李豪偉，龔勇清，夏侯命玖，肖孟超，羅寧寧

（1.南昌航空大學(xué) 測(cè)試與光電工程學(xué)院，江西 南昌330063；2.無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌330063）

引言

近年來(lái)，透明陶瓷作為一種廣受關(guān)注的新型光功能材料［1－2］，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)［3］的釔鋁石榴石（yttrium aluminum 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［4］，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)成本低，周期短，摻雜濃度高，光均勻性好，耐熱沖擊性好，可大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)［5］，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)也使其成為二元光學(xué)器件的理想載體。而目前國(guó)內(nèi)鮮有對(duì)該方面的報(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［6］的應(yīng)用的研究顯得尤為重要。

作為光學(xué)儀器核心單元器件之一的衍射光柵，在幾乎所有的光學(xué)工程應(yīng)用中，無(wú)論是現(xiàn)代國(guó)防科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，還是普通的工業(yè)領(lǐng)域，都顯示出越來(lái)越重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景［7］。隨著光柵元件應(yīng)用的不斷深入，對(duì)其性能的要求也逐漸提高。使得衍射光柵具有在特殊環(huán)境下工作的性能成為近來(lái)研究的熱點(diǎn)。衍射光柵是利用標(biāo)準(zhǔn)的大規(guī)模集成電路生產(chǎn)工藝制作的，它分為加法和減法兩種工藝途徑［8－9］。加法工藝又稱薄膜沉積法［10］，分為物理氣相沉積（physical vapor deposition，PVD）和化學(xué)氣相沉積。磁控濺射鍍膜是最重要的PVD方法，其原理是：稀薄氣體在異常輝光放電產(chǎn)生的等離子體在電場(chǎng)的作用下，對(duì)陰極靶材表面進(jìn)行轟擊，使靶材表面的分子、原子、離子及電子等濺射出來(lái)，被濺射出來(lái)的粒子帶有一定的動(dòng)能，沿一定的方向射向基體表面，在基體表面形成鍍層。相比于蒸鍍技術(shù)，磁控濺射鍍膜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于低溫高速，且濺射束流的能量更大，較好地消除原子在基片上的松散性，增加結(jié)合力，使得薄膜更加致密［11］，更好地發(fā)揮基材的特性優(yōu)勢(shì)。

本研究結(jié)合二元光學(xué)理論和光刻技術(shù)，研究并制作了以YAG透明陶瓷為基底材料的衍射光柵元件。鑒于YAG透明陶瓷本身的物化性質(zhì)和磁控濺射技術(shù)的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)采用磁控濺射技術(shù)在陶瓷表面形成鉻層再進(jìn)行光刻工藝。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于將金屬鉻濺射到Y(jié)AG透明陶瓷上，兩者緊密結(jié)合，為同時(shí)發(fā)揮透明陶瓷和衍射光柵的優(yōu)點(diǎn)提供了有利的條件。因此，本研究項(xiàng)目對(duì)擴(kuò)展衍射光柵元件和YAG透明陶瓷的應(yīng)用具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值，使其具有更為廣闊的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用四川南光真空設(shè)備公司的接觸式曝光技術(shù)在YAG透明陶瓷上制作衍射光柵。接觸式曝光系統(tǒng)原理圖如圖1所示。該系統(tǒng)的光源為365nm的汞燈光源，實(shí)驗(yàn)所用的光刻膠是對(duì)該波長(zhǎng)的光敏感的RZJ-304型光刻膠。由汞燈出射的光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束準(zhǔn)直等一系列光束整形后，等光強(qiáng)的照射在掩模版上，并以基片均勻涂覆光刻膠的一面緊貼掩模版有浮雕結(jié)構(gòu)的一面，保證圖形轉(zhuǎn)移后保真度的最大化。再經(jīng)過(guò)曝光、顯影和刻蝕等光刻步驟，最終獲得帶有衍射光柵的YAG透明陶瓷樣品。實(shí)驗(yàn)中所用基片為中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所提供的YAG透明陶瓷，在可見(jiàn)光和紅外波段擁有優(yōu)異的光學(xué)性能，直線透過(guò)率都在80%以上，特別是在波長(zhǎng)為1 064nm的紅外區(qū)透過(guò)率達(dá)到85%，實(shí)物如圖2所示。由于YAG透明陶瓷具有良好的機(jī)械性能和物理化學(xué)性能，傳統(tǒng)光刻工藝中的干法、濕法刻蝕方法很難將光刻膠中的圖形轉(zhuǎn)印到透明陶瓷中，這是本實(shí)驗(yàn)面臨的最大挑戰(zhàn)。為解決此難題，本實(shí)驗(yàn)采用加法工藝中的磁控濺射鍍膜技術(shù)，在YAG透明陶瓷表面濺射一層金屬鉻膜再結(jié)合刻蝕工藝獲得衍射光柵。實(shí)驗(yàn)中采用中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)科學(xué)儀器研制中心有限公司生產(chǎn)的超高真空磁控濺射鍍膜系統(tǒng)，以純度為99.95%的高純鉻為濺射靶材，在YAG透明陶瓷上濺射一層致密的金屬鉻膜，使其形成硬掩模。實(shí)驗(yàn)中，借助光學(xué)輪廓儀對(duì)YAG透明陶瓷上的衍射光柵進(jìn)行分析。采集了該樣品在波長(zhǎng)為1 064nm的半導(dǎo)體激光器重現(xiàn)下的衍射圖樣。

