全息離子束擺動刻蝕凸面閃耀光柵制備技術(shù)

仲健魁，黃元申,3，倪爭技,3，徐邦聯(lián)，張大偉,3

（1.上海理工大學 教育部光學儀器與系統(tǒng)工程研究中心，上海 200093；2.上海理工大學 上海市現(xiàn)代光學系統(tǒng)重點實驗室，上海 200093；3.上海光學儀器研究所，上海 200093）

引 言

傳感器在獲得目標地物圖像的同時，也能獲得反映地物特點的連續(xù)、光滑的光譜曲線。這種既能成像又能獲得目標光譜曲線的“譜像合一”的技術(shù)，稱為成像光譜技術(shù)[1]。成像光譜儀是成像光譜技術(shù)得以實現(xiàn)的實物載體，它是以多路的連續(xù)的并具有高光譜分辨率方式獲取圖像信息的一種新型傳感器[2]。按照分光原理的不同可以將其分為棱鏡色散型、光柵衍射型、濾光片型、干涉型以及計算層析型[3]。光柵衍射型成像光譜儀是利用光柵的衍射功能來獲取目標物的光譜，傳統(tǒng)以平面光柵和凹面光柵為分光元件的光柵衍射型成像光譜儀的主要限制因素是當系統(tǒng)孔徑大時，會產(chǎn)生較大的光學畸變、高衍射級次的雜散光等，這嚴重影響了光譜的純度并限制了后期數(shù)據(jù)處理算法的精確度[4]。

凸面光柵成像光譜儀在20世紀80年代末期被提出以來，得到衍射效率高的凸面光柵是使成像光譜儀性能顯著上升的關(guān)鍵因素，因為受到當時凸面光柵制作水準的限制，凸面光柵成像光譜儀剛開始并沒有獲得普遍使用，到90年代中期隨著離子束刻蝕法等凸面光柵技術(shù)的成熟發(fā)展，凸面光柵開始被國外研究機構(gòu)、實驗室等廣泛應(yīng)用于光譜成像儀上。1987年，Kwo等[5]最先提出了以O(shè)ffner同心分光結(jié)構(gòu)為架構(gòu)的凸面光柵成像光譜儀，此設(shè)備用凸面光柵作色散元件，結(jié)構(gòu)簡單，易實現(xiàn)大孔徑但是有像散；1999年，Chrisp[6]對其結(jié)構(gòu)作了改善，凸面光柵成像光譜儀的成像水平得到大幅度提升；意大利的伽利略電子航空公司Galileo Avionica于1995年成功研發(fā)出全球首臺凸面光柵超光譜成像儀（visual and infrared mapping spectralmeter, VIMS）[7]，并用在了Cassini號土星探測器上；美國國家航空航天局（NASA）與歐洲航天局[8]于1996年研發(fā)出以分區(qū)凸面光柵為核心元件的，搭載VIRTIS-M光學系統(tǒng)的可見紅外成像光譜儀-VIRTIS，將其放置在Rosetta號探測器上，用來勘測與追蹤天文彗星；美國海軍實驗室與美國國家全息有限公司于1998年研制一種凸面光柵高光譜成像儀[9]，光學頻譜范圍較廣，從可見光至近紅外線，該儀器所應(yīng)用的凸面光柵是155條/mm，其閃耀角約為5°，在上述光譜范圍中能夠獲取均值超過50%的衍射效率，這個光譜儀被用在了海洋環(huán)境勘察檢測上。1998年，Mouroulis等[10]制造了凸面同軸成像光譜儀，光學頻譜范圍覆蓋到400～2 500 nm，其中400～1 000 nm內(nèi)利用光柵的第二級衍射光，相對于衍射效率最高數(shù)值能夠達到85%，而1 000～2 500 nm范圍內(nèi)利用光柵的第一級衍射光，相對于衍射效率最高數(shù)值能夠達到88%，其光柵的閃耀角被控制在不超過2°。2007年，Lucke[11]研制了一種非標準的Offner結(jié)構(gòu)凸面光柵成像光譜儀，其色散發(fā)生在“平面之外”，該光譜儀入射狹縫與凸面光柵刻線和光學主平面呈平行關(guān)系，而其色散方向與光學主界面呈垂直關(guān)系，該結(jié)構(gòu)能將系統(tǒng)Seidel相差消除。2009年，Whyte等[12]報道了一種用于大氣中差分光吸收光譜的凸面光柵光譜儀的結(jié)構(gòu)。蘇州大學在2010年進行了可見光波段的凸面閃耀光柵的研制和應(yīng)用研究[13]，通過全息離子束刻蝕方法實現(xiàn)了凸面閃耀光柵的研制，其光柵關(guān)鍵參數(shù)為口徑35 mm，曲率半徑72 mm，閃耀角4.3°，空間頻率200 mm-1，位于400～800 nm光學頻譜范圍內(nèi)時，它的一級絕對衍射效率皆不低于35%，最高的衍射效率逼近55%；2012年，中科院長春光機所劉玉娟等[4]進行了凸面光柵成像光譜儀的研制與應(yīng)用研究，通過全息方法設(shè)計制作出凸面矩形槽光柵，并將制作出的凸面光柵用作核心器件制成了光譜分辨率為2.1 nm的便攜式成像光譜儀，其色畸變?yōu)?.6%，光譜曲線彎曲為0.09%。

