СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ
METHOD TO PRODUCE DIFFRACTION GRATING

Изобретение относится к оптике, а именно к дифракционным решеткам, и может быть использовано в электронной технике СВЧ и, прежде всего, в антенных системах в качестве чувствительного элемента поляризационного переключателя каналов.
Известен способ изготовления дифракционной решетки, в котором формирование заданной структуры дифракционной решетки осуществляют чисто механически, например, посредством элементарного наматывания на металлическое кольцо заданного размера витков проволоки с заданным шагом, которые закреплены на кольце методом гальванопластики. Проволока выполнена из вольфрама заданного диаметра [1].
Известна дифракционная решетка и способ ее изготовления, при этом последний заключается в изготовлении формы путем обработки подложки, в результате которой получают первую поверхность и расположенную напротив нее дополнительную поверхность, образующую канавку, изготовлении фотошаблона с помощью указанной формы и последующем изготовлении с помощью этого фотошаблона дифракционной структуры, содержащей грани, расположенные под углом к поверхности подложки, причем на каждой из указанных граней образуется дифракционная решетка. При этом при изготовлении формы на первой стадии обрабатывают подложку посредством механической обработки путем повторных проходов режущего инструмента, причем инструмент режет подложку все более глубоко при каждом проходе инструмента, образуя первую поверхность резания, на которой имеются линии механической обработки, на второй стадии повторяют первую стадию, образуя дополнительную поверхность, на которой имеются линии механической обработки, а образованная на гранях дифракционная решетка соответствует линиям механической обработки на поверхностях, образующих канавку [2].
При этом дифракционная решетка имеет период не более 500 нм, а длина оснований граней находится в диапазоне от 1 до 100 мкм, впадина дифракционной решетки находится в диапазоне от 0,1 мкм до половины размера грани при условии, что максимум составляет 0,5 мкм, при этом используют дифракционные решетки с периодом менее длины волны, соответствующей воспринимаемому цвету, а противоположные грани выполнены с возможностью улавливания света с меньшей длиной волны.
Оба данных способа изготовления дифракционной решетки отличаются низкой точностью и воспроизводимостью элементов заданной структуры, а также большой трудоемкостью изготовления.
Более того, разрешающая способность дифракционной решетки, описанной в аналоге [2], определяет ее использование только в коротковолновой части диапазона длин волн.
Известны способы изготовления дифракционных решеток, в которых с целью повышения точности и воспроизводимости элементов заданной структуры, а также снижения трудоемкости изготовления формирование заданной структуры дифракционной решетки осуществляют посредством широко известного метода фотолитографии [3, 4, 5, 6, 7].
Более подробно из них рассмотрим аналоги, описанные в [5, 6 и 7].
Способ изготовления дифракционной решетки - структуры посредством упомянутого метода фотолитографии, описанный в аналоге [5], включает в себя следующие операции:
- изготовление фоторезистивного слоя с первой рельефной структурой на плоской подложке, изготавливаемой отформовыванием рельефной матрицы, противоположной относительно подложки рельефной матрицы на свободной поверхности слоя,
- удаление рельефной матрицы,
- формирование интерференционной картины на рельефной структуре, причем когерентный свет разлагают на частичный луч и опорный луч, при этом частичный луч и опорный луч, образующие предварительно заданный угол пересечения, вызывают возникновение интерференции на отформованной первой рельефной структуре,
- ориентирование интерференционной картины, включающей в себя полосы большой интенсивности света, отделенные полосами низкой интенсивности света, по азимуту относительно первой рельефной структуры посредством вращения подложки вокруг нормали к плоскости подложки,
- экспонирование первой рельефной структуры в фоторезистивном слое посредством интерференционной картины в течение предварительно заданного времени,
- проявление фоторезистивного слоя в течение предварительно заданного времени, причем измененный за счет экспонирования материал фоторезистивного слоя частично удаляют, в результате чего в первой рельефной структуре возникают бороздки дифракционной структуры.
Способ изготовления дифракционных оптических элементов, описанный в аналоге [6], заключается в формировании ступенчатого рельефа также методом фотолитографии, включающем послойное нанесение маскирующих фоторезистивных слоев, каждый из которых подвергают операциям засветки через соответствующий фотошаблон, проявления и задубливания. При этом формирование ступенчатого рельефа начинают со второй ступени, а после получения всех ступеней на них наносят дополнительный маскирующий фоторезистивный слой, устойчивый к анизотропному травлению, экспонируют его через соответствующий фотошаблон, после чего осуществляют анизотропное травление с формированием первой ступени и вертикальной стенки рельефа на границах разрыва фазовой функции.
