基于光刻胶热熔法的全息光栅表面粗糙度平滑处理VIP免费

收稿日期:2006206202基金项目:“十一五”国家科技支撑计划重大项目资助(2006BAK03A02);中国科学院知识创新工程青年基金资助项目(Q05J03Z)作者简介:李文昊(1980-),男,内蒙古赤峰人,博士研究生,目前主要从事平面以及凹面全息光栅的设计、离子束刻蚀的研究工作。文章编号:100328213(2007)0120011204基于光刻胶热熔法的全息光栅表面粗糙度平滑处理李文昊1,2,巴音贺希格1,齐向东1(11中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033;21中国科学院研究生院,北京100039)摘要:根据表面热动力学原理提出了一种成本低廉、制作周期短、易于实现的光刻胶热熔法,阐述了光刻胶热熔法的基本原理,探讨了光刻胶热熔对光刻胶光栅表面刻槽形状的影响。实验中,分别对经过和未经过热熔处理的光刻胶光栅做了离子束刻蚀。结果表明,利用表面张力作用可使熔融状态下的光刻胶光栅刻槽表面变得平滑,粗糙度降低,并且成功地在K9玻璃基底上得到了槽形较好的全息光栅。关键词:全息光栅;光刻胶热熔法;离子束刻蚀;原子力显微镜中图分类号:TN30517文献标识码:A1引言在全息光栅曝光过程中,由于光强分布的不均匀性、光学元件的缺陷以及光路中的杂散光等因素的影响,造成光刻胶光栅刻槽表面粗糙不平,并且出现“搭桥”现象,如果用这种表面的光刻胶光栅作为掩模版进行离子束刻蚀,就会将这些缺陷直接复制到表面浮雕光栅上,严重影响光栅的性能[1]。虽然可以采用反应离子刻蚀法对光刻胶光栅表面刻槽进行平滑处理,但是这种方法的成本较高,制作周期较长[2-3]。光刻胶热熔法具有制作周期短、成本低、效率高等优点,因而成为近些年研究的热点[4-7]。光刻胶热熔法对于制作微透镜来说是一种有效的方法,如果选择适当的加热参数,在表面张力的作用下便形成了球冠结构的微透镜阵列。Z1D1Popovic[8]描述了这种方法,他们使用标准的照相平板印刷技术生成圆柱形“孤岛”,然后进行热熔得到半球状的外形。由于全息光栅与微透镜的制作工艺具有相似之处,能否将这种技术移植到全息光栅的制作过程中呢?本研究进行了尝试,目的就是对全息光栅的表面粗糙度进行平滑处理。本文详细叙述了实验过程,并且通过原子力显微镜测量了所得结果,验证了这种方法的可行性。2实验原理由于光刻胶熔化过程中表面张力的作用,光刻胶的表面积将减至最小值,以使其表面能量达到最小。考虑到表面的热动力学效应,一个液滴会在与其接触的固体表面呈现出某一确定的接触角,这滴液体会保持稳定的平衡状态,此时液体表面能量最低并处于亚稳定平衡状态。这些对于熔化状态的光刻胶与玻璃基底的界面是完全成立的,此时光刻胶刻槽截面通常为圆弧形。在平衡状态下,一个液滴与光滑、均匀、平坦、无形变的固体基底表面之间的平衡接触角(如图1所示)可由Young’s方程描述[9]TALcosθ=TSA-TLS其中,θ是接触角,TAL是液体与周围气体界面的表第1期2007年2月微细加工技术MICROFABRICATIONTECHNOLOGY№11Feb1,2007面张力,TSA是固体基底与周围气体界面的表面张力,TLS是固体基底与液体界面的表面张力。很明显,光刻胶与基底的接触角是一个常数,它仅与光刻胶的化学成分、周围气体以及基底的性质有关。图1接触角的平衡状态3实验方案实验主要包括基片预处理、涂胶、前烘、曝光、显影、后烘、热熔、离子束刻蚀、清洁处理、镀膜等几个过程。实验中采用旋转法进行甩胶,即将正性光刻胶溶液(ShipleyAZ1805)滴在基片上,然后通过离心旋转获得均匀、一致的光刻胶薄膜,其厚度与光刻胶的浓度和基片的旋转速度有关。将光刻胶与配套的稀释溶剂按体积比4∶1进行混合,甩胶速度为3000r/min,时间为30s,就可以保证膜厚的一致性和大量溶剂的挥发。图2为全息曝光的实验装置。由图可以看到,从Kr离子激光器发出的激光分别经平面镜M1、针孔滤波器、凹面反射镜、平面镜M2和平面镜M3后形成两束平行光束,这两束光以一定的夹角2θ相遇,形成干涉场,这个干涉场就是所要用到的曝光区。如果将涂有光刻胶的光栅基底放置在干涉场中,那么记录在基底表面的条纹间距d为d=λ2nsinθcosδ图2全息曝光光路图式中,λ是入射光波长,n是记录空间的折射率,θ为两相干光束夹角的一半,δ为基底法线与两光束夹角的角平分线之间所成的角。在实验中,使用的...