專利名稱：一種多孔氧化鋁基相位透射光柵的制備方法
技術領域：
本發明屬于光柵制備領域，特別是涉及ー種具有較大刻蝕深度、較高刻蝕效率的透射光柵的制備方法。
背景技術：
透射光柵通常是在玻璃等透明基體上刻蝕大量等間距、等寬度的平行槽或其它能起等間距地分割波陣面作用的結構所構成的。利用光的多狹縫衍射效應，它可以使光波衍射形成光束，光束由于干涉效應產生光譜。光柵經歷二百多年的研究發展后，其應用范圍已從光譜分析拓展到天文學、量子光學、集成光學、光通訊、信息處理等諸多領域。因此，現代光柵技術日益受到人們的重視。 制備大面積、高線密度衍射光柵是當前光柵的發展趨勢。隨著光柵線密度的不斷提高，其對刻蝕エ藝也提出了更高的要求。但是目前通用的光刻+干法刻蝕エ藝難以在硬質光學基片如熔融石英上高效率、低成本刻蝕出較高深寬比(刻槽深度與刻槽寬度的比值)的高線密度相位光柵。現有公開號CN101598895A的專利描述了ー種在多孔陽極氧化鋁薄膜上刻制相位光柵的方法。在上述專利中，制造相位光柵所需的多孔氧化鋁薄膜是制備在不透明的高純鋁片上。在光刻步驟之前，需要將制備完成的多孔氧化鋁薄膜從高純鋁片基底上剝離，并轉移到透明硬質光學基片上，經過光刻加工步驟才能得到多孔氧化鋁基相位光柵元件。但是，由于生長在鋁片基底上的多孔氧化鋁薄膜剝離和轉移步驟相當困難，因此難以高質量剝離和大面積轉移多孔氧化鋁薄膜用于光刻步驟，這將對后續制造的光柵質量產生了嚴重的影響。如果能在透明硬質基片上實現高效率、低成本的刻蝕高線密度相位透射光柵，就可以極大的方便上述透射光柵的制造，從而應用于現代光學儀器中。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對制備高線密度透射光柵的エ藝難點而提供一種多孔氧化鋁基相位透射光柵的制備方法，在較小的線寬下，低成本、高效率制備出較大刻蝕深度、較高刻蝕效率的相位透射光柵。本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為ー種多孔氧化鋁基相位透射光柵的制備方法，其特征在于包括以下步驟I)在透明硬質光學基片表面采用磁控濺射或化學氣相沉積方法鍍制ー層透明導電氧化物層；2)在鍍制有透明導電氧化物層的光學基片上采用濺射或蒸發的方法鍍制ー層純度大于99. 99% (wt)的高純鋁薄膜；3)將得到的高純鋁薄膜采用陽極氧化法制備成多孔氧化鋁薄膜；4)將表面附著有多孔氧化鋁薄膜的基片經清洗后晾干，采用勻膠機在多孔氧化鋁薄膜表面覆蓋ー層厚度為O. 5 I. 5 μ m的光刻膠；5)把覆蓋有光刻膠的樣品烘干，采用光刻技術將預定的光柵條紋結構刻制在樣品表面的光刻膠上；6)把樣品浸泡在磷酸溶液中進行化學刻蝕，將樣品表面光刻膠層刻有的光柵條紋結構轉移到透明導電光學基片表面的多孔氧化鋁薄膜內部；7)用有機溶劑去除表面殘留的光刻膠，經清洗后晾干得到所需的多孔氧化鋁基相位透射光柵。