Как было указано выше, благодаря использованию метода фотолитографии в аналогах, описанных в [5 и 6], повышена точность и воспроизводимость элементов заданной структуры, а также снижена трудоемкость изготовления дифракционной решетки по сравнению с аналогами, описанными в [1 и 2].
Однако разрешающая способность данных дифракционных решеток, как и в аналоге, описанном в [2], определяет их использование только в коротковолновой части диапазона длин волн.
Из дифракционных решеток, описанных в аналогах [3, 4, 5, 6, 7], только дифракционная решетка, описанная в аналоге [7], взятая за прототип, предназначена для дифракции электромагнитных волн СВЧ диапазона и может быть использована в устройствах СВЧ, в частности антенных системах СВЧ диапазона.
Дифракционная решетка представляет собой диэлектрическую металлизированную пластину с заданной структурой элементов, в каждой точке которой коэффициент отражения (преломления) может быть сформирован произвольно не только по величине, но и по знаку.
Способ изготовления дифракционной решетки заключается в формировании на предварительно обработанной в обезжиривающем растворе поверхности исходной пластины элементов заданной структуры дифракционной решетки методом фотолитографии и последующем закреплении заданной структуры на носителе.
Данный способ изготовления опять же в силу использования метода фотолитографии обеспечивает достаточную точность и воспроизводимость элементов заданной структуры дифракционной решетки.
Более того, как было указано выше, только данная дифракционная решетка, а также описанная в аналоге [1], предназначены для дифракции электромагнитных волн СВЧ диапазона.
Однако это имеет место быть при работе только с очень тонкими микронными слоями исходного материала и в силу этого требующего носителя, в данном случае это - тонкий металлизационный слой, нанесенный на диэлектрическую пластину - носитель.
Однако, как известно, диэлектрические материалы вносят значительные потери на СВЧ.
В силу чего данная дифракционная решетка, как и способ ее изготовления, не могут в полной мере обеспечить заданные параметры СВЧ, например, при использовании ее в фазированной антенной решетке в качестве чувствительного элемента поляризационного переключателя каналов.
Техническим результатом способа изготовления дифракционной решетки является повышение механической прочности, точности, воспроизводимости элементов заданной структуры и выхода годных.
Данный технический результат достигается способом изготовления дифракционной решетки, заключающимся в формировании на предварительно обработанной в обезжиривающем растворе поверхности исходной пластины элементов заданной структуры дифракционной решетки посредством прямой последовательности операций метода фотолитографии и технологических режимов их осуществления и последующей фиксации заданной структуры на носителе.
При этом исходная пластина выполнена из сплава молибден-рений толщиной не более 35 мкм, после предварительной обработки поверхности исходной пластины в обезжиривающем растворе ее дополнительно обрабатывают в растворе состава, вес.%:
Азотная кислота
35-40
Перекись водорода
30-35
Хлорид железа (III)
10-15
Вода
остальное
при комнатной температуре в течение 0,1-0,2 минут с последующим отжигом в атмосфере водорода при температуре 980-1000°С в течение 25-30 минут в оправке, выполненной из молибдена, а формирование элементов заданной структуры дифракционной решетки посредством прямой последовательности операций метода фотолитографии осуществляют при следующих технологических режимах упомянутых операций - нанесение фоторезистивного слоя осуществляют на обе стороны исходной пластины, экспонирование осуществляют с двух сторон через совмещенные между собой стеклянные железо-окисные фотошаблоны, проявление осуществляют в растворе состава, вес. %:
Едкий калий
0,5-0,6
Поверхностно-активное вещество
0,1-0,15
Вода
остальное
при комнатной температуре в течение 0,3-0,5 минут, задубливание осуществляют при температуре 200-210°С, удаление незащищенных участков исходной пластины осуществляют в растворе состава, вес.%:
Азотная кислота
35-40
Перекись водорода (30%)
30-35
Хлорид железа (III)
10-15
Динатриевая соль этилендиамин NNN<sup>1</sup>N<sup>1</sup>
тетрауксусной кислоты (Трилон Б)
0,5 - 1,5
Вода
остальное
при температуре 50-55°С в течение 1-1,2 минут, удаление остатков фоторезистивного слоя осуществляют в растворе состава, вес.%:
Едкий натрий
10-12
Перекись водорода (30%)
5-10
Вода
остальное
при температуре 75-80°С до полного его удаления, а фиксируют заданную структуру по ее периметру между двух полос, выполненных из коррозионно-стойкого молибдена, толщиной, равной каждая не более 1,5 мм, шириной не менее 3 мм и не более периметра заданной структуры с конфигурацией, аналогичной конфигурации исходной пластины, посредством пайки припоем на основе серебра в восстановительной газовой среде.
