DE69921445T2

DE69921445T2 - Verfahren zur Herstellung eines Beugungsgitters

Info

Publication number: DE69921445T2
Application number: DE69921445T
Authority: DE
Inventors: Kenji 1-chome Kintaka; Junji 1-chome Nishii; Noboru Higashi Osaka-shi Tohge
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1999-03-11
Filing date: 1999-12-28
Publication date: 2005-10-20
Anticipated expiration: 2019-12-29
Also published as: DE69928584T2; EP1035424B1; EP1420274B1; DE69928584D1; EP1035424A3; EP1035424A2; EP1420274A1; DE69921445D1; US6514576B1

Description

Hintergrund der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Beugungsgitters durch Bestrahlung mit Licht.
Ein Beugungsgitter ist eine optische Vorrichtung, in die eine Vielzahl von Schlitzen eingraviert sind, jeder in einer Periode einer nm-Größenordnung, und die als eine Lichtquelle oder ein Empfänger zur Verwendung in der optischen Nachrichtentechnik und des weiteren für Analysatoren unentbehrlich ist. Als ein Ausgangsmaterial für das Beugungsgitter, das hoher Präzision bedarf, wird üblicherweise ein anorganisches Material verwendet, insbesondere Glas. Zur Herstellung eines Beugungsgitters auf einem Glassubstrat wird eine Vorrichtung zur Herstellung von Gittern verwendet und das Gitter wird durch das Eingravieren der Schlitze einer nach dem anderen ausgebildet. Solch ein Herstellungsverfahren ist zeitaufwendig und bedingt hohe Produktionskosten.
Dementsprechend ist es möglich, die Zeit deutlich zu verkürzen und die Kosten zu verringern, wenn die Schlitze des Beugungsgitters durch die Bestrahlung mit Licht ausgebildet werden können. Unter den oben beschriebenen Bedingungen wurde kürzlich über ein Verfahren berichtet, bei dem ein Excimer-Laserstrahl auf einen dünnen GeO₂-SiO₂-Glasfilm, der durch Besputtern durch eine Phasenmaske hergestellt wurde, eingestrahlt wird und das Beugungsgitter entsprechend der Periode der Maske ausgebildet wird (Japanisches Patent Nr. 2832337). Die Phasenmaske wird verwendet, weil der Excimer-Laserstrahl nicht genügend Kohärenz aufweist und mittels eines üblichen Zweistrahlinterferenzverfahrens kein Interterenzstreifen ausgebildet werden kann. Ein solches Verfahren bringt auch das Problem mit sich, daß ein Pulslicht bei mehreren Dutzend mJ/cm mehrere tausend Male für die Formgebung eingestrahlt werden muß. Gaoyang Zhao und Noboru Tohge [(Kobunshi Ronbunshu, 53 (4), 253–259 (1996)] offenbarten ein ähnliches Verfahren für Al₂O₃-Filme, wobei ein gelartiger Film aus einer Lösung von Al(O-sek-Bu)₃ und β-Diketonen (Acetacetat, Acetylaceton und Benzoylaceton) gebildet wird. Auch das Verfahren nach Zhao und Tohge wendet die Bestrahlung des Films mit UV-Licht durch eine Maske an, wodurch ein fein gemusterter Al₂O₃-Film ausgebildet wird. DE 41 30 550 A1 betrifft ein weiteres Herstellungsverfahren für Beugungsgitter, das die Bestrahlung durch eine Phasenmaske umfaßt, wobei eine Lösung, die eine Polymermatrix (zum Beispiel Polystyrol, Polyamid) umfaßt, in die Partikel im Nanobereich von anorganischen (zum Beispiel ZnO, CdO) oder organisch modifizierten anorganischen Verbindungen (zum Beispiel Metallalkoxid) eingebettet sind.