圖1 接觸式曝光系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle diagram of contact photolithograph system

圖2 實(shí)驗(yàn)用YAG透明陶瓷實(shí)物圖Fig.2 Photograph of YAG transparent ceramics

2 結(jié)果與討論

借助磁控濺射鍍膜系統(tǒng)，在直流濺射電源功率為25W并以純度為99.95%的高純鉻為濺射靶材的條件下，對(duì)YAG透明陶瓷濺射60s后，獲得表面鍍有金屬鉻的YAG透明陶瓷，實(shí)物如圖3所示。樣品表面平整光亮，說(shuō)明金屬鉻膜厚度均勻，鍍膜成功。在金屬鉻的表面均勻旋涂一層光刻膠，厚度約為1μm。利用接觸式曝光系統(tǒng)將掩模板中的圖形結(jié)構(gòu)通過(guò)曝光的方式轉(zhuǎn)印到光刻膠中。被曝光的光刻膠發(fā)生分解并釋放出羧酸，使得該部分光刻膠在顯影液中可溶。實(shí)驗(yàn)用顯影液的濃度為3.5‰的NaOH溶液，刻蝕液的組成成分為硝酸鈰銨（Ce（NH4）2（NO3）6）200g，濃度為98%的醋酸（CH3COOH）35ml，去離子水1 000ml。

圖3 鍍有金屬鉻膜的YAG透明陶瓷Fig.3 Photograph of YAG transparent ceramics with chrome film

基于光柵的結(jié)構(gòu)和鉻膜溶解性等多方面考慮，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，光刻最優(yōu)參數(shù)如表1所示。

表1 光刻參數(shù)表Table 1 Photolithograph process parameters

在經(jīng)過(guò)曝光、顯影后，借助美國(guó)KLA-Tencor公司的光學(xué)輪廓儀觀察光刻膠中的浮雕結(jié)構(gòu)并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

