具有高衍射效率的大口径薄膜衍射元件的制作方法技术

为了解决目前在大口径薄膜衍射元件制备工艺中存在的技术难题，本发明专利技术提供了一种具有高衍射效率的大口径薄膜衍射元件的制作方法，包括5个步骤：步骤1为多台阶浮雕结构石英基底制作，步骤2为聚合物溶液的涂覆，步骤3为聚合物溶液的固化成膜，步骤4为薄膜与基底的分离，步骤5为薄膜的拼接。有益的技术效果：本发明专利技术具有低成本、重复性高、简单高效的优点。由本方法制备出的元件的衍射效率不低于70％。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及衍射光学元件
，尤其涉及一种具有高衍射效率的大口径薄膜衍射元件的制作方法。
技术介绍
现代化战争形式的发展对空间遥感系统提出了更高的要求。地球同步轨道卫星具有高时效性、持续探测能力等优势，适合未来军事发展的需求。为了提高地球同步轨道卫星对地分辨率，需要研制大口径空间望远镜系统。传统的反射镜重量随着口径加大激剧增加，对火箭的运载能力是很大的挑战，大口径的反射镜加工也十分困难。衍射薄膜成像系统可以实现轻量化、大口径、面型公差大、空间可展开、易复制等特点，能极大的降低制造成本和发射成本。但是目前对于衍射薄膜成像系统的制作，主要通过多次光刻‐离子束刻蚀、激光重复直写方式‐离子束刻蚀方法制备二元光学薄膜成像元件。在多次光刻过程中，不同层的对准精度严重制约着衍射效率，并且重复性较差。激光重复直写方式需要具有高对准精度的激光直写设备，成本较高。目前国内外在大口径(200mm以上)薄膜衍射元件工艺上，已报道的最高衍射效率为55％，衍射效率仍然不够理想，严重制约薄膜衍射元件在大口径光学元器件领域的推广与运用。如何提出新的微纳制作技术，克服现有衍射薄膜成像系统的制作中的不足，发展低成本的、重复性高、简单高效的方法制作高衍射效率、大口径薄膜成像元件仍然十分迫切。
技术实现思路
为了解决大口径薄膜衍射元件制备工艺中存在的设备要求高、制造成本高、衍射效率低、工艺重复性低、成品率低、制备工艺复杂等技术问题，本专利技术提供了一种低成本、重复性高、简单高效的高效率、大口径薄膜成像元件制备方法。具体如下：具有高衍射效率的大口径薄膜衍射元件的制作方法，包括5个步骤，依次为：多台阶浮雕结构石英基底制作，聚合物溶液的涂覆，聚合物溶液的固化成膜，薄膜与基底的分离，薄膜的拼接。进一步说，具体按如下步骤进行：步骤1：多台阶浮雕结构石英基底制作：即制作含有2m个台阶的石英浮雕结构件；取一块石英基块，对其进紫外光刻和离子束刻蚀附加保护层制作得到含有2m个台阶的石英浮雕结构件，其中，m>1；步骤2：聚合物溶液的涂覆：将聚酰胺酸溶液涂覆在由步骤1获得的含有2m个台阶的石英浮雕结构件上，获得表面覆盖有聚酰胺酸溶液层的石英浮雕结构件；其中，涂覆的次数不小于3次；完成涂覆后，含有2m个台阶的石英浮雕结构件表面聚酰胺酸溶液层的厚度不小于15微米；步骤3：聚合物溶液的固化成膜：将表面覆盖有聚酰胺酸溶液层的石英浮雕结构件放置在室温、隔绝空气扰动的环境下24h；随后，在氮气保护下升温至350°烘烤1h，得到表面覆盖有聚酰亚胺薄膜的石英浮雕结构件；步骤4：薄膜与基底的分离：将表面覆盖有聚酰亚胺薄膜层的石英浮雕结构件浸泡在乙醇与水的混合溶液中，其中乙醇：水的体积比为1:2，聚酰亚胺薄膜自石英浮雕结构件的表面分离，随后，将分离的聚酰亚胺薄膜放在100°以上的温度下烘烤去除聚酰亚胺薄膜表面的水分，得到含有2m个台阶的单块薄膜成像元件，简称为薄膜子镜；步骤5：薄膜的拼接：通过重复步骤2至步骤4三遍以上，将获得的薄膜子镜拼接在一起，得到成品。