以凸面閃耀光柵為核心分光元件的凸面光柵成像光譜儀具有成像質(zhì)量高，無譜線彎曲，無梯形畸變，光譜響應(yīng)函數(shù)一致均勻，結(jié)構(gòu)緊湊簡單等優(yōu)點，可以獲得高分辨率的光譜圖像[14]，在航空航天、遙感技術(shù)、大氣環(huán)境探測等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用[15-16]。輪廓分為兩種：矩形槽形輪廓（Laminar光柵）和鋸齒槽形輪廓（閃耀光柵），槽形是決定凸面光柵衍射效率高低的重要參數(shù)之一，Laminar光柵制作相對簡單但衍射效率偏低，凸面閃耀光柵雖制作較復雜但衍射效率偏高[17]，在光譜儀里被普遍使用。制作凸面光柵的方法主要有：電子束直寫法、X射線光刻法、機械刻劃法、全息離子束刻蝕法等。

傳統(tǒng)機械刻劃法通常用于面積較大的平面光柵與曲率半徑較大的羅蘭（凹面）光柵制作，使用其來制作凸面光柵還有一些困難。該方法理論上能夠制作凸面閃耀光柵，但在現(xiàn)實的刻劃過程中，凸面基底上槽形的一致性并不能得到保證，特別是對于大曲率、閃耀角較小的凸面光柵基底來說，其對刻劃刀刀架的控制精度與允許形變量的要求極高。通過刻劃法制作的光柵的刻槽是由先后刻劃產(chǎn)生，這種時間上的先后順序就會造成周期性和隨機性位移誤差，并可能導致鬼線產(chǎn)生。2017年，Xu等[18]利用單晶金剛石在摩爾納米技術(shù)350FG刻劃機器上（金剛石車削法）制作凸面閃耀光柵，該光柵基底材料選擇的是黃銅C46400，相比鋁鎳等其它材料能在不嚴重磨損工具的情況下，產(chǎn)生周期性、變槽形結(jié)構(gòu)的凸面光柵。電子束刻劃法在光柵槽形設(shè)計上具有極高的靈活性，理論上可通過此方法在光柵基底上制造出任意結(jié)構(gòu)的槽形。電子束刻蝕光柵還具有雜散光低、波前質(zhì)量高等優(yōu)點，但是因為此方法是先通過使用數(shù)個臺階近似光柵的槽面，然后對每個這樣的臺階用不同計量的電子束實行逐行掃描曝光，接著顯影制作出光柵，所以電子束刻劃法消耗時間長、成本高，而且其凸面矢高小于4 mm，即存在著基底尺寸與曲率受限的瑕疵，也存在鬼線。X射線光刻法相對于電子束直寫法，一樣可以制造出設(shè)計要求全部滿足的槽形結(jié)構(gòu)，且其過程較靈活，基本沒有鬼線，在制作周期大的光柵過程中不會受到基底曲率限制的優(yōu)點。但是可以作為其曝光光源的X射線光源太過稀少[19]。2003年，JPL實驗室的Wilson等[20-21]分別介紹了通過電子束直寫法和X射線光刻法制作凸面光柵的方法，其制作出的凸面光柵衍射效率較高，分別達到了90%和88%。

