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(2006BA K03A02)；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
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:A
1 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。Z 1D 1Popovic [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Y oung ’s 方程描述[9]
T AL cos θ=T SA -T LS
其中,θ是接触角,T AL 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
MICROFABRICA TION TECHNOLO GY №11Feb 1,2007
面张力,T SA 是固体基底与周围气体界面的表面张力,T LS 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(Shipley AZ1805)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M 1、针孔滤波器、凹面反射镜、平面镜M 2和平面镜M 3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 =
λ
2n sin θcos δ
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，使用的是Kr
离子激光器，其输出波长为41315nm ，并在空气
中记录干涉条纹，所制作的1200line/mm 全息光栅，周期d =018333μm ，采用合理的设计使δ=0，可以计算出θ=14135°。实验中，曝光时间选择2min 。将曝光后的K9玻璃基底放入AZ1805型光
刻胶配套显影液中显影2min ，然后用去离子水冲洗，同时用高压气流吹干表面上的水珠。
将显影后的光栅基底放入烘箱中进行后烘及热熔。后烘的作用是使光刻胶与基底的结合更加紧密，其温度为120℃，时间为30min 。后烘结束的同时升高烘箱温度进行热熔，该过程的主要目的是降低光刻胶光栅表面粗糙度，把光刻胶加热至熔融状态，在其表面张力的作用下，刻槽表面的毛刺便会消除。由于光刻胶是非晶态聚合物，是含有多种化学成分的混合物，因此其熔点并不是唯一确定的，而是一个温度范围，即在该范围内光刻胶都会处于熔融状态。在实验中总结出温度范围是160℃～180℃，时间是30min 左右。
由于光刻胶光栅的物理性质和光学性能远比制作在K9玻璃上的全息光栅差，因此要将光刻胶光栅转移到玻璃基底，本文采用Ar 离子束刻蚀技术很好地实现了这个过程。通过调整光刻胶光栅高宽比和离子束的入射角，可以制作出任意闪耀角度的光栅。刻蚀实验采用北京Advance 离子束研究所生产的L K J 21C 2150离子束刻蚀机，刻蚀参量为：离子束入
射角选择在40°左右，刻蚀时间20min ，离子束能量300eV ，束流密度015mA/cm 2，离子束流150mA ,
中和电流160mA ，加速电压180V ，刻蚀气压118×10-2
Pa 。
4 结果及讨论
B 1de A 1Mello [10]计算了玻璃基底上光刻胶浮雕
图形随显影时间的演变过程，而且考虑到了线性和非线性的显影条件的影响。由于曝光的光刻胶被显
影到基底表面后，还需要有适当范围的横向刻蚀(显影)过程。如果显影时间过长，未曝光部分必然会被溶解，可能会造成光栅线条不连续以及线条断裂，但是显影时间不足也会使形成的光栅槽形不理想。
图3是曝光时间和显影时间都较为合适的光刻
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1微细加工技术2007年
胶光栅照片，可以看到，充分显影后，光刻胶光栅表面的结构规则，彼此孤立
。
图3 显影后的光刻胶光栅
将图3所示的光刻胶光栅进行热熔，即可得到
如图4所示的热熔后的光刻胶光栅表面结构。由图3和图4可以看出，由于光刻胶热熔过程中表面张力的作用，光刻胶表面变得平滑、整齐，横截面轮廓由正弦形变为圆弧状，光刻胶结构的周期保持不变，但最大高度下降了。接下来进行刻蚀，得到的表面浮雕光栅原子力显微镜图片如图5所示。
图6是未经过热熔的光刻胶光栅直接用于刻蚀的图片。比较两图可以看出，经过热熔后的表面浮雕光栅表面变得平滑，刻槽形状得到了很大改善，粗糙度大大降低。在表面浮雕光栅上蒸镀一层铝，即可成功地制作出全息光栅。
用光刻胶热熔法制作全息光栅是正在探索的一项新技术，目前这种技术还不完善，没有完全进入商业化阶段，仍存在一些有待于进一步解决的问题。首先，因为在甩胶过程中很难获得精确的涂胶厚度，所以每次的热熔条件都不能完全相同；其次，在光刻胶熔化过程中，如何控制熔化状态的温度与加热时间是非常重要的，采用恒温加热、逐渐升温式加热以及跳跃式升温加热方法所获得的结果是有很大差别的
。
图4
热熔后的光刻胶光栅
图5 热熔后的光刻胶光栅进行离子束刻蚀得到的图片
综上所述，光刻胶热熔法以其制作工艺简单、成本低、周期短等优点已成为近几年科研的热点，将这
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1第1期 李文昊等：基于光刻胶热熔法的全息光栅表面粗糙度平滑处理
种方法的制作工艺以及目前比较实用的关键技术移植到全息光栅的制作中，成功地制作出了具有较好刻槽形状的全息光栅。然而，每种方法都有其优缺点，为了制作出更理想的全息光栅，必需设计出合理的实验方案，并在实验中摸索出最佳的条件和参数，这些是在以后的工作中急需解决的问题
。
图6 未经过热熔的光刻胶光栅进行离子束刻蚀得到的图片
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Smoothing for Surface Roughness of H olographic G rating B ased on Photoresist Melting Method
L I Wen 2hao 1,2,Bayanheshig 1,Q I Xiang 2dong 1
(11Changchun Institute of Optics ,Fine Mechanics and Physics ,Chinese Academy of Science ,Changchun 130033,China ;21Graduate School of Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100039,China )
Abstract :The photoresist melting method which is low 2cost ,short 2period and easy realization was put forward based on surface thermodynamics and its basic principle was expatiated ,and the influence of the photoresist melt 2ing on the groove profiles of the photoresist grating was investigated 1The melted photoresist grating and the un 2melted one were etched by Ar ion beam ,r
espectively 1The experimental results show that the groove surface roughness of the grating can be reduced by the surface tension of the melted photoresist 1In addition ,the holo 2graphic grating with preferable groove profiles is successfully obtained on K9glass substrate by the method 1K ey w ords :holographic grating ;photoresist melting method ;Ar ion beam etch ;atomic force microscope (AFM )
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1微细加工技术2007年