При этом следует отметить, что температура пайки указанным припоем соответствует его эвтектике, а именно 780°С.
Заявленная совокупность существенных признаков способа изготовления дифракционной решетки обеспечит, а именно:
сплав молибден-рений, в силу его свойств - высокой механической прочности, коррозионной и термостойкости, обеспечивает эти свойства и дифракционной решетке.
Дополнительная обработка поверхности исходной пластины и предложенный технологический режим ее проведения обеспечивают:
во-первых, повышение адгезии последующего фоторезистивного слоя с исходной пластиной благодаря:
а) практически полному удалению окислов металлов сплава молибден-рений,
б) сформированной развитой поверхности исходной пластины, выраженной в том числе в ее шероховатости,
а в свою очередь повышение адгезии последующего фоторезистивного слоя с исходной пластиной исключает возможность его нарушения и, как следствие - повышение точности и воспроизводимости элементов заданной структуры;
во-вторых, благодаря щадящему режиму травления исходной пластины - сохранение ее заданной толщины и, как следствие - повышение механической прочности и выхода годных.
А последующий предложенный режим отжига обеспечивает повышение ее плоскостности не хуже 3 мкм и, как следствие - повышение точности и воспроизводимости элементов заданной структуры.
А проведение отжига в оправке, выполненной из молибдена, одного из материалов сплава, из которого выполнена исходная пластина, исключает внесение примесей другого материала, могущих привести к снижению адгезии последующего фоторезистивного слоя с исходной пластиной на последующих операциях.
Количество азотной кислоты, перекиси водорода и хлорида железа менее 35, 30 и 10 вес.% соответственно неэффективно с точки зрения осуществления травления, а более 40, 35 и 15 вес.% приводит к увеличению скорости травления, могущей привести к нежелательному съему толщины без того очень тонкой исходной пластины.
Использование двустороннего нанесения фоторезистивного слоя на исходную пластину обеспечивает уменьшение бокового подтрава и, как следствие - повышение точности и воспроизводимости элементов заданной структуры.
Осуществление экспонирования через совмещенные между собой стеклянные железо-окисные фотошаблоны благодаря высокой точности их изготовления обеспечивает высокую точность формирования фоторезистивной маски и, следовательно - повышение точности и воспроизводимости элементов заданной структуры.
Проявление в предложенном растворе едкого калия с добавкой поверхностно-активного вещества обеспечивает:
а) возможность проведения данной операции при комнатной температуре, но с достаточно высокой скоростью травления и минимальным его временем, что в свою очередь обеспечивает целостность фоторезистивной маски как с точки зрения сохранения ее толщины, так и исключения ее бокового подтрава,
б) более того, добавка поверхностно-активного вещества также способствует более полному удалению продуктов реакции и прежде всего между элементами заданной структуры, имеющими малые размеры порядка 30 мкм.
И, как следствие того и другого - повышение точности и воспроизводимости элементов заданной структуры.
Содержание в растворе едкого калия и поверхностно-активного вещества менее 0,5 и 0,1 соответственно неэффективно, так как приводит к значительному снижению скорости проявления и неполному удалению продуктов реакции, а более 0,6 и 0,15 может привести к разрушению фоторезистивной маски.
Проведение задубливания при более высокой температуре (обычно принято 110-120°С) способствует более полному удалению остатков растворителя фоторезистивного слоя, приводящему к уменьшению пористости фоторезистивной маски и, как следствие, повышению ее защитных свойств, в том числе адгезии к исходной пластине при последующих операциях, и, как следствие - повышению точности, воспроизводимости элементов заданной структуры и выхода годных.
Повышение температуры задубливания более 210°С не допустимо, так как происходит разрушение - деструкция фоторезистивной маски.
Предложенный технологический режим для удаления незащищенных участков исходной пластины обеспечивает:
с одной стороны - повышение скорости травления благодаря окислительно-восстановительным реакциям, протекающим между перекисью водорода, хлоридом железа и материалом исходной пластины - сплав молибден-рений, в результате чего химически стойкий сплав молибден-рений переходит в более растворимые соли, тем самым обеспечивается достаточно высокая скорость травления порядка 25-30 мкм/мин и, соответственно, сокращение времени пребывания фоторезистивной маски в агрессивной среде и тем самым обеспечивается сохранение ее защитных свойств;
А с другой стороны - снижение температуры травления, которое в свою очередь обеспечивает повышение равномерности травления по всей поверхности исходной пластины.
