全息光栅掩模图形转移理论模型及新工艺研究

【摘要】：全息光栅作为光谱仪器的核心光学元件，其设计制造技术水平直接决定了光谱仪器的性能。与传统的机械刻划光栅相比，全息光栅具有完全无鬼线、高信噪比、制造周期短、光栅面型多样和易制成大面积等诸多优点。离子束刻蚀技术的发展进一步推动了全息光栅的发展，全息光栅与离子束刻蚀技术的成功结合，极大地提高了全息光栅的衍射效率。但是，对全息光栅掩模进行离子束刻蚀是源自离子源的离子与光刻胶及光栅基底粒子碰撞发生溅射的过程，建立预测性的全息光栅掩模离子束刻蚀图形转移理论模型，对离子束刻蚀工艺进行理论指导十分必要。大深宽比光栅掩模的离子束刻蚀图形转移是全息光栅制作中的难题之一，大气CO2探测项目却急需此类大深宽比光栅，探索离子束刻蚀图形转移新工艺已迫在眉睫。宽波段全息光栅在光谱分析领域具有使仪器结构简单、使用便捷等独特优势，如何在同一块光栅上制作出不同闪耀角的全息离子束刻蚀光栅是光栅领域的前沿课题。本文围绕全息光栅掩模图形转移理论模型及新工艺进行了研究。第一，在分析全息离子束刻蚀物理过程基础上，建立了以特征曲线法为依据的光栅掩模图形转移理论模型，对全息光栅掩模图形转移过程进行数值模拟，并以三角形、矩形、梯形等槽形光栅为例，模拟了光栅槽形的形成过程。第二，依据光栅掩模图形转移理论模型，给出了大气CO2探测仪器用可见-近红外SiC基底全息光栅的设计和制作方法，通过研究离子束刻蚀和反应离子刻蚀相结合的混合刻蚀方法，解决了高深宽比SiC基底图形转移中的氩、氧、三氟甲烷等反应气体的配比、离子束刻蚀速率比、刻蚀速率比与光栅槽深关系等关键技术，并通过物理抛光和化学抛光技术对掩模及光栅刻槽粗糙度进行处理，使可见—近红外SiC基底全息光栅粗糙度降低至20%。第三，提出了宽波段全息光栅槽形参数分段设计方法，给出利用宽波段全息光栅槽形参数优化光栅衍射效率的计算模型，采用分段、分步离子束刻蚀技术，在同一光栅基底上分区制作了位相相同但闪耀角不同的宽波段闪耀光栅，研制了200nm~900nm宽波段全息离子束刻蚀光栅。