作為優選，所述透明導電氧化物層為摻鋁氧化鋅透明導電氧化物層或摻氟氧化錫透明導電氧化物層或摻銦氧化錫透明導電氧化物層。作為改進，所述高純鋁薄膜的厚度為200nm 5μπι，所述多孔氧化鋁薄膜的厚度為 200nm 5 μ m。所述陽極氧化法的具體エ藝參數為電解液為O. 2 O. 4M (優選O. 3M)的草酸，氧化電壓為10 50V，氧化溫度8 12°C (優選10°C )，氧化的時間為10 60分鐘。再改進，所述光柵條紋結構的條紋間距為200nm 10 μ m。最后，所述磷酸溶液的濃度為lwt% IOwt%，所述化學刻蝕的溫度為10 50°C，刻蝕時間5 60分鐘。與現有技術相比，本發明的優點在于光刻步驟所需的多孔陽極氧化鋁薄膜是由濺射或者蒸發在透明導電氧化物層(TCO)上的高純鋁薄膜原位氧化而得到，因此，光刻之前不需要陽極氧化鋁薄膜的剝離和轉移步驟，光刻加工可以直接在附著于透明硬質光學基片上原位氧化制備的多孔陽極氧化鋁薄膜上實施。由此制造的多孔陽極氧化鋁基相位光柵面積大、光柵質量好。經化學刻蝕后，附著在透明導電氧化物層表面的多孔氧化鋁薄膜內部形成密度/折射率周期性改變的光柵條紋結構，其可以對入射光的強度和相位進行有效的分割調制，同時多孔氧化鋁薄膜中形成的光柵條紋結構深度可以達到幾個微米以上。采用本發明的制備方法可以在透明硬質基片上實現大面積、高線密度相位透射光柵的高效率低成本制造，并且容易獲得較高的相位光柵結構深度和周期之比。
圖I為本發明實施例一中相位透射光柵的制備過程示意圖；圖2為本發明實施例一中用多孔氧化鋁原位制備的相位透射光柵的掃描照片。
具體實施例方式以下結合附圖實施例對本發明作進ー步詳細描述。實施例一采用以下方法制備相位透射光柵，如圖I所示步驟I、鍍制透明導電氧化物層在透明硬質光學玻璃表面采用磁控濺射的方法制備ー層厚度為120nm的摻銦氧化錫透明導電氧化物層(ITO)；步驟2、鍍制高純鋁薄膜將步驟I中鍍制的有透明導電氧化物層(TCO)的光學基片采用磁控濺射的方法鍍制ー層純度大于99. 99%、厚度為I μ m高純鋁薄膜。步驟3、陽極氧化將步驟2中得到的濺射在透明導電光學基片表面的高純鋁薄膜采用陽極氧化法制備成多孔氧化鋁薄膜；氧化的參數為電解液為O. 3M的草酸，氧化電壓為40V，氧化溫度10°C，氧化的時間為10分鐘；在樣品表面獲得厚度為Iym的多孔氧化鋁薄膜；步驟4、勻膠將步驟3中得到的表面附著有多孔氧化鋁薄膜的基片經清洗后晾干，利用勻膠機在多孔氧化鋁薄膜表面覆蓋ー層厚度為I μ m的光刻膠；步驟5、光刻將步驟4中得到的覆蓋有光刻膠的樣品90°C烘烤3分鐘，在空氣中冷卻10分鐘后進行光刻；利用紫外光刻機，將周期間距10 μ m，空白寬度為5 μ m的等間距、等寬度的平行線條結構刻制在樣品表面的光刻膠上；步驟6、化學刻蝕將步驟5中得到的表面刻有光柵條紋結構的樣品浸泡在5wt%磷酸溶液中進行化學刻蝕。在40°C下化學刻蝕10分鐘，將樣品表面光刻膠層刻有的光柵條紋結構轉移到透明導電光學基片表面的多孔氧化鋁薄膜內部；步驟7、去除光刻膠將步驟6中得到的經化學刻蝕后樣品表面殘留的光刻膠用丙酮去除，經こ醇清洗后晾干得到相位透射光柵。 用上述方法制備的相位透射光柵，表面平整，光柵常數為ΙΟμπι左右。