本文主要對凸面閃耀光柵全息離子束刻蝕制備技術(shù)展開介紹。全息離子束刻蝕法是光柵制造領(lǐng)域最常用的方法之一，全息光柵是利用干涉曝光將干涉條紋記錄在基底表面的光刻膠膜層上，并通過顯影使光刻膠膜層轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂兄芷谛钥臻g結(jié)構(gòu)的掩模圖樣而制成的。之后用離子束刻蝕全息光刻膠光柵掩模，將掩模圖樣轉(zhuǎn)移到基底上，就得到了全息離子束刻蝕光柵[22]。由于全息離子束刻蝕光柵的刻槽是利用干涉現(xiàn)象同時產(chǎn)生的，而不像刻劃光柵的刻槽是先后刻劃產(chǎn)生，所以并不存在隨機性和周期性位移誤差，即不會有鬼線產(chǎn)生。當離子束以90°角垂直入射到光柵基片時刻蝕出的為矩形光柵；當離子束以一定角度于光柵基片斜入射時刻蝕出的是閃耀光柵（鋸齒型）。與其他方法相比，全息離子束刻蝕光柵具有不受面型和尺寸限制、刻蝕表面清晰、無沽污、輪廓陡直、低雜散光、槽形傾角可控、高信噪比、完全無鬼線、制造周期短等優(yōu)點。

1 全息離子束刻蝕凸面光柵制備技術(shù)

所謂全息技術(shù)[23]，首先根據(jù)干涉原理記錄目標的光波信息，接著再根據(jù)衍射原理使目標光波信息重現(xiàn)。全息光柵的制作原理是：兩束具有特定波面形狀的光束干涉，在記錄平面上形成亮暗相間的干涉條紋，用全息記錄介質(zhì)記錄干涉條紋，經(jīng)處理得到全息光柵[24]。選擇相異的波面形狀或相異的全息記錄介質(zhì)或相異的處理過程能夠獲取不同用途、不同類型的全息光柵（比如矩形光柵、閃耀光柵、平面光柵、凹面光柵、凸面光柵等），圖1為全息光柵記錄光路原理圖。1967—1968年德國的魯?shù)婪颉⒎▏睦惱锏仁状螌⑷⒓夹g(shù)應(yīng)用于光柵制作中，使用Ar離子激光器在涂有光刻膠的基底上制作出全息光柵[25]。

圖1 一種全息光柵記錄光路Fig.1 A holographic grating recording optical path

離子束刻蝕技術(shù)是從20世紀70年代起隨著固體器件向亞微米級線寬方向發(fā)展而興起的一種超精細加工技術(shù)[26]，全息離子束刻蝕就是由于離子束蝕刻技術(shù)的興起，再輔以全息曝光技術(shù)而形成的制備光柵的一種方法。1976年日本籍科學家Aoyagi等[27]提出了通過氬離子束斜入射刻蝕正弦形光刻膠光柵掩模來制作閃耀光柵的方法，以一種特定入射角度，使氬離子束轟擊基底與光柵掩模，根據(jù)離子束被掩摸遮擋的效果，讓其有序地刻蝕基底的不同位置，光刻膠光柵掩模被刻蝕待盡后，就可以在基底原料上出現(xiàn)閃耀槽形。1979年，Johnson等[28]用氬離子束刻蝕GaAs、SiO2等為襯底材料的閃耀光柵，詳細研究了光柵槽形輪廓的演變過程，對其槽形剖面形狀及離子束刻蝕全息光柵工藝進行了詳盡的剖析。離子束掠入射角度與離子束對石英、K9玻璃、光刻膠等材料的刻蝕速率相關(guān)，可通過調(diào)整掠入射角度的數(shù)值來改變其刻蝕速率，進而獲取不同的閃耀角。另外，通過更換不同的離子束來改善刻蝕選擇比，進而獲取更加理想的閃耀槽形。

