大尺寸中阶梯光栅铝膜均匀性研究

张方程， 于海利， 周敬萱

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033）

0 引 言

中阶梯光栅作为衍射光学元件被广泛应用于光谱探测和光谱分析，其中大尺寸中阶梯光栅凭借其较高的衍射级次和大孔径实现了极高的光谱分辨率（分辨率可达106量级以上），是天文观测、痕量元素探测仪器等的核心光学器件[1－4]。目前，尺寸在300mm×300mm以上的中阶梯光栅仅能通过光栅刻划机制作。其原理是利用金刚石刻刀挤压、抛光镀在光栅基底上的铝膜，使铝膜表面按设计要求发生预期的形变，刻制出具有纳米精度的周期性微观槽形，如图1所示。

图1 中阶梯光栅刻槽截面

光栅刻划过程是对铝膜的重塑过程，刻划过程中不产生铝屑[5－7]。

图1中铬层的作用是作为过渡层增加铝膜与光栅基底结合的牢固度，另外，可以防止在刻划过程中对金刚石刻刀压重过大损伤光栅基底。由图中可以看出，中阶梯光栅刻槽的截面近似为直角三角形，区别于常规分子光谱仪光栅，其较短的一个直角边所在平面是光栅的工作平面。根据光栅电磁场理论计算可知，这样的槽形在高衍射级次下具有较高的衍射效率[8]。设计的中阶梯光栅刻槽参数见表1。

表1 中阶梯光栅设计参数

从表1可以看出，设计的中阶梯光栅刻槽密度低，光栅常数大，要求的铝膜厚度大。为了满足大尺寸中阶梯光栅刻划需要，镀制的铝膜需满足如下要求：

1）铝膜厚度。设计的刻槽深度为5.0～6.0μm，为保证较好的成槽特性，根据光栅刻划经验，铝膜厚度通常为光栅槽深的2～2.5倍，因此，镀制出的铝膜厚度范围是10～15μm。

2）铝膜厚度均匀性。铝膜的均匀性直接影响光栅的衍射波前质量和衍射效率，因此，要求在刻划面积范围内有尽可能高的厚度均匀性，设计指标要求为±1%。

3）铝膜硬度。根据表1可以计算出金刚石刻刀的总刻划行程约为17.3km，铝膜过硬会造成金刚石刀具磨损，无法完成整块光栅刻划。铝膜过软则不易成槽，影响光栅衍射效率、杂散光等指标，因此应根据刻划经验选取适中的铝膜硬度。

4）附着力。由于中阶梯光栅的光栅常数较大，刻槽较深，刻划过程中金刚石刻刀对铝膜的作用力较大，同时铝膜内部存在应力，附着力不好会造成膜层脱落，因此要求铝膜与基底之间具有较好的附着力。

5）铝膜表面。为保证光栅表面质量、减小金刚石刻刀磨损，要求尽量减少铝膜的表面疵病，如喷点、开口气泡等。

区别于普通的反射铝膜，中阶梯光栅铝膜参数具有特殊性。较大的厚度要求较长的蒸镀时间，在蒸镀过程中对真空度、蒸发束流、镀膜温度的控制是很关键的。经过长时间的实验和经验总结，现已基本掌握蒸镀的最佳条件，铝膜的表面、厚度、硬度、附着力等关键参数已经能够达到刻划要求。厚度均匀性是面临的另一关键参数，文中对内径1.1m的大尺寸中阶梯光栅镀膜机的均匀性做了研究，并设计出了具有改善均匀性功能的修正挡板。

1 镀膜设备

蒸镀小尺寸刻划光栅铝膜时，使用的是450型钟罩式镀膜机。这台镀膜机共有7组电极，其中6组用于蒸镀铝膜，另外一组用于蒸镀增强铝膜与基底之间附着力的铬膜。由于中阶梯光栅所需铝膜厚度在10μm以上，要求加在每组电极上的每一蒸发源要有足够量的铝供蒸发，可将3股Φ1.2mm的钨丝拼成一股，再绕成10圈螺旋，其内径为10mm，每圈间隔为5mm作为蒸发源，每组钨丝圈内可放置2～3g铝丝，铝量较多。实践证明，这种形式基本能满足蒸镀要求，但对于大尺寸中阶梯光栅来说，450型镀膜机是不合适的。首先，大尺寸中阶梯光栅的刻划面积将达到520mm×420mm，450型镀膜机无法满足光栅的尺寸要求；其次，大尺寸中阶梯光栅对铝膜的表面、厚度均匀性和韧性有着严格的要求，使用450型镀膜机镀制铝膜时，铝膜的表面和致密度比较难控制，镀制膜层的重复性不是很好。

为满足大尺寸中阶梯光栅的刻划需要，购置了一台内径为1.1m，具备电子束和热阻式蒸发两种蒸发方式的镀膜机，如图2所示。

图2 大尺寸中阶梯光栅镀膜机

这台镀膜机配备了两台电子枪，布置在真空室左右两侧，10组热阻式蒸发电极底盘圆周分布。工件架为平面旋转式，其旋转速度可调。此外，该镀膜机还配备了考夫曼离子源和用于监控膜层厚度的探头。

大尺寸中阶梯光栅铝膜采用电子束蒸发，这种方式比较容易控制铝膜的厚度和表面质量，同时蒸镀的铝膜致密性比较好，易于进行光栅刻划，这些条件对于大尺寸中阶梯光栅的刻划来说都是比较关键的。通过大量测试，该镀膜机的重复性能够达到1%，镀膜机只有在具备较好的重复性前提下才能进行膜厚校正。

