一種以透明陶瓷為基底材料制作二元光學(xué)元件的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種以透明陶瓷為基底材料制作二元光學(xué)元件的方法，具體涉及一種二元光學(xué)元件材料，屬于光學(xué)材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的微光刻基底材料為硅基底材料、普通光學(xué)玻璃等，這些材料存在著某些不足:只能在可見光范圍內(nèi)適用；有的材料本身不透明，脆性大，無法用作透射式器件；有的材料熔點(diǎn)低，硬度低，無法應(yīng)用于高溫、高壓、高強(qiáng)度的環(huán)境中；有的材料重量大，不利于器件的輕量化……而透明陶瓷材料具有相對這些傳統(tǒng)材料更多的優(yōu)點(diǎn):耐高溫，耐高壓，耐腐蝕，高硬度，在可見光和紅外波段均有良好的透過率，能成為優(yōu)良的光刻基底材料。
[0003]近年來，透明陶瓷作為一種廣受關(guān)注的新型光功能材料，在軍事、科研、工業(yè)和醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。具有各向同性的立方晶體結(jié)構(gòu)的釔鋁石榴石(YttriumAluminum Garnet, YAG)因其具有優(yōu)良的光學(xué)性能、穩(wěn)定的化學(xué)性能和良好的力學(xué)性能，成為制備透明陶瓷的理想基體。相比于晶體，YAG透明陶瓷具有生產(chǎn)周期短，光均勻性好，耐熱沖擊性好，能批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，使其成為性能優(yōu)良的激光工作物質(zhì)。同時(shí)，YAG透明陶瓷的諸多優(yōu)點(diǎn)也能使其成為二元光學(xué)器件的理想載體，而目前國內(nèi)未有該方面的技術(shù)報(bào)道。因此，進(jìn)一步拓寬YAG透明陶瓷作為結(jié)構(gòu)材料和功能材料的應(yīng)用的研宄顯得尤為重要。
[0004]作為精密光學(xué)儀器核心單元器件之一的衍射二元光學(xué)元器件(如光柵等分光器件)，在許多光學(xué)工程應(yīng)用中，都顯示出越來越重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。隨著二元光學(xué)元器件應(yīng)用的不斷深入，對其性能的要求也逐漸提高，使得二元光學(xué)元器件具有在特殊環(huán)境下工作的性能成為近來研宄的熱點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明公開了一種以透明陶瓷為基底材料制作二元光學(xué)元件的方法。用透明陶瓷取代了傳統(tǒng)光刻工藝中的基底材料。通過磁控濺射系統(tǒng)在透明陶瓷表面濺射一層致密的金屬膜，使得金屬膜與透明陶瓷結(jié)合牢固，借助接觸式光刻系統(tǒng)將掩模板中的光柵結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印到金屬膜中，使得二元光柵結(jié)構(gòu)長久保留在透明陶瓷面上。本發(fā)明提出了一種新型光刻基底材料，相比于普通玻璃、硅片等傳統(tǒng)基材，透明陶瓷為基底材料制作的二元光學(xué)元件的優(yōu)勢表現(xiàn)在:耐高溫，耐高壓，耐腐蝕，高硬度，在可見光和紅外波段均有良好的透過率。
[0006]本發(fā)明一種以透明陶瓷為基底材料制作二元光學(xué)元件的方法，其特征在于:采用未摻雜的釔鋁石榴石透明陶瓷用作二元光學(xué)元件的基底材料，工藝流程:包括透明陶瓷表面處理、磁控濺射鍍膜、旋轉(zhuǎn)涂膠、前烘、曝光、后烘、顯影、堅(jiān)膜、刻蝕和去膠工序。
[0007](I)透明陶瓷表面處理拋光后的透明陶瓷表面分別用酒精檫拭、超聲波清洗5分鐘，水洗后再進(jìn)行干燥處理。
[0008](2)磁控濺射鍍膜經(jīng)表面處理的透明陶瓷置于磁控濺射爐中鍍金屬鉻膜，真空度控制在10_4Pa后，通入氬氣，調(diào)節(jié)電流為0.4A，濺射電壓為0.38KV，透明陶瓷預(yù)濺射2?5分鐘移開擋板后，濺射60?120秒，再經(jīng)氬氣鈍化處理3分鐘后冷卻至70°C以下，得到與透明陶瓷緊密結(jié)合的致密金屬鉻薄膜。
[0009](3)旋轉(zhuǎn)涂膠
鍍鉻膜的透明陶瓷先在1000轉(zhuǎn)/min條件下旋轉(zhuǎn)10秒，然后在3900轉(zhuǎn)/min的條件下旋轉(zhuǎn)20秒，使光刻膠均勻粘附在透明陶瓷鉻膜表面，光刻膠的厚度控制在1.0 μπι。
[0010](4)前烘
將涂膠的鍍鉻透明陶瓷在90?100°C，烘3?5分鐘。