圖2為制備的相位透射光柵的掃描照片，(a)化學刻蝕后附著在光學基片上的多孔氧化鋁薄膜低倍掃描照片和(b)高倍掃描照片，光柵常數均為ΙΟμπι。由圖2可以看出，附著在光學基片上的多孔氧化鋁薄膜密度/折射率是周期性改變的，可以對入射光的強度和相位進行有效的分割調制。實施例ニ 采用以下方法制備相位透射光柵步驟I、鍍制透明導電氧化物層在熔融石英表面采用磁控濺射的方法制備ー層厚度為150nm的摻鋁氧化鋅透明導電氧化物層(AZO)；步驟2、鍍制高純鋁薄膜將步驟I中鍍制有透明導電氧化物層(TCO)的光學基片采用電子束蒸發的方法鍍制ー層純度大于99. 99%、厚度為5 μ m高純鋁薄膜；步驟3、陽極氧化將步驟2中得到的蒸鍍在透明導電光學基片表面的高純鋁薄膜采用陽極氧化法制備成多孔氧化鋁薄膜；氧化的參數為電解液為O. 3M的草酸，氧化電壓為50V，氧化溫度10°C，氧化的時間為35分鐘；在樣品表面獲得厚度為5μπι的多孔氧化鋁薄膜；步驟4、勻膠將步驟3中得到的表面附著有多孔氧化鋁薄膜的基片經清洗后晾干，利用勻膠機在多孔氧化鋁薄膜表面覆蓋ー層厚度為I. 5μπι的光刻膠；步驟5、光刻將步驟4中得到的覆蓋有光刻膠的樣品90°C烘烤3分鐘，在空氣中冷卻10分鐘后進行光刻；利用紫外光刻機，將周期間距3. 6 μ m，空白寬度為I. 8 μ m的等間距、等寬度的平行線條結構刻制在樣品表面的光刻膠上；步驟6、化學刻蝕將步驟5中得到的表面刻有光柵條紋結構的樣品浸泡在10wt%磷酸溶液中進行化學刻蝕。在10°c下化學刻蝕60分鐘,將樣品表面光刻膠層刻有的光柵條紋結構轉移到透明導電光學基片表面的多孔氧化鋁薄膜內部；步驟7、去除光刻膠將步驟6中得到的經化學刻蝕后樣品表面殘留的光刻膠用丙酮去除，經こ醇清洗后晾干得到相位透射光柵。實施例三采用以下方法制備相位透射光柵步驟I、鍍制透明導電氧化物層在藍寶石表面采用化學氣相沉積(CVD)的方法制備ー層厚度為250nm的摻氟氧化錫透明導電氧化物層(FTO)；步驟2、鍍制高純鋁薄膜將步驟I中鍍制有透明導電氧化物層(TCO)的光學基片采用磁控濺射的方法鍍制ー層純度大于99. 99%、厚度為200nm高純度鋁薄膜；步驟3、陽極氧化將步驟2中得到的濺射在透明導電光學基片表面的高純度鋁薄膜采用陽極氧化法制備成多孔氧化鋁薄膜；氧化的參數為電解液為O. 3M的草酸，氧化電壓為10V，氧化溫度10°C，氧化的時間為60分鐘；在樣品表面獲得厚度為200nm的多孔氧化鋁薄膜；步驟4、勻膠將步驟3中得到的表面附著有多孔氧化鋁薄膜的基片經清洗后晾干，利用勻膠機在多孔氧化鋁薄膜表面覆蓋ー層厚度為O. 5μπι的光刻膠；
步驟5、光刻將步驟4中得到的覆蓋有光刻膠的樣品90°C烘烤3分鐘，在空氣中冷卻10分鐘后進行光刻；利用紫外光刻機，將周期間距200nm，空白寬度為IOOnm的等間距、等寬度的平行線條結構刻制在樣品表面的光刻膠上；步驟6、化學刻蝕將步驟5中得到的表面刻有光柵條紋結構的樣品浸泡在lwt%磷酸溶液中進行化學刻蝕。在50°C下化學刻蝕5分鐘,將樣品表面光刻膠層刻有的光柵條紋結構轉移到透明導電光學基片表面的多孔氧化鋁薄膜內部；步驟7、去除光刻膠將步驟6中得到的經化學刻蝕后樣品表面殘留的光刻膠用丙酮去除，經こ醇清洗后晾干得到相位透射光柵。