2 膜厚均匀性挡板设计原理

根据镀膜机参数建立直角坐标系如图3所示。

图3 镀膜机坐标系

光栅基底铝膜所在平面为XY平面，源在该平面的投影为坐标原点，基底的回转中心在X轴上与原点距离为x0，源在Z轴上与原点的距离为z0，工件的回转半径为r0。

当基底不旋转时，基底上各点（x，y，0）的铝膜蒸发速率v的函数为：

则t时刻对应的膜厚为：

以（x0，0，0）为中心，半径为r上的铝膜总量为：

式中：φ—— 半径为r的圆的路径。

当基底以速度ω旋转时，假设时间t足够长，则可以认为以（x0，0，0）为中心，半径为r上各点的铝膜厚度相同，则由式（2）可得到基底旋转时Y轴上各点的膜厚计算式为：

该式可用于验证镀膜机的稳定性。假设挡板的位置在回转中心的左侧，且相对Y轴对称，以（x0，0，0）回转中心经过Y 轴上各点处的弧长为l（y），则挡板的设计参数即是确定不同点处的弧长l。由于在镀膜过程中挡板是静止不动的，所以对于任意t时刻挡板上不同点处的铝膜蒸发速率是不同的，弧长l遮挡的总铝膜量为：

其中，l是x和y的函数。设修正后的膜厚为h0，则

由式（2）、式（4）和式（5）可得

依据式（6），当确定铝膜蒸发速率函数或数值规律式（1）时，即可通过数值分析法求解出挡板各点处对应的弧长l。通常，为提高铝膜镀制的效率挡板各点的弧长相对光栅基底尺寸较小，因此，可假定铝膜在弧长上各点的蒸发速率是相同的，则式（4）可近似为：

其中，θ为弧长相对回转中心（x0，0，0）的张角，则挡板参数即是确定弧长l相对于回转中心的张角。由式（2）、式（6）和式（7）可以求得l为：

利用式（8）则可求取出挡板的轮廓曲线。

3 镀膜机均匀性实验

依据设计要求，光栅的面积为520mm×420mm，另外还要陪镀一块面积为520mm×100mm的毛坯用于光栅试刻，因此，总镀膜尺寸为520mm×520mm。基底中心与回转中心重合，中心与原点的距离为365mm。在该布置基础上，进行光栅基底不旋转情况下的膜厚分布测试。两次实验条件相同，蒸镀时间为2h。利用台阶仪测试X轴上等距分布的20个点的膜厚，各点间隔30mm，绘制曲线如图4所示。

图4 静态膜厚测试

由图4可以看出，两次实验所镀制出的膜厚具有很好的重复性。假设蒸发速率函数与时间不相关，并且膜厚函数在光栅基底平面上以原点为中心不同半径上各点的蒸发速率值均相等，因此，通过图4中曲线即可求取二维光栅基底平面上各点的蒸发速率。图4中两次曲线的均值作为该镀膜机的膜厚曲线，采用多项式最小二乘法拟合膜厚曲线，多项式阶次选取为5。计算得到拟合的膜厚曲线为：

系数a0，a1，a2，a3，a4，a5见表2，拟合误差均方根和小于0.01%。

膜厚的各项拟合系数见表2。

表2 膜厚的各项拟合系数

根据式（9）可得光栅基底的二维膜厚分布为：

绘制膜厚分布如图5所示。

图5 静态条件下基底膜厚二维分布

根据图5，利用式（3）即可求得光栅基底旋转时的膜厚曲线。在相同条件下进行工件旋转情况下的厚度均匀性实验，对比计算与实验的结果，绘制光栅基底X轴上的膜厚曲线如图6所示。

图6 基底旋转状态下X轴膜厚计算与实测对比曲线

由图6可以看出，计算结果与实验结果具有较好的一致性，并且铝膜厚度的均匀性误差达到±6%，无法满足刻划要求，因此，必须利用膜厚修正挡板来对膜层厚度进行修正。

4 镀膜机挡板设计及实验

根据图6测试曲线，利用式（8）和式（10）进行修正挡板设计，光栅膜厚目标值h0设定为12μm。计算得到挡板形状如图7所示。

图7 挡板轮廓曲线

挡板安装在远离源的X轴上，对比离源较近的一侧，安装在该侧时对挡板的加工误差和安装误差敏感度较低。

依据设计挡板的轮廓坐标轨迹，采用铝材料加工挡板。安装挡板，在基底旋转状态下镀制铝膜，测得X轴上铝膜厚度曲线如图8所示。

图8 安装挡板后X轴膜厚分布实测与计算曲线对比

从图8中可以看出，在镀膜机内增加了修正挡板以后，膜层厚度均匀性有了很大的提高，降低至±0.96%，满足大尺寸中阶梯光栅刻划对铝膜均匀性的要求。

5 结 语

平面夹具转动镀膜机的均匀性无法满足中阶梯光栅膜层厚度均匀性的要求。在确保镀膜机重复性的情况下设计修正挡板，实验证明，设计的挡板明显改善了膜层厚度均匀性，均匀性误差从±6%降低至±0.96%，满足520mm×520mm大尺寸中阶梯光栅的刻划需求。对比行星式夹具镀膜机，这种方法有效降低了镀膜机真空室尺寸，节约成本。继续提高镀膜机的重复性，膜层的厚度均匀性还会进一步提高。

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