全息離子束刻蝕光柵大致過程為：首先，利用全息光刻法制造出光柵掩模；然后，通過離子束刻蝕在光柵基片材料上得到目標槽形。全息離子束刻蝕光柵的制作過程涉及多步工藝，如圖2所示，一般包括基片處理、光刻膠涂布（涂膠）、前烘、全息曝光、顯影、后烘、離子束刻蝕、清潔處理及鍍膜等制作步驟[29]。圖3是各步驟具體槽形圖。上述流程中的全息曝光和顯影是用來形成光刻膠光柵掩模（浮雕圖形），光刻膠光柵掩模由于離子束刻蝕轉(zhuǎn)移到了光柵基底材料中，選取適當?shù)碾x子束工作參數(shù)和入射角度，通過一些時間對光刻膠光柵掩模的刻蝕后就可以獲得目標光柵槽型。由此可知全息曝光、顯影與離子束刻蝕為全息離子束刻蝕光柵最為重要的工藝步驟。

圖2 全息離子束刻蝕光柵工藝流程圖Fig.2 Process flow chart of holographic ion beam etching grating

圖3 全息離子束刻蝕工藝關(guān)鍵流程Fig.3 Key process of holographic ion beam etching

占寬比與槽深是反映光刻膠掩模槽形的主要參數(shù)，影響光刻膠掩模槽形的原因較多，比如烘烤時間和溫度、甩膠速度、曝光時間、曝光光強、波長和對比度、干涉條紋的穩(wěn)定性、顯影的時間和溫度、顯影液的濃度等[30]都會影響光刻膠掩模槽形的最終形狀。即曝光與顯影工藝步驟對光刻膠掩模槽形的優(yōu)劣是十分重要的。

得到良好的光刻膠掩模是離子束刻蝕制作高質(zhì)量衍射光柵的關(guān)鍵，所以控制和檢測光刻膠掩模槽形就顯得十分重要。一是因為若控制掩模槽形就能控制它的衍射效率（占寬比與槽深能決定光柵的衍射效率）；二是由于曝光量必須限定在光刻膠的線性范圍內(nèi)，需要曝光量正比于光刻膠刻蝕深度?，它的槽形必須最大限度滿足正弦浮雕形狀，這樣才能制出質(zhì)量高的全息像；三是保證槽底要無殘膠；最后，只有實現(xiàn)了滿足要求的光刻膠光柵掩模（掩模具有合適的占寬比與槽深），才能制成理想的離子束蝕刻光柵。在刻蝕的時候?qū)τ诓灰粯拥幕撞牧希湔紝挶扰c槽深的要求是不同的[31]。許多科研機構(gòu)采用顯影實時監(jiān)測[32]當作控制顯影時間的關(guān)鍵手段與方法。

2 全息離子束刻蝕閃耀凸面光柵擺動刻蝕

由于受到凸面基底槽形的影響，當傳統(tǒng)的全息離子束蝕刻法制作凸面光柵時，其表面的閃耀角會不一致，制作小閃耀角光柵時會有一部分凸面基底不能被蝕刻。圖4是傳統(tǒng)的離子束蝕刻閃耀光柵原理圖，樣品臺是水冷的以防止樣品受熱，并且樣品臺可以傾斜以控制選擇合適的離子束角度θ。長春光機所沈晨等進行的實驗中[19]，離子束掠射角為3.472 8°，凸面光柵基底尺寸與曲率半徑之比為0.427 1。制作出的凸面光柵其閃耀角變化范圍為0?～9.47°，整個波段上的平均衍射效率低于20%。由此可知，傳統(tǒng)的平動離子束刻蝕方法遠遠不能滿足凸面光柵設(shè)計需要，無法制作出閃耀角一致性好、衍射效率高的小閃耀角凸面光柵。所以克服子午方向上閃耀角一致性問題的光柵制作技術(shù)（即擺動刻蝕工藝）是十分重要的。