權利要求
1.一種多孔氧化鋁基相位透射光柵的制備方法，其特征在于包括以下步驟 1)在透明硬質光學基片表面采用磁控濺射或化學氣相沉積方法鍍制一層透明導電氧化物層； 2)在鍍制有透明導電氧化物層的光學基片上采用濺射或蒸發的方法鍍制一層純度大于99. 99% (wt)的高純鋁薄膜； 3)將得到的高純鋁薄膜采用陽極氧化法制備成多孔氧化鋁薄膜； 4)將表面附著有多孔氧化鋁薄膜的基片經清洗后晾干，采用勻膠機在多孔氧化鋁薄膜表面覆蓋一層厚度為0. 5 I. 5 ii m的光刻膠； 5)把覆蓋有光刻膠的樣品烘干，采用光刻技術將預定的光柵條紋結構刻制在樣品表面的光刻膠上； 6)把樣品浸泡在磷酸溶液中進行化學刻蝕，將樣品表面光刻膠層刻有的光柵條紋結構轉移到透明導電光學基片表面的多孔氧化鋁薄膜內部； 7)用有機溶劑去除表面殘留的光刻膠，經清洗后晾干得到所需的多孔氧化鋁基相位透射光柵。
2.根據權利要求I所述的制備方法，其特征在于所述透明導電氧化物層為摻鋁氧化鋅透明導電氧化物層或摻氟氧化錫透明導電氧化物層或摻銦氧化錫透明導電氧化物層。
3.根據權利要求I所述的制備方法，其特征在于所述高純鋁薄膜的厚度為200nm-5 u m,所述多孔氧化招薄膜的厚度為200nm_5 u m。
4.根據權利要求I所述的制備方法，其特征在于所述陽極氧化法的具體工藝參數為電解液為0. 2 0. 4M的草酸，氧化電壓為10 50V，氧化溫度8 12°C，氧化的時間為10 60分鐘。
5.根據權利要求I所述的制備方法，其特征在于所述光柵條紋結構的條紋間距為200nm 10 u m。
6.根據權利要求I所述的制備方法，其特征在于所述磷酸溶液的濃度為Iwt% IOwt%，所述化學刻蝕的溫度為10 50°C，刻蝕時間5 60分鐘。
全文摘要
本發明涉及一種多孔氧化鋁基相位透射光柵的制備方法，先在透明硬質光學基片表面采用磁控濺射或化學氣相沉積的方法鍍制一層透明導電氧化物層；再采用濺射或蒸發的方法在透明導電氧化物層鍍制一層純度大于99.99％的高純鋁薄膜；然后制備成多孔氧化鋁薄膜；在多孔氧化鋁薄膜表面覆蓋一層厚度為0.5～1.5μm的光刻膠；采用光刻技術將預定的光柵條紋結構刻制在樣品表面的光刻膠上；接著進行化學刻蝕，將樣品表面光刻膠層刻有的光柵條紋結構轉移到透明導電光學基片表面的多孔氧化鋁薄膜內部；最后去除表面殘留的光刻膠，得到所需的多孔氧化鋁基相位透射光柵；采用本發明的制備方法可以在透明硬質基片上實現大面積、高線密度相位透射光柵的高效率低成本制造，并且容易獲得較高的相位光柵結構深度和周期之比。
文檔編號G03F7/00GK102681058SQ20111005840
公開日2012年9月19日 申請日期2011年3月7日 優先權日2011年3月7日
發明者崔平, 楊毅, 王彪, 許高杰 申請人:中國科學院寧波材料技術與工程研究所