對YAG透明陶瓷濺射60s的情況下，可在陶瓷表面沉積厚度不超過0.1μm的金屬鉻，形成硬掩模。該鉻層均勻致密，與YAG透明陶瓷結(jié)合牢固，合為一體。借助紫外接觸式曝光系統(tǒng)對陶瓷進行光刻。經(jīng)過反復(fù)試驗，在曝光時間為20s，顯影時間為110s，刻蝕時間為30s的條件下，可在YAG透明陶瓷上成功獲得最佳光柵結(jié)構(gòu)。借助光學(xué)輪廓儀可知，衍射光柵保留在陶瓷表面厚度約為0.072μm的鉻層中，結(jié)構(gòu)完整清晰。在波長為1 064nm的半導(dǎo)體激光重現(xiàn)下，陶瓷上的光柵衍射效果良好，證明了該實驗的可行性。本實驗拓展了YAG透明陶瓷作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用范圍，不僅限于作為激光材料應(yīng)用。鑒于傳統(tǒng)光刻基底材料對環(huán)境適應(yīng)性存在不足的現(xiàn)狀，成功將YAG透明陶瓷引入微光刻領(lǐng)域，其優(yōu)異的物化性能使得衍射光柵可以在更為復(fù)雜的環(huán)境中，例如高溫、高強度、酸堿環(huán)境中發(fā)揮更大的作用，具有重要的實踐價值。

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