基于YAG透明陶瓷制作衍射光栅元件的研究

李豪伟，龚勇清，夏侯命玖，肖孟超，罗宁宁

（1.南昌航空大学 测试与光电工程学院，江西 南昌330063；2.无损检测技术教育部重点实验室，江西 南昌330063）

引言

近年来，透明陶瓷作为一种广受关注的新型光功能材料［1－2］，在军事、科研、工业和医疗等领域的应用前景十分广阔。具有各向同性的立方晶体结构［3］的钇铝石榴石（yttrium aluminum garnet，YAG）因其具有优良的光学性能、稳定的化学性能和良好的力学性能［4］，成为制备透明陶瓷的理想基体。相比于晶体，YAG透明陶瓷具有生产成本低，周期短，掺杂浓度高，光均匀性好，耐热冲击性好，可大批量生产等优点［5］，使其成为性能优良的激光工作物质。同时，YAG透明陶瓷的诸多优点也使其成为二元光学器件的理想载体。而目前国内鲜有对该方面的报道。因此，进一步拓宽YAG透明陶瓷作为结构材料和功能材料［6］的应用的研究显得尤为重要。

作为光学仪器核心单元器件之一的衍射光栅，在几乎所有的光学工程应用中，无论是现代国防科学技术领域，还是普通的工业领域，都显示出越来越重要的应用价值和广阔的应用前景［7］。随着光栅元件应用的不断深入，对其性能的要求也逐渐提高。使得衍射光栅具有在特殊环境下工作的性能成为近来研究的热点。衍射光栅是利用标准的大规模集成电路生产工艺制作的，它分为加法和减法两种工艺途径［8－9］。加法工艺又称薄膜沉积法［10］，分为物理气相沉积（physical vapor deposition，PVD）和化学气相沉积。磁控溅射镀膜是最重要的PVD方法，其原理是：稀薄气体在异常辉光放电产生的等离子体在电场的作用下，对阴极靶材表面进行轰击，使靶材表面的分子、原子、离子及电子等溅射出来，被溅射出来的粒子带有一定的动能，沿一定的方向射向基体表面，在基体表面形成镀层。相比于蒸镀技术，磁控溅射镀膜技术的优点在于低温高速，且溅射束流的能量更大，较好地消除原子在基片上的松散性，增加结合力，使得薄膜更加致密［11］，更好地发挥基材的特性优势。

本研究结合二元光学理论和光刻技术，研究并制作了以YAG透明陶瓷为基底材料的衍射光栅元件。鉴于YAG透明陶瓷本身的物化性质和磁控溅射技术的特点，实验采用磁控溅射技术在陶瓷表面形成铬层再进行光刻工艺。这种技术的优点在于将金属铬溅射到YAG透明陶瓷上，两者紧密结合，为同时发挥透明陶瓷和衍射光栅的优点提供了有利的条件。因此，本研究项目对扩展衍射光栅元件和YAG透明陶瓷的应用具有重要的理论意义和实践价值，使其具有更为广阔的应用前景。

1 实验

本实验采用四川南光真空设备公司的接触式曝光技术在YAG透明陶瓷上制作衍射光栅。接触式曝光系统原理图如图1所示。该系统的光源为365nm的汞灯光源，实验所用的光刻胶是对该波长的光敏感的RZJ-304型光刻胶。由汞灯出射的光经过扩束准直等一系列光束整形后，等光强的照射在掩模版上，并以基片均匀涂覆光刻胶的一面紧贴掩模版有浮雕结构的一面，保证图形转移后保真度的最大化。再经过曝光、显影和刻蚀等光刻步骤，最终获得带有衍射光栅的YAG透明陶瓷样品。实验中所用基片为中国科学院上海硅酸盐研究所提供的YAG透明陶瓷，在可见光和红外波段拥有优异的光学性能，直线透过率都在80%以上，特别是在波长为1 064nm的红外区透过率达到85%，实物如图2所示。由于YAG透明陶瓷具有良好的机械性能和物理化学性能，传统光刻工艺中的干法、湿法刻蚀方法很难将光刻胶中的图形转印到透明陶瓷中，这是本实验面临的最大挑战。为解决此难题，本实验采用加法工艺中的磁控溅射镀膜技术，在YAG透明陶瓷表面溅射一层金属铬膜再结合刻蚀工艺获得衍射光栅。实验中采用中国科学院沈阳科学仪器研制中心有限公司生产的超高真空磁控溅射镀膜系统，以纯度为99.95%的高纯铬为溅射靶材，在YAG透明陶瓷上溅射一层致密的金属铬膜，使其形成硬掩模。实验中，借助光学轮廓仪对YAG透明陶瓷上的衍射光栅进行分析。采集了该样品在波长为1 064nm的半导体激光器重现下的衍射图样。