經(jīng)過(guò)顯影后的光柵結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)圖如圖4所示。由圖4可以看出，光刻膠中光柵結(jié)構(gòu)完整清晰，與掩模板內(nèi)的浮雕結(jié)構(gòu)相同，沒(méi)有出現(xiàn)扭曲等變形。造成圖中亮色白點(diǎn)的原因可能是個(gè)別尖銳顆粒或噪聲信號(hào)所致。輪廓儀在掃描過(guò)程中，由于光波很短，對(duì)外界環(huán)境的要求很高，當(dāng)外界有微小震動(dòng)或者微塵時(shí)都會(huì)產(chǎn)生圖中的個(gè)別凸起，或者是該部分反射率非常高，讓計(jì)算機(jī)產(chǎn)生誤判導(dǎo)致激凸。輪廓儀可以通過(guò)選擇2個(gè)不同的臺(tái)階，來(lái)測(cè)量器件的高度差，由圖中“Delta Z”可知該高度差為1.020μm，即代表光刻膠的厚度。由圖4可以清楚看出臺(tái)階的變化十分規(guī)則，代表光柵結(jié)構(gòu)完好。

圖4 顯影后光柵細(xì)節(jié)參數(shù)圖Fig.4 Parameters of diffractive grating after developing

經(jīng)過(guò)刻蝕并去膠后的光柵結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)圖如圖5所示。由該圖可知光柵在YAG透明陶瓷上的鉻層中的形貌特征以及相應(yīng)參數(shù)。由微觀圖以及曲線圖可以直觀地觀察到光柵結(jié)構(gòu)較好地保留在了YAG透明陶瓷上的鉻層中，結(jié)構(gòu)完整。由參數(shù)表可知，刻蝕后鉻膜層的厚度為0.072μm。該厚度的鉻膜層能夠較好地起到光阻作用。在完成該步驟后，光柵結(jié)構(gòu)得以永久保留并且與YAG透明陶瓷成為結(jié)合牢固的整體。

圖5 鉻層中光柵細(xì)節(jié)參數(shù)圖Fig.5 Parameters of diffractive grating after etching

圖6 是通過(guò)輪廓儀進(jìn)一步放大所獲得的局部三維圖像，便于進(jìn)一步分析。圖中，光柵的方孔結(jié)構(gòu)邊緣清晰，刻蝕效果良好。而方孔的邊角并不是如掩模板直角那樣，而是具有一定的圓角的倒梯形結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)闈穹涛g具有各向同性的特點(diǎn)，在樣品浸入刻蝕液后，刻蝕劑沿球面擴(kuò)展。濕法刻蝕很難實(shí)現(xiàn)理想情況下的垂直切面，由于受到刻蝕液濃度和溫度的影響，最終只能得到側(cè)壁坡度盡可能小的結(jié)構(gòu)，這是工藝所不可避免的問(wèn)題。但是，該問(wèn)題并不影響光柵的性能，大部分光柵結(jié)構(gòu)得到很好地轉(zhuǎn)印與保留，三維圖像很好地證明了這一點(diǎn)。

圖6 光柵微觀三維圖Fig.6 3D graph of diffractive grating

借助光學(xué)輪廓儀從微觀結(jié)構(gòu)證實(shí)衍射光柵結(jié)構(gòu)被成功刻在透明陶瓷的表面，實(shí)驗(yàn)進(jìn)而采用更為直觀的方法驗(yàn)證其實(shí)際衍射效果。以波長(zhǎng)為1 064nm的半導(dǎo)體激光器重現(xiàn)其衍射效果，實(shí)際效果如圖7所示。激光經(jīng)位于陶瓷樣品表面上的光柵衍射后，出射的光點(diǎn)大小對(duì)稱且光強(qiáng)均勻，光柵級(jí)次得以完好展現(xiàn)，證明陶瓷上的光柵元件符合設(shè)計(jì)要求。

圖7 實(shí)際樣品衍射圖Fig.7 Diffraction patterns of final sample

綜上所述，以YAG透明陶瓷為基材的衍射光柵元件可由此方法成功獲得，微觀結(jié)構(gòu)和衍射效果都說(shuō)明該方法的可行性。實(shí)驗(yàn)中所研制的光柵為透射光柵，以正交光柵為模板。由表2可知，對(duì)實(shí)驗(yàn)中帶有正交光柵的YAG透明陶瓷樣品進(jìn)行測(cè)試，光柵的衍射光強(qiáng)分布與模板一致，相對(duì)光強(qiáng)無(wú)變化。但由表3可看出，經(jīng)過(guò)透明陶瓷后，光功率會(huì)有所衰減。

