無縫光譜儀用紫外透射閃耀光柵的制作?

陳智文 王雅楠 蔡茂琦 陳火耀 劉正坤 邱克強 洪義麟

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實驗室合肥 230029)

1 引言

依托于空間站的建設(shè),我國開始發(fā)展大規(guī)模多色測光與無縫光譜巡天項目[1].巡天觀測是對天體進行普查,通過使用大視場望遠鏡對天空進行覆蓋式觀測;空間巡天克服了大氣的影響,可以達到比地面觀測更高的角分辨率,同時可觀測波長范圍覆蓋到近紅外波段,另外空間巡天克服了重力的作用,儀器不會發(fā)生形變.無縫光譜巡天是在望遠鏡的焦面附近放置光譜儀,利用天體的光譜,可確定其化學(xué)組成、溫度、壓力、密度、磁場和運動速度等物理條件.無縫光譜儀結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高,被廣泛應(yīng)用于空間探測[1–4].

無縫光譜儀作為光譜巡天的重要組件,其觀測波長范圍是255–1000 nm,平均光譜分辨率≥200,最小光譜分辨率≥180.色散元件的選取在滿足寬波段以及光譜分辨率的前提下,還要盡可能地提高色散效率以及成像質(zhì)量.結(jié)合無縫光譜組件與望遠鏡光路的位置關(guān)系,我國空間站多色測光與無縫光譜巡天項目選用透射光柵作為色散元件.使用時入射光以固定角度在光柵背面色散,對準精度低.通過將3組工作在不同波段內(nèi)的光柵GU (紫外)、GV (可見光)、GI (紅外)以設(shè)計的角度拼接在一起,插入望遠鏡焦面前的會聚光路中,實現(xiàn)寬波段無縫光譜觀測.光柵每組8塊,共24塊,GU、GV、GI對應(yīng)的工作波長范圍分別是255–420 nm、400–650 nm、620–1000 nm,線密度分別為333、235和150 lines/mm[4].

對于可見光以及近紅外波段,美國哈勃空間望遠鏡(HST)采用HORIBA Jobin-Yvon(HJY)生產(chǎn)的復(fù)制光柵[5–6],通過刻劃的方式制作出母版,選取高透射率的轉(zhuǎn)印膠進行復(fù)制,最終獲得用于可見光以及紅外波段的透射閃耀光柵[7–8].復(fù)制光柵技術(shù)無法用于紫外波段,因為無高透射率的轉(zhuǎn)印膠.全息-離子束刻蝕技術(shù)[9–13]無需轉(zhuǎn)印復(fù)制,通過全息干涉光刻獲得光刻膠光柵掩模,離子束刻蝕進行圖形轉(zhuǎn)移,可直接在基底表面獲得浮雕光柵.基底材料選用熔融石英,其透過率好、穩(wěn)定性高;全息形成的圖形無鬼線,雜散光低.優(yōu)化計算表明,閃耀光柵結(jié)構(gòu)可滿足要求,但是其透射衍射效率對槽形參數(shù)變化較為敏感.2016年,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)董圣為等[9]通過全息-離子束刻蝕技術(shù)制作了線密度為360 lines/mm、閃耀角為16.8°和線密度400 lines/mm、閃耀角分別為35°和43°的3種透射閃耀光柵,實測衍射效率可達理論值的75%以上,但是工作中未解決沉積物等問題,無法精準控制槽形與閃耀角度.

本文針對無縫光譜巡天的設(shè)計需求,通過全息-離子束刻蝕技術(shù)制作了線密度為333 lines/mm、閃耀角分別為13.2°和10.5°的閃耀光柵;分析了刻蝕過程中產(chǎn)生的沉積物成分,提出了利用CHF3和O2混合的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單一氣體刻蝕,去除刻蝕中產(chǎn)生的沉積物;探索有無沉積物情況下槽形以及閃耀角度的變化,制作了峰值衍射效率可達理論值88%以及92%的紫外透射閃耀光柵.

