[发明专利]一种自支撑单级衍射光栅的制作方法

说明书

技术领域

本发明属于衍射光栅的制作领域，具体涉及一种用作谱仪分光元件或者单色器波长分离/选择的自支撑单级衍射光栅的制作方法。

背景技术

单级衍射光栅是一种光透过率呈正弦变化的光学衍射元件，具有高衍射效率和优异的单级衍射性能等优点，使其在惯性约束聚变激光等离子体诊断与光谱分析测试等领域具有重要的应用价值。

目前单级衍射光栅的制作方法主要为电子束光刻和X射线光刻。首先，利用电子束光刻制作单级衍射光栅的微结构；然后将此光栅作为掩膜版，采用X射线光刻进行光栅结构复制，便可制得大面积的单级衍射光栅。该过程结合了电子束光刻高分辨率、图形生成能力以及X射线光刻较高效率、极强穿透能力等优点。专利号为CN200410081499.X的《量子点阵衍射光栅》介绍了单级衍射量子点阵光栅的设计发明过程，其最后采用的制作方法是电子束光刻与X射线光刻，但是此光栅线密度较低，而且采用了聚酰亚胺作衬底，对入射的X光有较强的吸收，在实际应用中有一定的限制。而且，电子束光刻与X射线光刻涉及一系列诸如光刻胶旋涂、显影、定影、化学腐蚀以及残胶去除等一些繁琐的工艺。因此，工艺复杂、造价高、周期长、制作难度大等缺点俨然成为了该方法推广应用的主要制约因素。

发明内容

本发明的目的是提供一种自支撑单级衍射光栅的制作方法，它采用聚焦离子束直写技术根据光栅设计图形直接在自支撑金属吸收体薄膜上加工出镂空的单级衍射光栅，该过程是在一个系统中一次性完成，具有分辨率高、生产效率高、吸收体厚度大、可自支撑以及实用价值高等优点。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种自支撑单级衍射光栅的制作方法，其制作过程依次包括如下步骤：

步骤a：吸收体材料选择  选择金、镍、钨、铜等金属材料做吸收体材料；

步骤b：光栅吸收体制备  采用物理或化学沉积法在单晶硅基底上沉积一层吸收体薄膜；

步骤c：刻蚀溶液配制  将氢氧化钠、去离子水按一定比例混合；

步骤d：硅基底刻蚀  将镀有金膜的单晶硅片放置于步骤c所配制的刻蚀液中；

步骤e：自支撑吸收体的实现  硅基底完全腐蚀完后，吸收体薄膜自支撑在中心带有通孔的硅片底上；

步骤f：热处理  将自支撑的吸收体薄膜连同硅基底用去离子水清洗后转移到真空干燥箱中进行干燥处理；

步骤g：光栅制作  将步骤f中制备好的吸收体薄膜置于聚焦离子束系统中，使样品垂直于聚焦离子束，导入光栅的设计图形，聚焦离子束系统根据光栅设计图形进行加工，实现光栅图形的转移，在吸收体薄膜上获得一定面积的光栅结构；

步骤h：光栅面积扩大  通过精确的样品平移，重复步骤g，扩大光栅有效面积。

所述一种自支撑单级衍射光栅的制作方法，其所述的步骤a中光栅吸收体为金、镍、钨、铜等金属材料，吸收体材料的厚度在300纳米到800纳米之间。

所述的一种自支撑单级衍射光栅的制作方法，其所述的步骤b中刻蚀液的技术参数为：

氢氧化钠                40g

去离子水                            100mL

所述的一种自支撑单级衍射光栅的制作方法，其所述的步骤f中热处理过程中的技术参数为：

温度                                   45℃

时间                                   4h

所述的一种自支撑单级衍射光栅的制作方法，其所述的步骤g中光栅设计图形为黑白位图。

所述的一种自支撑单级衍射光栅的制作方法，其所述的步骤g中目标线密度为1000线/毫米时的技术参数为：

离子束电压              30kV

离子束电流              96pA

目标线密度为2000line/mm时的技术参数为：

离子束电压              30kV

离子束电流              48pA

目标线密度为3000line/mm时的技术参数为：

离子束电压              30kV

离子束电流              9.7pA

所述的一种自支撑单级衍射光栅的制作方法，其所述的步骤h中每一次样品平移后都需要聚焦。