[0011](5)曝光
將透明陶瓷帶有光刻膠的一面與掩模板兩者緊密疊在一起，通過接觸式光刻裝置，曝光15?25秒。
[0012](6)后烘
將已曝光的透明陶瓷在100?110°C，烘烤2?3分鐘。
[0013](7)顯影
后烘處理的透明陶瓷在鈉黃光的環(huán)境下顯影，顯影液為質(zhì)量濃度3.5%。的NaOH溶液，顯影溫度20±1°C，顯影30?50秒，并用溫度接近但不超過30°C的溫水定影，將掩模板中的二元光學(xué)元件微結(jié)構(gòu)以光刻方式轉(zhuǎn)移到透明陶瓷上的光刻膠中。
[0014](8)堅(jiān)膜
將顯影后的透明陶瓷在100?110°C烘干處理2分鐘。
[0015](9)刻蝕
采用濕法刻蝕，采用200g硝酸鈰銨、質(zhì)量濃度為98%的醋酸35ml和去離子水100ml混合配成的溶液對堅(jiān)膜處理的透明陶瓷進(jìn)行化學(xué)刻蝕，刻蝕溫度20±1°C，刻蝕時(shí)間50?70秒，將光刻膠上的圖像轉(zhuǎn)移到透明陶瓷上的致密的鉻金屬膜層中。
[0016](10)去膠
采用溶劑去膠，在室溫的條件下，將刻蝕后的鉻版放在質(zhì)量濃度為5%的NaOH溶液中浸泡I分鐘以內(nèi)，去除透明陶瓷表面的光刻膠，得到帶有二元光柵結(jié)構(gòu)的透明陶瓷。
[0017]所述的金屬鉻膜中鉻的純度99.99%，與透明陶瓷表面緊密結(jié)合的均勻致密的金屬鉻膜厚度為150?300nmo
[0018]所述的接觸式光刻裝置包括高壓汞燈紫外光源，擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡組、掩模板、三維微位移調(diào)整平臺，以及涂敷光刻膠的透明陶瓷材料。
[0019]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
本發(fā)明利用未摻雜的釔鋁石榴石(簡稱YAG)透明陶瓷代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光刻基底材料，能夠在可見光和紅外波段均獲得良好的透過率。在透明陶瓷上的光柵等二元光學(xué)元件微結(jié)構(gòu)能夠在更為復(fù)雜的環(huán)境中發(fā)揮作用，具有傳統(tǒng)的光刻基材無可比擬的優(yōu)點(diǎn):耐高溫，耐高壓，耐腐蝕，高硬度等，能夠克服傳統(tǒng)光刻基材只能在半導(dǎo)體硅系列基底材料上適用的不足，材料本身不透明，無法用作透射式器件，而且材料脆性大、硬度低，無法應(yīng)用于高溫、高壓、高強(qiáng)度的環(huán)境中。
【附圖說明】
[0020]圖1為接觸式曝光系統(tǒng)示意圖；
圖中標(biāo)號:1、汞燈光源；2、透鏡組；3、整形后的平行光；4、掩模板；5、光刻膠；6、鉻膜；7、透明陶瓷；
圖2為鍍膜透明陶瓷制作光柵元件的工藝流程圖；
圖3為透明陶瓷；
圖4為磁控濺射鍍膜后的透明陶瓷；
圖5為透明陶瓷上二元光學(xué)元件設(shè)計(jì)圖；
圖6為二元衍射光柵內(nèi)部結(jié)構(gòu)放大圖；
圖7為以透明陶瓷為基材的光柵元件反射衍射圖；
圖8為以透明陶瓷為基材的光柵元件透射衍射圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]實(shí)施實(shí)例I
本發(fā)明一種以透明陶瓷為基底材料制作二元光學(xué)元件的方法，采用未摻雜的釔鋁石榴石透明陶瓷用作二元光學(xué)元件的基底材料，工藝流程包括:透明陶瓷表面處理、磁控濺射鍍膜、旋轉(zhuǎn)涂膠、前烘、曝光、后烘、顯影、堅(jiān)膜、刻蝕和去膠工序。
[0022]I)透明陶瓷表面處理
對透明陶瓷(簡稱YAG)進(jìn)行鍍膜前處理，通過研磨機(jī)拋光獲得表面接近鏡面的透明陶瓷，用酒精溶液清洗，再用超聲波清洗機(jī)清洗5分鐘，待陶瓷表面完全干燥后進(jìn)入鍍膜階段。
[0023]2)磁控濺射鍍抗氧化金屬膜
2.1用酒精清洗磁控濺射爐腔，清除污垢、附著物和之前殘留的沉積物。
[0024]2.2加熱和抽氣。將透明陶瓷夾入托盤中，裝入真空室，開啟基體承載架旋轉(zhuǎn)功能，均勻鍍金屬鉻膜(鉻純度99.99%)。關(guān)閉腔體蓋板，開加熱器個(gè)基體加熱打開機(jī)械泵，等到真空計(jì)讀數(shù)小于1Pa的時(shí)候開電磁閥，等到真空計(jì)讀數(shù)再次小于1Pa時(shí)啟動(dòng)分子泵，直到真空計(jì)讀數(shù)到10_4Pa。
[0025]2.3預(yù)濺射。打開氬氣閥通氣，調(diào)節(jié)氣體流量，實(shí)驗(yàn)為20sCCm，打開基體保護(hù)蓋用擋板擋住靶材，調(diào)節(jié)電流為0.4A，濺射電壓為0.38KV。預(yù)濺