2 實驗方法

采用全息-離子束刻蝕技術(shù)制作閃耀光柵,其流程如圖1所示,利用高速旋涂法在石英表面獲得厚度均勻的光刻膠涂層,如圖1 (a);全息干涉光刻獲得周期?、占寬比f的光刻膠光柵掩模,如圖1 (b);利用CHF3作為工作氣體的反應(yīng)離子束垂直刻蝕光刻膠光柵掩模,將圖形轉(zhuǎn)移至熔融石英基底上,形成梯形槽掩模,如圖1 (c),也稱同質(zhì)掩模;離子束傾斜刻蝕石英同質(zhì)掩模,獲得閃耀光柵槽形,如圖1 (d).圖1 (c)與(d)的中間過程如圖2所示,虛線為同質(zhì)掩模初始輪廓,實線為傾斜離子束轟擊之后的掩模位置,此時離子束刻蝕采用CHF3和O2的混合氣體作為工作氣體,新增的O2本身不對熔融石英基底產(chǎn)生刻蝕作用,但是可有效去除被同質(zhì)掩模所遮擋的陰影區(qū)域處的沉積物,通過調(diào)節(jié)離子束入射角與同質(zhì)掩模參數(shù),理論上可獲得任意閃耀角度的閃耀光柵.同質(zhì)掩模參數(shù)選取應(yīng)確保傾斜離子束刻蝕下高度與寬度同時收縮完成且初始位置處離子束的投影截至點落在圖2的B點.其中高度可在光刻膠光柵掩模圖形轉(zhuǎn)移時控制,寬度可通過對光刻膠光柵掩?；一痆14]以及對同質(zhì)掩模進行氫氟酸腐蝕控制.

圖1 閃耀光柵的制作流程Fig.1 Production process of blazed grating

傾斜刻蝕中,利用同質(zhì)掩模對離子束的遮擋作用,使槽底不同位置暴露在離子束中的時間不同,如圖2.將離子束與槽底的截至點定義為A點,A點右側(cè)部分完全暴露在離子束轟擊當中,左側(cè)部分被同質(zhì)掩模所“庇護”,隨著同質(zhì)掩模高度的下降,左側(cè)部分會逐漸暴露在離子束的轟擊當中,左右兩側(cè)受到不同通量的的離子束轟擊,形成了有坡度的面,當掩模高度與寬度同時收縮完成時,即完成了閃耀光柵的刻蝕.

圖2 同質(zhì)掩模演化過程Fig.2 The evolutionary process of homogeneous masks

閃耀角與離子束入射角之間是存在關(guān)聯(lián)的,離子束入射角定義為離子束入射方向與基底法線方向的夾角,建立兩者之間的幾何關(guān)系可為后續(xù)刻蝕提供參數(shù)指導(dǎo).實驗中將同質(zhì)掩模的輪廓看成由一連串節(jié)點連接而成的線段構(gòu)成,暴露在離子束轟擊下的輪廓沿著垂直于線段的方向移動,線段與離子束入射方向的夾角不同,其移動速率也會存在差異[15–19],如圖2所示,其中,Vs(φ)、Vs(φ+θs)分別表示同質(zhì)掩模的頂部以及閃耀面的移動速率,θs、φ、α分別表示閃耀角、離子束入射角以及同質(zhì)掩模側(cè)壁傾角.分析截至點A的實際意義,以此建立閃耀角與離子束入射角之間的橋梁,其含義為:一方面表示被同質(zhì)掩模所遮擋的離子束與槽底的交界處,A點的左移速率由同質(zhì)掩模高度的下降速率決定;另一方面A點表示閃耀面與槽底的相交之處,閃耀面部分繼續(xù)往下轉(zhuǎn)移會帶動截止點A的左移.因此,兩者存在如下關(guān)系:

基于(1)式,對閃耀角分別為13°、10°,線密度為333 lines/mm的紫外透射閃耀光柵,設(shè)計離子束入射角分別為69°、76.5°,同質(zhì)掩模參數(shù)分別為高度733 nm、半高寬800 nm與高度650 nm、半高寬700 nm.