表2 YAG透明陶瓷相對(duì)衍射強(qiáng)度參數(shù)表Table 2 Relative diffraction intensity parameters

表3 透過(guò)率參數(shù)表Table 3 Transmittance parameters

傳統(tǒng)基底材料一般有硅片、合金和玻璃，其特點(diǎn)如下：

硅片是光刻領(lǐng)域使用最為廣泛的基底材料，其優(yōu)點(diǎn)是重量輕。但是硅片的缺點(diǎn)在于只能做反射式元件，硅的莫氏硬度為7，且容易斷裂，在制備元件時(shí)必須十分小心；另外硅片易于與酸發(fā)生反應(yīng)，不能應(yīng)用于酸性環(huán)境。

合金作為一種高硬度的基底材料同樣存在著諸多不足：只能作反射式材料，重量大，易于酸堿發(fā)生反應(yīng)。雖然可以通過(guò)摻雜其他元素金屬來(lái)提高其化學(xué)性能，但很難使其整體得到完善。

玻璃，也是光刻領(lǐng)域中較為廣泛的基底材料。其優(yōu)點(diǎn)在于透光性好，其透過(guò)率在80%以上，且重量輕。但普通玻璃軟化溫度在500～600℃，而且脆度大，易于酸發(fā)生反應(yīng)，很難在高溫、高強(qiáng)度或者酸堿環(huán)境下得到良好的應(yīng)用。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，相比于傳統(tǒng)基底光柵，YAG透明陶瓷作為基底材料的優(yōu)勢(shì)如下：

YAG透明陶瓷莫氏硬度為9，并且該硬度可以維持到900℃，具有優(yōu)良的抗磨損性能，不易脆斷。在該方面只有合金材料能和透明陶瓷相比，但合金重量較大。YAG透明陶瓷有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，常溫下不與酸堿發(fā)生反應(yīng)，這是上述3種基底材料無(wú)法比擬的。YAG透明陶瓷的熔點(diǎn)在1 970℃，大大高于普通玻璃的軟化溫度。YAG透明陶瓷因有良好的透過(guò)率，即可做透射式元件又可作反射式元件（無(wú)閃耀角設(shè)計(jì)）。硅片和合金只能做反射式元件，且硅片的反射率約為40%，合金更低。玻璃同樣可作透射式元件又可作反射式元件，與透明陶瓷在功能上相同。實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步在可見(jiàn)光到紅外波段對(duì)兩種材料的透過(guò)率進(jìn)行測(cè)試。由表3可看出，在可見(jiàn)光波段，玻璃的透過(guò)率優(yōu)于YAG透明陶瓷；在紅外波段，玻璃的透過(guò)率低于YAG透明陶瓷，在2個(gè)波段上兩種材料的透過(guò)率近似。實(shí)驗(yàn)光柵采用同一光柵常數(shù)的正交光柵，但YAG透明陶瓷在機(jī)械強(qiáng)度、高溫、脆度等方面優(yōu)于玻璃。綜上所述，YAG透明陶瓷是一種更為全面的新型基底材料，相比于傳統(tǒng)基底材料，基于YAG透明陶瓷制作的衍射元件能夠應(yīng)用在高溫、高強(qiáng)度和酸堿環(huán)境中，在高溫窗口、紅外探測(cè)、發(fā)光介質(zhì)、半導(dǎo)體行業(yè)具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)論