И, как следствие того и другого - повышение точности и воспроизводимости элементов заданной структуры дифракционной решетки.
1
1
Наличие в растворе динатриевой соли этилендиамин NNNN тетрауксусной кислоты, далее просто трилон Б, увеличивает анизотропные свойства раствора - травителя, тем самым уменьшает величину бокового подтрава с 12-15 мкм до 7-8 мкм и тем самым практически исключает возможность перетравливания элементов заданной структуры дифракционной решетки, и, как следствие - повышение механической прочности и выхода годных.
Количество азотной кислоты, перекиси водорода и хлорида железа менее 35, 30 и 10 вес.% соответственно и снижение температуры менее 50°С приводят к снижению скорости травления, соответственно, увеличению времени травления и, соответственно, увеличению времени пребывания фоторезистивной маски в агрессивной среде и, как следствие - ухудшению защитных свойств фоторезистивной маски, могущее привести к отслаиванию элементов заданной структуры, а более 40, 35 и 15 вес.% соответственно и повышение температуры более 55°С - к бурному газовыделению продуктов реакции, что в свою очередь увеличивает боковой подтрав вплоть до перетравливания элементов заданной структуры дифракционной решетки, и, как следствие - снижение механической прочности и выхода годных.
Количество трилона Б менее 0,5 вес.% неэффективно, а более 1,5 вес.% нежелательно, так как практически не увеличивает анизотропные свойства раствора, но при этом наблюдается снижение скорости травления.
Предложенный технологический режим для удаления фоторезистивного слоя обеспечивает, а именно:
во-первых, в результате взаимодействия перекиси водорода с фоторезистивным слоем происходит в том числе активное газовыделение, что обеспечивает элементарное отслаивание фоторезистивного слоя от исходной пластины, и тем самым значительное сокращение времени данной операции с 2 часов до 10-15 минут, и как результат этого снижение времени пребывания заданной структуры дифракционной решетки в агрессивной среде, и, как следствие - повышение механической прочности, воспроизводимости элементов заданной структуры и выхода годных,
во-вторых, исключение механической деформации, обусловленной наличием остатков фоторезистивного слоя между тонкими элементами заданной структуры, которые благодаря активному окислению разрушаются, и, как следствие - повышение выхода годных.
Содержание в растворе едкого натрия и перекиси водорода менее 10 и 5 вес.% соответственно неэффективно, а более 12 и 10 вес.% соответственно приводит к неуправляемой химической реакции.
Предложенная фиксация заданной структуры дифракционной решетки, выполненной из сплава молибден-рений, на носителе, выполненном из коррозионно-стойкого молибдена, обеспечивает наилучшую согласованность их коэффициентов термического расширения и при том, что молибден имеет невысокий коэффициент температурного расширения - это в совокупности обеспечивает повышение жесткости и тем самым плоскостности, что в свою очередь исключает возможность деформации элементов заданной структуры, и, как следствие - повышение механической прочности, воспроизводимости элементов заданной структуры и выхода годных.
Итак, совокупность существенных признаков заявленного способа изготовления дифракционной решетки обеспечит указанный технический результат, а именно повышение механической прочности, точности, воспроизводимости элементов заданной структуры и выхода годных.
Изобретение поясняется чертежом.
На чертеже дана дифракционная решетка, изготовленная заявленным способом, где исходная пластина 1, заданная структура дифракционной решетки 2, закрепленная между двумя полосками 3, выполненными из молибдена, ее сечение, а также ее фрагмент А в масштабе (50:1).
Примеры конкретного изготовления дифракционной решетки заявленным способом.
Пример 1.
При этом используют следующие материалы.
Фольга сплава молибден-рений МР-47 ВП 0,03 ТУ 48-19-271-85.
Азотная кислота марки «ОСЧ» ГОСТ 11125-84.
3
Перекись водорода марки «медицинская» ГОСТ 177-88 плотность 1,1 г/см.
Хлорид железа (111) марки «Ч» ГОСТ 4147-7.
1
1
Динатриевая соль этилендиамин NNNN тетрауксусной кислоты (Трилон Б).
Натрий едкий марки «Ч» ГОСТ 4328-77.
Калий едкий марки «ХЧ» ГОСТ 2436-38.
ДС-10 (синтанол) (поверхностно-активное вещество) ТУ 6-14-577-88.
Вода деионизованная марки «Б».