3 結(jié)果分析

通過上述全息-離子束刻蝕技術(shù)制作了紫外透射閃耀光柵,對刻蝕中產(chǎn)生的沉積物進行了分析,并通過新增O2的方式去除了沉積物的影響,雙路氣體混合刻蝕的方式使得不同離子束入射角情況下的閃耀角與理論值更加接近.

3.1 沉積物的分析

飛行時間二次離子質(zhì)譜儀(TOF SIMS)通過聚焦的一次離子束穩(wěn)定轟擊樣品表面,獲得待測材料的濺射原子、分子和原子團,并按照質(zhì)荷比實現(xiàn)質(zhì)譜分離,從而可以得知樣品表面和本體的元素組成和分布.

為了實驗觀測的方便,通過傾斜刻蝕周期為20μm的同質(zhì)掩模獲取帶有沉積物的中間刻蝕狀態(tài),對該狀態(tài)進行TOF SIMS分析,進一步得到樣品表面的±SIMS質(zhì)譜圖以及面分布信息,結(jié)果如圖3、圖4所示.圖3橫坐標表示質(zhì)荷比,縱坐標表示檢測器收到的離子數(shù)目,圖3 (a)表示在相同能量下測試裸石英基底以及帶有沉積物的光柵基底的正離子質(zhì)譜圖,通過組分相減的方式分析得出沉積物的主要成分,+SIMS質(zhì)譜圖的特征離子譜峰m/z顯示出沉積物主要有C、CF、CF3等,圖4 (a)為正離子的面分布信息,Si與SiOH分布在光柵表面上,這與我們采用熔融石英基底相吻合,C、CF、CF3、C3H3OF、C2H3等分布在光柵側(cè)壁處,即圖2中標注的陰影區(qū)域處;由于石英的導(dǎo)電性弱,在測試負離子質(zhì)譜圖時,采用不同能量轟擊,找到最佳狀態(tài),測試了帶有沉積物狀態(tài)下以及裸石英基底下的?SIMS質(zhì)譜圖,如圖3 (b)所示,觀察C、O、F、Si的含量比例,結(jié)果表明沉積物中負離子F含量較多,圖4 (b)的負離子面分布信息也證明了此事實,?SIMS mapping中氟離子含量較多的區(qū)域所處的位置正是掩模側(cè)壁處,沉積物易堆積的區(qū)域.

圖3 沉積物±SIMS質(zhì)譜圖Fig.3 The ±SIMS spectra of deposits

圖4 沉積物±SIMS面分布Fig.4 The ±SIMS mapping of deposits

綜合±SIMS質(zhì)譜圖,CHF3傾斜刻蝕過程中產(chǎn)生的沉積物主要是碳氟有機物,因此采用新增O2的方式來去除碳氟有機物,其去除效果如圖5所示,圖5 (a)、(b)分別為不通O2與通O2情況下刻蝕中間過程的槽形,對比可知,陰影區(qū)域里的碳氟有機物可以與O2充分反應(yīng),使得沉積物不會對原本的同質(zhì)掩模產(chǎn)生影響,因此可以更精準地預(yù)測槽形演化以及控制閃耀角度.

圖5 有無O2情況下的刻蝕中間過程的槽形對比Fig.5 Comparison of groove shapes in etching process with and without oxygen

3.2 新增O2刻蝕對槽形以及閃耀角的改善

對高度為733 nm、半高寬為800 nm以及高度為650 nm、半高寬為700 nm,線密度均為333 lines/mm的同質(zhì)掩模以69°和76.5°離子束入射角入射,圖6為光柵不通O2與通O2情況下的對比,沒有O2的情況下,刻蝕過程中產(chǎn)生的沉積物無法去除,會逐漸堆積在陰影區(qū)域處,阻礙離子束對槽底的刻蝕,掩模的頂部以及迎著離子束的側(cè)壁在轟擊過程中逐漸縮小,直至高度低于沉積物堆積的高度,即出現(xiàn)圖6 (a)、(c)的槽形,朝向反閃耀面的位置出現(xiàn)一個臺階,導(dǎo)致槽形缺陷;圖6 (b)、(d)為通O2去除沉積物影響下的最終槽形,符合槽形演化預(yù)期,成功刻蝕出13.2°、10.5°閃耀角的紫外透射閃耀光柵.