當(dāng)磁控濺射系統(tǒng)功率為25W，對(duì)YAG透明陶瓷濺射60s的情況下，可在陶瓷表面沉積厚度不超過(guò)0.1μm的金屬鉻，形成硬掩模。該鉻層均勻致密，與YAG透明陶瓷結(jié)合牢固，合為一體。借助紫外接觸式曝光系統(tǒng)對(duì)陶瓷進(jìn)行光刻。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，在曝光時(shí)間為20s，顯影時(shí)間為110s，刻蝕時(shí)間為30s的條件下，可在YAG透明陶瓷上成功獲得最佳光柵結(jié)構(gòu)。借助光學(xué)輪廓儀可知，衍射光柵保留在陶瓷表面厚度約為0.072μm的鉻層中，結(jié)構(gòu)完整清晰。在波長(zhǎng)為1 064nm的半導(dǎo)體激光重現(xiàn)下，陶瓷上的光柵衍射效果良好，證明了該實(shí)驗(yàn)的可行性。本實(shí)驗(yàn)拓展了YAG透明陶瓷作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用范圍，不僅限于作為激光材料應(yīng)用。鑒于傳統(tǒng)光刻基底材料對(duì)環(huán)境適應(yīng)性存在不足的現(xiàn)狀，成功將YAG透明陶瓷引入微光刻領(lǐng)域，其優(yōu)異的物化性能使得衍射光柵可以在更為復(fù)雜的環(huán)境中，例如高溫、高強(qiáng)度、酸堿環(huán)境中發(fā)揮更大的作用，具有重要的實(shí)踐價(jià)值。

［1］ Shi Yun，Pan Yubai，F(xiàn)eng Xiqi，et al.Fabrication and luminescence study of-doped YAG transparent ceramics［J］.2010，25（2）：125-128.石云，潘裕柏，馮錫淇，等.摻雜YAG透明陶瓷的制備與光性能研究.無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào)，2010，25（2）：125-128.

［2］ Ikesue A，Lin A Y.Synthesis and performance of advanced ceram ics lasers［J］.J.Am.Ceram.Soc，2006，89（6）：1936-1944.

［3］ Kazakova L I，Kuzmicheva G M ，Suchkova E M.Growth of crystals for jewelry［J］.Inorganic Materials，2003，39（9）：959-970.

［4］ Li Weidong，Cao Ying，F(xiàn)ang Minghao，et al.Developmental trend of transparent ceramics［J］.Journal of Synthetic Crystals，2007，36（1）：102-105.李衛(wèi)東，曹瑛，房明浩，等.透明陶瓷的研究進(jìn)展［J］.人工晶體學(xué)報(bào)，2007，36（1）：102-105.

［5］ Liu Wenbin，Kou Huamin，Pan Yubai，et al.Preparation and characteristic of properties of high transmission Nd：YAG transparent ceramics［J］.Journal of Inorganic Materials，2008，23（5）：1038-1040.劉文斌，寇華敏，潘裕柏，等.高透光率Nd：YAG透明陶瓷的制備與性能研究［J］.無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào)，2008，23（5）：1038-1040.

［6］ Wen Lei，Sun Xudong，Ma Weimin.Fabrication of transparent YAG ceramics by a solid-state reaction method［J］.Journal of the Chinese Ceram-ics Society，2003，31（9）：819-822.聞雷，孫旭東，馬偉民，等.固相反應(yīng)法制備YAG透明陶瓷［J］.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2003，31（9）：819-822.

［7］ Herzig H P.Micro-optics elements，systems and application［M］.Beijing：National Defenseof Industry Press，2002：67-69.

［8］ Jin Guofan，Yan Yingbai，Wu Minxian.Binary optics［M］.Beijing：National Defenseof Industry Press，1998：299-300.金國(guó)藩，嚴(yán)瑛白，吳敏賢，等.二元光學(xué)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1998：299-300.

［9］ Chen Y X.A new concepl of 3-dimensional integrated optics［J］.Optoelectronics Devices and Technologies，1990，5（1）：109-110.

［10］Kong Lingrui，Zhang Fei，Duan Jun，et al.Reaserch of water-assisted laser etching of alumina ceramics［J］.Laser Technology，2014，38（3）：330-334.

［11］Franssila S.Introduction to microfabrication［M］.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2006：53.