更进一步说，当m＝2时的具体制备方法如下：步骤1：制作含有22个台阶的石英浮雕结构件，即m＝2；步骤1.1取一块石英基底；所述石英基底的上表面镀Cr(铬)膜；将该镀Cr膜的石英基底的上表面自左向右地划分成4个区域，依次为：第一台阶区域、第二台阶区域、第三台阶区域和第四台阶区域；取第一块mask(掩膜板)放置在石英基底上进行第一次紫外光刻，将第二台阶区域和第四台阶区域的Cr膜去除，后进行第一次刻蚀；第一次刻蚀的刻蚀深度为h0，获得经过一次光刻的石英基底；第一次刻蚀的深度h0应该符合下式: h 0 = λ 4 ( n - 1 ) ; ]]>其中，n为聚酰亚胺薄膜的折射率，λ为本衍射元件的设计波长；步骤1.2取第二块mask放置在由步骤1.1获得的经过一次刻蚀的石英基底上，用光刻胶将第二台阶区域进行保护，对第四台阶区域进行第二次刻蚀，获得经过二次刻蚀的石英基底；本步骤中，对第四台阶区域刻蚀的深度为2h0；进行第二次光刻所用的mask掩模以第一台阶区域至第三台阶区域的总长度的中点为对准点；步骤1.3由步骤1.2获得的经过二次刻蚀的石英基底上，在第二台阶区域、第四台阶区域的上表面进行第一次的附加保护层的制作，将第二台阶区域、第四台阶区域保护起来；取第三块mask，通过第三次紫外光刻将第一台阶区域用光刻胶保护起来，用去铬液去除第三台阶区域顶部的Cr膜；对第三台阶区域进行刻蚀，获得经过三次刻蚀的石英基底；对第三台阶区域进行刻蚀的深度为2h0；进行第三次光刻所用的mask掩膜以第一台阶区域的起点至第二台阶区域总长度的中点为对准点，步骤1.4将经过三次刻蚀的石英基底表面的光刻胶(即保护层)去除后得到含有22个台阶的石英浮雕结构件(即m＝2)；步骤2：分2个子步骤：步骤2.1对由步骤1获得的含有22个台阶的石英浮雕结构的表面进行旋涂：将的聚酰胺酸溶液倾倒在由步骤1获得的含有22个台阶的石英浮雕结构件上，静置20min让PMDA/ODA型聚酰胺酸溶液自由流延至含有22个台阶的石英浮雕结构件的基底边缘，随后进行旋涂；旋涂结束后，在室温下静置30min；步骤2.2重复步骤2.1三次，获得表面覆盖有聚酰胺酸溶液层的石英浮雕结构件；步骤3：将表面覆盖有聚酰胺酸溶液层的石英浮雕结构件放置在室温、隔绝空气扰动的环境下24h；随后，在氮气保护下(目的是防止氧化)升温至350°烘烤1h，得到表面覆盖有聚酰亚胺薄膜的石英浮雕结构件；步骤4：剪裁一张尺寸略小于表面覆盖有聚酰亚胺薄膜的石英浮雕结构件表面积的PET膜，平整的放置在光学平台上，并在该PET膜的边缘涂上一圈AB胶，将表面覆盖有聚酰亚胺薄膜的石英浮雕结构件与该PET膜粘合，待AB胶固化后，将表面覆盖有聚酰亚胺薄膜的石英浮雕结构件浸泡在乙醇与水的混合溶液中10min；借助PET膜将聚酰亚胺薄膜揭开；随后，将聚酰亚胺薄膜在105°温度下烘烤20min去除该薄膜表面水分，待自然冷却后，将聚酰亚胺薄膜转移到金属支撑架上，至此得到薄膜子镜；步骤5：用步骤1获得的含有22个台阶的石英浮雕结构件，重复步骤2至步骤4，得到3块以上薄膜子镜；将薄膜子镜组装成一个整体，并用激光干涉仪照射相邻2块薄膜子镜之间的需要拼接的区域，调整该两块薄膜子镜的相对位置；每完成一对薄膜子镜的调节即进行一次固定，待完成全部薄膜子镜之间的调节与固定后即获得成品。本专利技术的优点和积极效果：1、本专利技术采用的制备方法与传统多次套刻方法相比，对准精度要求低，对准精度只需要控制在特征尺寸的1/2以内(在可见光波段通常只需控制在1微米至数微米以内)，最终都能得到无对准误差的高衍射效率多台阶槽型结构，重复性好、简单有效；2、本专利技术采用的制备方法与激光重复直写方法相比，不需要具有高对准精度的直写设备，所用的紫外光刻设备成本较低；3、本专利技术采用的基底制备‐薄膜复制方法，避免了光刻过程中薄膜表面控制的困难，降低本文档来自技高网...