圖4 傳統(tǒng)平動離子束刻蝕示意圖Fig.4 Schematic diagram of traditional parallel ion beam etching

1） 2018年中科院長春光機所沈晨等采用了一種能夠?qū)崿F(xiàn)高效、精確控制、高穩(wěn)定性離子束刻蝕的曲面光柵離子束刻蝕機，運用擺動刻蝕法制作出高性能的凸面閃耀光柵。該刻蝕機的三維工作臺如圖5所示，由L形立式工作臺、X-Y兩維滑臺和θ軸水平旋轉(zhuǎn)臺等組成[33-36]，該機不僅能夠通過掃描運動完成刻蝕平面光柵，還能通過三維擬合的擺動刻蝕完成刻蝕凸面等曲面光柵。二維直線（x與y方向）運動方式和一維（θ軸）轉(zhuǎn)動運動方式是這個工作臺自身可以進行的，再利用圓弧擬合算法[37-38]將三個維度擬合實現(xiàn)工作臺所需的圓周運動，使光柵基底進行擺動運動并對其分段刻蝕，最終完成整個凸面光柵刻蝕。圖6呈現(xiàn)了該工作臺刻蝕凸面光柵時的原理：開始時工作臺由序號1位置（O1初始位置）運動至序號2位置（O2待刻蝕位置），接著在序號2位置與序號3位置之間運用三個維度的擬合進行來回的圓周運動，從而使光柵做擺動刻蝕，其中點O為凸面光柵運動軌跡的圓心。該方法需要較高的工作臺的定位精度，離子束入射角的調(diào)整精度，擺動半徑的調(diào)整精度和擺動速度的調(diào)整精度。通過建立簡單的擺動刻蝕幾何模型，將該實驗必須的擺動刻蝕工藝參數(shù)計算出來，分析討論了這些工藝參數(shù)（束縫寬度、擺動速度等）對槽形演化有何影響，最終通過此擺動刻蝕技術(shù)成功地制造出槽形較優(yōu)的，閃耀角為2.2°，刻線密度為45.5mm-1，曲率半徑為156.88 mm，基底尺寸為67 mm的凸面閃耀光柵，在位于900～2 500 nm光學頻譜范圍內(nèi)該光柵的峰值衍射效率高達90%[19]。

圖5 三維工作臺結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of 3D worktable

圖6 凸面光柵“擺動”刻蝕工作臺示意圖Fig.6 Schematic diagram of convex grating"swing" etching stage

圖7 離子束刻蝕制作凸面閃耀光柵原理圖Fig.7 Schematic diagram of convex blazed grating fabricated by ion beam etching

3） 2014年蘇州大學程漁等考慮到考夫曼離子源產(chǎn)生的離子源都不是絕對準直的，會存在一定的束散角，其存在導致刻蝕凸面閃耀光柵閃耀角無法進一步減小，為減輕束散角對刻蝕過程的影響，在原有擺動刻蝕設(shè)備的基礎(chǔ)上，新增加一層擋板在光柵上方進行遮擋刻蝕[40]，如圖8所示。通過這種方法制作出閃耀角為3.4°的凸面閃耀光柵，相比不進行遮擋刻蝕方法閃耀角再次降低。通過對閃耀角大約4°的凸面閃耀光柵在光刻膠涂覆時進行旋轉(zhuǎn)涂布或提拉涂布光刻膠來進一步降低閃耀角，進而改善光柵的閃耀槽形。光刻膠涂覆時采用旋轉(zhuǎn)涂布的方法制作出的凸面閃耀光柵閃耀角為1.85°、反閃耀角為11.1°；光刻膠涂覆時采用提拉涂布的方法制作出的凸面閃耀光柵閃耀角為1.81°、反閃耀角為12.7°。

圖8 離子束刻蝕制作凸面閃耀光柵（加2層擋板）Fig.8 Fabrication of convex blazed grating by ion beam etching（with 2 layers of baffles）