Берут исходную пластину из сплава молибден-рений толщиной 30 мкм,
- затем осуществляют предварительную обработку поверхности упомянутой исходной пластины в обезжиривающем растворе, например, состава, вес.%: натрий щавелевокислый - 4, натрий углекислый - 3, ДС-10 - 1,5, вода - остальное,
- затем ее дополнительно обрабатывают в растворе состава, вес.%: азотная кислота - 37,5, перекись водорода - 32,5, хлорид железа - 12,5, вода - остальное при комнатной температуре в течение 0,15 минут с последующей сушкой в сушильном шкафу при температуре не более 70°С, с последующим отжигом в оправке, выполненной из молибдена, в атмосфере водорода при температуре 990°С в течение 27,5 минут.
Далее на упомянутой поверхности исходной пластины формируют заданную структуру элементов дифракционной решетки методом фотолитографии, включающим прямую последовательность следующих операций и при следующих технологических режимах их проведения:
- наносят фоторезистивный слой на обе противоположные стороны упомянутой исходной пластины,
- экспонируют через совмещенные между собой стеклянные железо-окисные фотошаблоны,
- проявляют в растворе состава вес.%: едкий калий - 0,55, ДС-10 - 0,125, вода - остальное,
- осуществляют задубливание при температуре 205°С,
- удаляют незащищенные участки исходной пластины в растворе состава, вес.%: азотная кислота - 37,5, перекись водорода - 32,5, хлорид железа - 12,5, Трилон Б - 1,0, вода - остальное при температуре 52,5°С в течение 1,1 мин,
- удаляют остатки фоторезистивного слоя в растворе состава, вес.%: едкий натрий - 11, перекись водорода (30%) - 7,5, вода - остальное, при температуре 77,5°С до полного его удаления.
Далее проводят визуальный контроль на предмет деформаций, в том числе обрывов элементов заданной структуры, глубоких подтравов, наличия остатков фоторезистивного слоя.
Далее проводят контроль изготовленной структуры дифракционной решетки на предмет соответствия ее заданной структуре посредством замера геометрических размеров ее элементов.
Далее фиксируют заданную структуру между двух полос, выполненных из коррозионно-стойкого молибдена, каждая толщиной, равной не более 1,5 мм, и шириной не менее 3 мм, посредством пайки припоем на основе серебра в водородной печи при температуре 780°С.
Примеры 2-5. Были изготовлены дифракционные решетки аналогично примеру 1, но при других технологических режимах, как указанных в формуле изобретения, так и выходящих за ее пределы.
На изготовленных образцах дифракционной решетки определены:
а) точность - как отклонение геометрических размеров элементов структур изготовленных образцов от заданной структуры,
б) воспроизводимость элементов заданной структуры, о которой судят по наличию обрывов, отсутствию перетравливания или недотравливания элементов структур изготовленных образцов,
в) выход годных в процентах.
Данные сведены в таблицу.
Как видно из таблицы, образцы дифракционных решеток, изготовленные согласно заявленному способу, отличаются:
а) отклонением геометрических размеров элементов структур от заданной структуры порядка 8-10 процентов, что говорит о достаточно высокой точности,
б) отсутствием обрывов, перетравливания или недотравливания элементов структуры дифракционной решетки, что говорит о высокой механической прочности и воспроизводимости элементов заданной структуры,
в) отсутствием провисания, что говорит о повышенной жесткости, и тем самым плоскостности, и тем самым исключении возможности деформации, и, как следствие - высокой механической прочности,
Все это обеспечивает высокий выход годных порядка 55-60 процентов.
Таким образом, заявленный способ изготовления дифракционной решетки позволит повысить механическую прочность, точность, воспроизводимость и выход годных.
Более того, данная дифракционная решетка может быть использована в электронной технике СВЧ и, прежде всего, в фазированной антенной решетке в качестве чувствительного элемента поляризационного переключателя каналов.
Источники информации
1. В.Эспе. Технология электровакуумных материалов, том 1, перевод с нем. под общей редакцией проф. Р.А.Нилендера и др., М.: Государственное энергетическое издательство. 1962, с.573.
2. Патент РФ № 2162240, МПК G02B 5/18, приоритет 1998.07.06, опубл. 2000.05.20.
3. Патент РФ № 2047877, МПК G02B 5/18, приоритет 1992.15.15, опубл. 1995.11.19.
4. Заявка № 99112341, МПК G02B 5/18, приоритет 1999.06.07, опубл. 2001.04.10.
5. Патент РФ № 2310896, МПК G02B 5/18, приоритет 2004.03.18, опубл. 2006.03.27.
6. Патент РФ № 2231812, МПК G02B 5/18, приоритет 2002.05.21, опубл. 2004.06.27.
7. Заявка № 93039631, МПК H01Q 15/00, приоритет 1993.08.03, опубл. 1996.01.10 - прототип.