【技术保护点】
具有高衍射效率的大口径薄膜衍射元件的制作方法，其特此在于：包括5个步骤，依次为：多台阶浮雕结构石英基底制作，聚合物溶液的涂覆，聚合物溶液的固化成膜，薄膜与基底的分离，薄膜的拼接。

【技术特征摘要】
1.具有高衍射效率的大口径薄膜衍射元件的制作方法，其特此在于：包括5个步骤，依次为：多台阶浮雕结构石英基底制作，聚合物溶液的涂覆，聚合物溶液的固化成膜，薄膜与基底的分离，薄膜的拼接。2.具有高衍射效率的大口径薄膜衍射元件的制作方法，其特此在于：按如下步骤进行：步骤1：多台阶浮雕结构石英基底制作：即制作含有2m个台阶的石英浮雕结构件；取一块石英基块，对其进紫外光刻、离子束刻蚀和附加保护层制作得到含有2m个台阶的石英浮雕结构件，其中，m>1；步骤2：聚合物溶液的涂覆：将聚酰胺酸溶液涂覆在由步骤1获得的含有2m个台阶的石英浮雕结构件上，获得表面覆盖有聚酰胺酸溶液层的石英浮雕结构件；其中，涂覆的次数不小于3次；完成涂覆后，含有2m个台阶的石英浮雕结构件表面聚酰胺酸溶液层的厚度不小于15微米；步骤3：聚合物溶液的固化成膜：将表面覆盖有聚酰胺酸溶液层的石英浮雕结构件放置在室温、隔绝空气扰动的环境下24h；随后，在氮气保护下升温至350°烘烤1h，得到表面覆盖有聚酰亚胺薄膜的石英浮雕结构件；步骤4：薄膜与基底的分离：将表面覆盖有聚酰亚胺薄膜层的石英浮雕结构件浸泡在乙醇与水的混合溶液中，其中乙醇：水的体积比为1:2，进行聚酰亚胺薄膜与石英浮雕结构件的表面分离，随后，将分离的聚酰亚胺薄膜放在100°以上的温度下烘烤去除聚酰亚胺薄膜表面的水分，得到含有2m个台阶的单块薄膜成像元件，简称为薄膜子镜；步骤5：薄膜的拼接：通过重复步骤2至步骤4三遍以上，将获得的薄膜子镜拼接在一起，得到成品。3.如权利要求2所述的具有高衍射效率的大口径薄膜衍射元件的制作方法，其特此在于：m＝2时的具体制备方法如下：步骤1：制作含有22个台阶的石英浮雕结构件，即m＝2，；步骤1.1取一块石英基底；所述石英基底的上表面镀Cr膜；将该镀Cr膜的石英基底的上表面自左向右地划分成4个区域，依次为：第一台阶区域、第二台阶区域、第三台阶区域和第四台阶区域；取第一块mask放置在石英基底上进行第一次紫外光刻，将第二台阶区域和第四台阶区域的Cr膜去除，后进行第一次刻蚀；第一次刻蚀的刻蚀深度为h0，获得经过一次光刻的石英基底；第一次刻蚀的深度h0应该符合下式: h 0 = λ 4 ( n - 1 ) ; ]]>其中，n为聚酰亚胺薄膜的折射率，λ为本衍射元件的设计波长；步骤1.2取第二块mask放置在由步骤1.1获得的经过一次刻蚀的石英基底上，用光刻胶将第二台阶区域进行保护，对第四台阶区域进行第二次刻蚀，获得经过二次刻蚀的石英基底；本步骤中，对第四台阶区域刻蚀的深度为2h0；进行第二次光刻所用的mask掩模以第一台阶区域至第三台阶区域的总长度的中点为对准点；步骤1.3由步骤1.2获得的经过二次刻蚀的石英基底上，在第二台阶区域、第四台阶区域的上表面进行第一次的附加保护层的制作，将第二台阶区域、第四台阶区域保护起来；取第三块mask，通过第三次紫外光刻将第一台阶区域用光刻胶保护起来，用去铬液去除第三台阶区域顶部