一种新型楔形膜在真空中的制作方法及测试结果

2013-09-14 黄涛中国科学技术大学国家同步辐射实验室

　　提出了一种新型楔形膜在真空中的制作方法，可以替代白光干涉位移传感器中的关键元件。该方法采用两层复制技术，用有机材料SU8 胶作为楔形膜中间的材料。同时，搭建了白光干涉位移传感器系统，对制作的楔形膜进行了测量。实验结果表明，该解调系统具有较好的稳定性及较高的测量精度。

　　在白光干涉位移传感器中，关键元件是楔形膜。目前现有的制作光楔的技术有两种。

　　第一种，采用镀介质膜的方法制作楔形膜。该方法的工艺过程是：首先，在光学基板上镀制高反膜，然后在高反膜上镀楔形介质膜，最后在介质膜上镀一层半透半反膜，从而形成斐索干涉仪中楔形膜。缺点是：

　　①镀厚度在5 μm~40 μm 间线性变化的介质膜，其控制难度大，成功率低;

　　②厚度较厚的介质膜由镀膜机的真空环境中取出时，在空气中受到湿度和内应力的影响，容易产生褶皱而损坏;

　　③镀制介质膜的设备昂贵，镀40 μm 的介质膜需要20 h 以上，制作成本较高。

　　第二种，利用两个单面镀制有半透半反膜的光学基板，基板一端用一定厚度的间隔装置，另一端直接接触，形成楔形空气腔。此方法虽然简单，但为了保证楔形空腔的厚度和位置的线性关系，两个光学基板的镀膜面必须有较好的面型，而基板厚度是保证面型的基础，这就增加了空间尺寸。同时，两个面要求加工出较高的面型，这大大增加了制作成本。

　　本方法将采用一种模板复制技术，这样，光学基片不需要有很高的面型要求，只需把模板的面型做到0.1 个波长，通过两次压印复制技术，使楔形膜上下两个表面的面型与模板一致，保证了楔形膜的厚度变化为线性变化。同时相对于现有技术二，降低了光学基板的加工成本，减小了基板的厚度，即减小了楔形膜的空间尺寸。

　　采用目前常用的有机材料SU8 胶作为楔形膜中间的材料，替换了现有技术中采用镀介质膜的方法，不需要镀介质膜的专用设备，大大降低了成本。

1、新型楔形膜的基本制作步骤

　　新型楔形膜的基本制作步骤主要分为：压印准备、压印及紫外固化、脱模、坚膜、镀反射膜、压楔形、镀半透半反膜等七个步骤。

　　(1)压印准备

　　基片采用K9 玻璃，模板是石英玻璃(1/10 波长面型)，分为基片清洗、模板与基片的表面改性、涂胶、前烘。

楔形膜的制作流程图

图1 楔形膜的制作流程图

　　(2)压印及紫外固化

　　目的是复制模板的面型。具体操作如下：将压印模板压在表面具有SU-8 胶的K9 玻璃基底上，在真空烘箱中以100℃烘烤10 min 之后，SU-8 光刻胶受热软化。向压印模板施加2 MPa的压印压力，使得压印模板压入SU-8 光刻胶。保持100℃压印温度及2 MPa 压印压力120 min，待压印结束后自然冷却。此时，压印模板、SU-8 光刻胶以及K9 玻璃基底会结合在一起。通过透光的压印模板对SU-8 光刻胶进行紫外曝光，对曝光后的SU-8 光刻胶进行后烘使得SU-8 光刻胶会发生交联。后烘温度为100℃，时间为40 min。

　　(3)脱模

　　自然冷却后，脱模。这样，模板的面型已经复制在基片上。

　　(4)坚膜

　　复制有模板面型的基片放在烘箱中烘烤10 min，温度为150℃。

　　(5)镀反射膜

　　在第一次压印后的SU8 表面镀反射膜，如图1(B)所示。

　　(6)压楔形

　　如步骤(1)所述，在基片上旋涂SU-8，经过前烘等若干步骤，然后在基片的一端垫一个所需楔形膜厚度的精密量片，压制楔形，如图1(C)所示。条件跟前面的一样。

　　(7)镀半透半反膜

　　在楔形膜的表面用离子束溅射镀膜机镀Cr，厚度根据优化的反射率来镀制，如图1(D)所示。上面的几个步骤组成了整个楔形膜的制作过程。