凸面光柵由于其基板形狀的特殊性，具有高衍射效率、良好閃耀角一致性的凸面光柵想要通過全息離子束蝕刻技術(shù)制作出來仍然是非常困難的。因為受到曲面基底曲率的影響，在使用傳統(tǒng)的離子束刻蝕裝置制作凸面光柵過程中，光柵的表面不同位置上的閃耀角會有變化，變化方向是沿曲面的，這就產(chǎn)生了閃耀角的不一致現(xiàn)象；如果是制作閃耀角比較小的凸面光柵，由于曲面基底遮擋住離子束，所有區(qū)域并不是全部被刻蝕。以上的現(xiàn)象會導致傳統(tǒng)的全息離子束刻蝕方法制作出衍射效率過低的曲面光柵，根本達不到使用要求。分段刻蝕法存在邊界槽形誤差，槽形曲面并不連續(xù)。因為在擺動刻蝕過程中，離子束相對于凸面光柵的子午方向的任意位置，其入射角都相等且轟擊接觸的時間也都相等，所以光柵的表面子午方向上每一位置的閃耀角都一致；而又當離子束掠射角很?。ú怀^8°）時，光柵表面弧矢方向的閃耀角變化幅度原本就非常小，這對使用光譜內(nèi)的衍射效率基本無影響。也就是說，擺動刻蝕能夠克服傳統(tǒng)刻蝕方法所帶來的上述問題。

3 結(jié) 論

獲取高性能高分辨率成像光譜儀的重要方式是制備出衍射效率很高的凸面閃耀光柵，因為相比較于傳統(tǒng)的成像光譜儀，在用凸面閃耀光柵作重要分光器件之后，其成像光譜儀擁有高成像質(zhì)量，沒有梯形畸變，沒有譜線彎曲，光譜響應(yīng)函數(shù)一致均勻，結(jié)構(gòu)緊湊簡單等優(yōu)點，在航天遙感軍事農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景。通過分析各種凸面光柵的制備方法（機械刻劃法、電子束直寫法、X射線光刻法、全息離子束刻蝕法）的優(yōu)缺點，發(fā)現(xiàn)通過全息離子束刻蝕方法制作的凸面閃耀光柵有著不受曲面形狀限制，雜散光低，信噪比高，完全沒有鬼線，制造周期短等優(yōu)點，在凸面光柵制作界獲得普遍應(yīng)用。但若使用傳統(tǒng)的離子束刻蝕設(shè)備刻蝕凸面閃耀光柵時由于凸面幾何形狀（曲面基底曲率的影響）的限制，造成所得光柵閃耀槽形閃耀角不一致，反閃耀角不高的缺點，進而導致凸面光柵的衍射效率降低。針對上述問題，各類研究機構(gòu)與高校提出了擺動刻蝕工藝，克服了子午方向上的閃耀角不一致的現(xiàn)象，研制出了閃耀角低的光柵，大幅度提高凸面閃耀光柵衍射效率。對于全息離子束擺動刻蝕凸面閃耀光柵，擺動速度過大或過小雖會影響工作臺穩(wěn)定性與電機運動精度，但在合適的范圍內(nèi)擺動速度對刻蝕時間與槽形演化并沒有影響；對于束縫寬度，當束縫寬度小于臨界寬度時，束縫寬度越大，總刻蝕時間會縮短，進而提高工作效率，束縫寬度不影響最終的光柵槽形輪廓。當束縫寬度大于臨界寬度時，刻蝕結(jié)束后槽形的閃耀角會增大，槽形輪廓頂部會出現(xiàn)平臺，衍射效率會因閃耀角增大發(fā)生明顯的降低，且束縫寬度越大，衍射效率越低，即過寬的束縫引起的閃耀角增大和槽形變差嚴重影響光柵的衍射效率。綜合考慮刻蝕均勻性、穩(wěn)定性與工作效率，在離子束擺動刻蝕凸面閃耀光柵時應(yīng)選取適中的擺動速度和稍小于臨界值的束縫寬度為宜?，F(xiàn)階段通過直接的刻蝕得到小閃耀角的凸面光柵其閃耀角與理論計算值還有一定的差距，其實驗步驟、制作工藝是否可以得到進一步完善改進還需更深層次研究。

4 展 望