的Cr膜；对第三台阶区域进行刻蚀，获得经过三次刻蚀的石英基底；对第三台阶区域刻蚀的深度为2h0；进行第三次光刻所用的mask掩膜以第一台阶区域的起点至第二台阶区域总长度的中点为对准点，1.4将经过三次刻蚀的石英基底表面的光刻胶去除后得到含有22个台阶的石英浮雕结构件；步骤2：2.1对由步骤1获得的含有22个台阶的石英浮雕结构的表面进行旋涂：将聚酰胺酸溶液倾倒在由步骤1获得的含有22个台阶的石英浮雕结构件上，静置20min让PMDA/ODA型聚酰胺酸溶液自由流延至含有22个台阶的石英浮雕结构件的基底边缘，随后进行旋涂；旋涂结束后，在室温下静置30min；2.2重复步骤2.1三次，获得表面覆盖有聚酰胺酸溶液层的石英浮雕结构件；步骤3：将表面覆盖有聚酰胺酸溶液层的石英浮雕结构件放置在室温、隔绝空气扰动的环境下24h；随后，在氮气保护下升温至350°烘烤1h，得到表面覆盖有聚酰亚胺薄膜的石英浮雕结构件；步骤4：剪裁一张尺寸小于表面覆盖有聚酰亚胺薄膜的石英浮雕结构件表面积的PET膜，平整的放置在光学平台上，并在该PET膜的边缘涂上一圈AB胶，将表面覆盖有聚酰亚胺薄膜的石英浮雕结构件与该PET膜粘合，待AB胶固化后，将表面覆盖有聚酰亚胺薄膜的石英浮雕结构件浸泡在乙醇与水的混合溶液中10min；借助PET膜将聚酰亚胺薄膜揭开；随后，将聚酰亚胺薄膜在105°温度下烘烤20min去除该薄膜表面水分，待自然冷却后，将聚酰亚胺薄膜转移到金属支撑架上，至此得到薄膜子镜；步骤5：用步骤1获得的含有22个台阶的石英浮雕结构件，重复步骤2至步骤4，得到3块以上薄膜子镜；将薄膜子镜组装成一个整体，并用激光干涉仪照射相邻2块薄膜子镜之间的需要拼接的区域，调整该两块薄膜子镜的相对位置；每完成一对薄膜子镜的调节即进行一次固定，待完成全部薄膜子镜之间的调节与固定后即获得成品。4.如权利要求2所述的具有高衍射效率的大口径薄膜衍射元件的制作方法，其特征在于：步骤1：制作含有2m个台阶的石英浮雕结构件制作:步骤1.1取一块石英基底；所述石英基底的上表面镀Cr膜；将该镀Cr膜的石英基底的上表面自左向右地划分成2m个区域，依次为：第一台阶区域、第二台阶区域、….、第2m‐1台阶区域、第2m台阶区域；m不小于2；用k表示2m个台阶区域中序号为奇数的台阶区域，0<k≤2m‐1‐1，且k为奇数；取第一块mask放置在石英基底上进行第一次紫外光刻，通过第一次紫外光刻将未被第一块mask保护的石英基底表面裸露的Cr膜去除；在本步骤中，由第一块mask将石英基底的第2k‐1台阶区域和2k+1台阶区域保护起来，随后进行第一次刻蚀，获得经过一次光刻的石英基底；第一次刻蚀的深度h0应该符合下式: h 0 = λ 2 m ( n - 1 ) ]]>其中，n为聚酰亚胺薄膜的折射率，λ为本衍射元件的设计波长；步骤1.2取第二块mask放置在由步骤1.1获得的经过一次刻蚀的石英基底上，用光刻胶将第2k台阶区域进行保护，对第2k+2台阶区域进行第...

【专利技术属性】
技术研发人员：张健，刘正坤，邱克强，徐向东，付绍军，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34