图1 接触式曝光系统原理图Fig.1 Principle diagram of contact photolithograph system

图2 实验用YAG透明陶瓷实物图Fig.2 Photograph of YAG transparent ceramics

2 结果与讨论

借助磁控溅射镀膜系统，在直流溅射电源功率为25W并以纯度为99.95%的高纯铬为溅射靶材的条件下，对YAG透明陶瓷溅射60s后，获得表面镀有金属铬的YAG透明陶瓷，实物如图3所示。样品表面平整光亮，说明金属铬膜厚度均匀，镀膜成功。在金属铬的表面均匀旋涂一层光刻胶，厚度约为1μm。利用接触式曝光系统将掩模板中的图形结构通过曝光的方式转印到光刻胶中。被曝光的光刻胶发生分解并释放出羧酸，使得该部分光刻胶在显影液中可溶。实验用显影液的浓度为3.5‰的NaOH溶液，刻蚀液的组成成分为硝酸铈铵（Ce（NH4）2（NO3）6）200g，浓度为98%的醋酸（CH3COOH）35ml，去离子水1 000ml。

图3 镀有金属铬膜的YAG透明陶瓷Fig.3 Photograph of YAG transparent ceramics with chrome film

基于光栅的结构和铬膜溶解性等多方面考虑，经过反复试验，光刻最优参数如表1所示。

表1 光刻参数表Table 1 Photolithograph process parameters

在经过曝光、显影后，借助美国KLA-Tencor公司的光学轮廓仪观察光刻胶中的浮雕结构并记录相关数据。

经过显影后的光栅结构细节图如图4所示。由图4可以看出，光刻胶中光栅结构完整清晰，与掩模板内的浮雕结构相同，没有出现扭曲等变形。造成图中亮色白点的原因可能是个别尖锐颗粒或噪声信号所致。轮廓仪在扫描过程中，由于光波很短，对外界环境的要求很高，当外界有微小震动或者微尘时都会产生图中的个别凸起，或者是该部分反射率非常高，让计算机产生误判导致激凸。轮廓仪可以通过选择2个不同的台阶，来测量器件的高度差，由图中“Delta Z”可知该高度差为1.020μm，即代表光刻胶的厚度。由图4可以清楚看出台阶的变化十分规则，代表光栅结构完好。

图4 显影后光栅细节参数图Fig.4 Parameters of diffractive grating after developing

经过刻蚀并去胶后的光栅结构细节图如图5所示。由该图可知光栅在YAG透明陶瓷上的铬层中的形貌特征以及相应参数。由微观图以及曲线图可以直观地观察到光栅结构较好地保留在了YAG透明陶瓷上的铬层中，结构完整。由参数表可知，刻蚀后铬膜层的厚度为0.072μm。该厚度的铬膜层能够较好地起到光阻作用。在完成该步骤后，光栅结构得以永久保留并且与YAG透明陶瓷成为结合牢固的整体。

图5 铬层中光栅细节参数图Fig.5 Parameters of diffractive grating after etching

图6 是通过轮廓仪进一步放大所获得的局部三维图像，便于进一步分析。图中，光栅的方孔结构边缘清晰，刻蚀效果良好。而方孔的边角并不是如掩模板直角那样，而是具有一定的圆角的倒梯形结构。这是因为湿法刻蚀具有各向同性的特点，在样品浸入刻蚀液后，刻蚀剂沿球面扩展。湿法刻蚀很难实现理想情况下的垂直切面，由于受到刻蚀液浓度和温度的影响，最终只能得到侧壁坡度尽可能小的结构，这是工艺所不可避免的问题。但是，该问题并不影响光栅的性能，大部分光栅结构得到很好地转印与保留，三维图像很好地证明了这一点。

图6 光栅微观三维图Fig.6 3D graph of diffractive grating

借助光学轮廓仪从微观结构证实衍射光栅结构被成功刻在透明陶瓷的表面，实验进而采用更为直观的方法验证其实际衍射效果。以波长为1 064nm的半导体激光器重现其衍射效果，实际效果如图7所示。激光经位于陶瓷样品表面上的光栅衍射后，出射的光点大小对称且光强均匀，光栅级次得以完好展现，证明陶瓷上的光栅元件符合设计要求。