圖6 有無O2情況下的最終刻蝕槽形對比Fig.6 Comparison of final etched groove shape with and without oxygen

沉積物的影響不僅僅體現(xiàn)在槽形上,還表現(xiàn)在對閃耀角度的控制精度上.在(1)式中,我們以離子束的刻蝕速率為基礎(chǔ),建立了離子束入射角與閃耀角的關(guān)系,但是由于沉積物的形態(tài)、沉積速率、刻蝕速率都不可控,并且與同質(zhì)掩模一樣起到了遮擋離子束的效果,因此會對閃耀角的形成產(chǎn)生影響,導(dǎo)致實際形成角度與設(shè)計預(yù)期有偏差.此偏差需要大量的實驗數(shù)據(jù)積累,從而統(tǒng)計出誤差值范圍,在確定沉積物成分之后,通過增加O2的方式,成功去除了沉積物,使得最終閃耀角與離子束入射角的關(guān)系更加符合理論公式.實驗對比了有無O2情況下得到的閃耀角與理論設(shè)計值的偏差,結(jié)果如表1所示.

表1 有無O2情況下實測閃耀角與理論值的偏差Table 1 Deviation between theoretical value and measured blazing angle with and without oxygen

去除沉積物影響下的閃耀角與設(shè)計閃耀角更加接近,但還是存在偏差,這主要是受到離子束固有的發(fā)散性質(zhì)影響,由于離子束非完全準直,會導(dǎo)致理論公式中的離子束入射角產(chǎn)生偏差,表現(xiàn)在最終閃耀角的變化上.當然,也包括一些測試的誤差,比如原子力探針的測試偏差等.

3.3 衍射效率

通過上述方法,在熔融石英基底上制作了閃耀角13.2°、10.5°,線密度均為333 lines/mm的透射式閃耀光柵,有效尺寸為50 mm×20 mm,光柵線條方向平行于短邊.入射角3.8°下測試兩類光柵在255–420 nm和200–400 nm波段的+1級衍射效率,并與嚴格耦合波方法計算得出的理論衍射效率進行比對,其隨波長變化結(jié)果如圖7所示.

圖7 線密度為333 lines/mm,閃耀角度為13.2°、10.5°的光柵+1級衍射效率理論值與實測值的對比Fig.7 Comparison of the theoretical and experimental values of +1 diffraction efficiency of the grating with 333 lines/mm linear density and 13.2° and 10.5° blazing angle

通過上圖可以看出,實際制作的閃耀光柵其峰值效率分別可達理論值的88%以及92%,這是由于理論計算的衍射效率未考慮光柵槽形粗糙度以及仿真過程中用嚴格的三角形作為閃耀光柵的幾何模型,忽略了實際槽形中可能存在的圓角等缺陷的原因.

4 結(jié)論

本文通過全息反應(yīng)離子束刻蝕的方法制作了紫外透射閃耀光柵,利用TOF SIMS對離子束刻蝕中產(chǎn)生的沉積物進行了分析,±SIMS質(zhì)譜圖和±SIMS mapping表明沉積物主要是碳氟有機物;改善工藝后用CHF3和O2的混合氣體作為工作氣體,來替代傳統(tǒng)的單一氣體刻蝕,達到了在線去除沉積物的效果;文章中探索了有無沉積物情況下,閃耀槽形以及閃耀角度的變化,結(jié)果表明去除了沉積物的影響后,可避免槽形出現(xiàn)朝向反閃耀面的臺階現(xiàn)象,閃耀角度的控制也更加符合理論計算,運用此方法成功制作了閃耀角為13.2°、10.5°,線密度均為333 lines/mm的紫外透射閃耀光柵,其峰值衍射效率可達理論值的88%以及92%,達到了預(yù)期目標,為無縫光譜巡天紫外波段色散元件的選取提供了參考.下一步工作重點將針對實際投入使用的大尺寸光柵進行全息離子束加工,解決由于離子束固有的發(fā)散性質(zhì)導(dǎo)致的槽形均勻性問題,制作出衍射效率高且均勻的無縫光譜儀用紫外透射閃耀光柵.