一种利用离子束刻蚀制备线性渐变滤光片的方法

上海理工大学 陈鹏

线性渐变滤光片

制备方法

在离子束出射窗口和待加工样片之间，垂直于离子束出射方向放置开有三角形窗口的挡板，离子束刻蚀时，样片以某一恒定速率来回运动，经过一定的刻蚀次数后，获得垂直于样品运动方向上的厚度差异，最终获得设计的楔形间隔层。

图1 LVOF加工流程示意图

线性渐变滤光片制备的完整工艺流程如图1。首先，在K9基底上进行第一次镀膜，将下层膜系和中间谐振腔层镀好；其次，按上述方法对中间层进行刻蚀，获得具有一定楔角的楔形谐振腔层；最后，配合第二次镀膜，即可完成线性渐变滤光片的制备。

图2 离子束刻蚀示意图

图3 样品和挡板示意图

图2为离子束刻蚀过程示意图，图3为楔形谐振腔层各个参数示意图，三角形底边长度为L，三角形的高为H，沿样品台运动方向不同高度对应的开口宽度为D，对应的高为h，则D是关于h的函数，可表示为D(h) = Lh/H；不同高度对应的蚀刻深度可表示为W(h) = DvN/V = LhvN/(VH )。

式中v为介质材料在特定蚀刻条件下的蚀刻速率；V为样品台的运动速率；N为来回刻蚀的遍数。实验采用的挡板尺寸为L= 60 mm、H= 80 mm，样品刻蚀前，首先对谐振腔层材料的刻蚀速率进行标定，根据设计的蚀刻深度要求以及标定的材料刻蚀速率，计算出需要来回刻蚀的遍数，在离子束刻蚀机中设定好相关参数，刻蚀后即可获得预期的楔形谐振腔层。

滤光片制备

滤光片采用了尺寸为80 mm X 10 mm 的K 9基片。首先，需要完成下层反射膜系以及中间谐振腔层的镀制。谐振腔层厚度设计为670 nm。第一次镀膜完成后，进行样品刻蚀前的速率标定实验。实验均采用相同的离子源参数：加速电压500 eV、束流200 m A。分别设定工作气体参数为Ar（氩气）流量15 sccm（1 sccm =l mL/min）、Ar/CF4流量5/10 sccm，测定了两种条件下SiO2材料的刻蚀速率分别为1.33 nm/s和3.83 nm/s。

为提高刻蚀效率，选用Ar和CF4作为工作气体。设定工作气体参数Ar/CF4流量5/10 sccm，样品台的运动速率V=2 mm/s，该条件下要获得预期的470～630 nm 厚度范围的谐振腔层，样品来回刻蚀3遍即可。设计了刻蚀遍数N = l，2，3 三组谐振腔层刻蚀实验，不同的刻蚀遍数会产生不同的谐振腔结构，在滤光片性能上体现为具有不同的工作波段范围。多遍刻蚀时，每遍刻蚀之间间隔10～20 min以避免持续刻蚀产生的基片过热对材料刻蚀速率的影响。待三组样片谐振腔层刻蚀完成以后，进行第二次镀膜即上层膜系的镀制，镀制完以后，即完成了线性滤光片的制备。

结论

本文简便的离子束刻蚀制备线性渐变滤光片的方法，通过在离子束出射窗口和待加工样片之间加入特定形状挡板，通过控制挡板来回移动的速率和遍数，来获得设计的楔形谐振腔层结构，配合镀膜技术，即可完成线性渐变滤光片的制作。相比现有的滤光片制作方法，本文方法只涉及镀膜和刻蚀两种制备工艺，具有离子束刻蚀速率稳定可调控，楔形谐振腔层可自由设计，制备基本不受滤光片尺寸大小影响等特点，对于线性渐变滤光片的制作具有实际参考价值。

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