图7 实际样品衍射图Fig.7 Diffraction patterns of final sample

综上所述，以YAG透明陶瓷为基材的衍射光栅元件可由此方法成功获得，微观结构和衍射效果都说明该方法的可行性。实验中所研制的光栅为透射光栅，以正交光栅为模板。由表2可知，对实验中带有正交光栅的YAG透明陶瓷样品进行测试，光栅的衍射光强分布与模板一致，相对光强无变化。但由表3可看出，经过透明陶瓷后，光功率会有所衰减。

表2 YAG透明陶瓷相对衍射强度参数表Table 2 Relative diffraction intensity parameters

表3 透过率参数表Table 3 Transmittance parameters

传统基底材料一般有硅片、合金和玻璃，其特点如下：

硅片是光刻领域使用最为广泛的基底材料，其优点是重量轻。但是硅片的缺点在于只能做反射式元件，硅的莫氏硬度为7，且容易断裂，在制备元件时必须十分小心；另外硅片易于与酸发生反应，不能应用于酸性环境。

合金作为一种高硬度的基底材料同样存在着诸多不足：只能作反射式材料，重量大，易于酸碱发生反应。虽然可以通过掺杂其他元素金属来提高其化学性能，但很难使其整体得到完善。

玻璃，也是光刻领域中较为广泛的基底材料。其优点在于透光性好，其透过率在80%以上，且重量轻。但普通玻璃软化温度在500～600℃，而且脆度大，易于酸发生反应，很难在高温、高强度或者酸碱环境下得到良好的应用。

通过实验，相比于传统基底光栅，YAG透明陶瓷作为基底材料的优势如下：

YAG透明陶瓷莫氏硬度为9，并且该硬度可以维持到900℃，具有优良的抗磨损性能，不易脆断。在该方面只有合金材料能和透明陶瓷相比，但合金重量较大。YAG透明陶瓷有良好的化学稳定性，常温下不与酸碱发生反应，这是上述3种基底材料无法比拟的。YAG透明陶瓷的熔点在1 970℃，大大高于普通玻璃的软化温度。YAG透明陶瓷因有良好的透过率，即可做透射式元件又可作反射式元件（无闪耀角设计）。硅片和合金只能做反射式元件，且硅片的反射率约为40%，合金更低。玻璃同样可作透射式元件又可作反射式元件，与透明陶瓷在功能上相同。实验中进一步在可见光到红外波段对两种材料的透过率进行测试。由表3可看出，在可见光波段，玻璃的透过率优于YAG透明陶瓷；在红外波段，玻璃的透过率低于YAG透明陶瓷，在2个波段上两种材料的透过率近似。实验光栅采用同一光栅常数的正交光栅，但YAG透明陶瓷在机械强度、高温、脆度等方面优于玻璃。综上所述，YAG透明陶瓷是一种更为全面的新型基底材料，相比于传统基底材料，基于YAG透明陶瓷制作的衍射元件能够应用在高温、高强度和酸碱环境中，在高温窗口、红外探测、发光介质、半导体行业具有潜在的应用价值。

3 结论

当磁控溅射系统功率为25W，对YAG透明陶瓷溅射60s的情况下，可在陶瓷表面沉积厚度不超过0.1μm的金属铬，形成硬掩模。该铬层均匀致密，与YAG透明陶瓷结合牢固，合为一体。借助紫外接触式曝光系统对陶瓷进行光刻。经过反复试验，在曝光时间为20s，显影时间为110s，刻蚀时间为30s的条件下，可在YAG透明陶瓷上成功获得最佳光栅结构。借助光学轮廓仪可知，衍射光栅保留在陶瓷表面厚度约为0.072μm的铬层中，结构完整清晰。在波长为1 064nm的半导体激光重现下，陶瓷上的光栅衍射效果良好，证明了该实验的可行性。本实验拓展了YAG透明陶瓷作为结构材料的应用范围，不仅限于作为激光材料应用。鉴于传统光刻基底材料对环境适应性存在不足的现状，成功将YAG透明陶瓷引入微光刻领域，其优异的物化性能使得衍射光栅可以在更为复杂的环境中，例如高温、高强度、酸碱环境中发挥更大的作用，具有重要的实践价值。

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