Um die eingangs genannten Probleme zu überwinden, könnte ein Verfahren zur Formgebung unter Verwendung eines Interferenzlichts bei einer niedrigen Energie mit einer großen Kohärenzlänge, wie zum Beispiel ein He-Cd-Laser oder ein Argonionenlaser, in Betracht gezogen werden. Allerdings ist die Ausbildung des Beugungsgitters durch das Interferenzlicht bei niedriger Energie schwierig, weil der durch das Besputtern ausgebildete dünne Film niedrige Lichtempfindlichkeit aufweist. Dementsprechend bedurfte es der Entwicklung eines mit Licht reagierenden Materials höherer Empfindlichkeit als ein Material für die Herstellung eines Beugungsgitters.
Zusammenfassung der Erfindung:
Diese Erfindung beabsichtigt, ein Verfahren zur Herstellung eines Beugungsgitters bereitzustellen, das zur Formgebung durch ein Interferenzlicht bei einer niedrigeren Leistungsdichte als gewöhnlich in der Lage ist.
Der Erfinder hat herausgefunden, daß die vorgenannte Aufgabe durch das Aufschichten einer Lösung, die ein Metallalkoxid und ein β-Diketon enthält, auf ein Substrat, das Anwenden einer Wärmebehandlung, um einen gelartigen Film auszubilden, und das Einstrahlen eines Interferenzlichts auf den gelartigen Film gelöst werden kann, und hat diese Erfindung vervollständigt.
D.h. ein Verfahren zur Herstellung eines Beugungsgitters gemäß dieser Erfindung umfaßt das Aufschichten einer Lösung, die ein Metallalkoxid und ein β-Diketon enthält, auf ein Substrat, das Anwenden einer Wärmebehandlung auf den aufgeschichteten Film, um einen gelartigen Film auszubilden, und dann das Einstrahlen eines Interferenzlichts auf den gelartigen Film.
Das Metall des Metallalkoxids kann zum Beispiel eines unter Zirkonium, Aluminium oder Titan sein.
Das β-Diketon kann zum Beispiel eines unter Benzoylaceton oder Acetylaceton sein.
Das Lösungsmittel für die Beschichtungslösung kann ein Lösungsmittelgemisch aus Wasser und einem Alkohol sein.
Der Alkohol kann wenigstens ein Alkohol sein, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die Methanol, Ethanol und Isopropylalkohol umfaßt.
Das Mischungsverhältnis in der Beschichtungslösung für jeden der Bestandteile in Form des molaren Verhältnisses ist bestimmt als:
0,5 ≤ Metallalkoxid/β-Diketon ≤ 3, und
0,01 ≤ (Metallalkoxid + β-Diketon)/Lösungsmittel ≤ 2.
Die Beschichtungslösung kann Zirkoniumtetrabutoxid (Zr(O-nBu)₄), Benzoylaceton (BzAcH), Ethanol (EtOH) und Wasser (H₂O) enthalten, wobei deren Mischungsverhältnis in Form des molaren Verhältnisses definiert ist als:
0,5 ≤ (Zr(O-nBu)₄/BzAcH ≤ 1,5,
0,1 ≤ H₂O/EtOH ≤ 0,2 und
0,01 ≤ (Zr(O-nBu)₄ + BzAcH)/(EtOH + H₂O) ≤ 0,4.
Die Beschichtungslösung kann Aluminium-tri-sek-butoxid (Al(O-sek-Bu)₃), Benzoylaceton (BzAcH) und Isopropylalkohol (i-PrOH) enthalten, wobei deren Mischungsverhältnis in Form des molaren Verhältnisses definiert ist als:
0,5 ≤ Al(O-sek-Bu)₃/BzAcH ≤ 3 und
0,01 ≤ (Al(O-sek-Bu)₃ + BzAcH)/(i-PrOH) ≤ 2.
Die Beschichtungslösung kann Titantetrabutoxid (Ti(O-nBu)₄), Benzoylaceton (BzAcH), Methanol (MeOH) und Wasser (H₂O) enthalten, wobei deren Mischungsverhältnis in Form des molaren Verhältnisses definiert ist als:
0,5 ≤ Ti(O-nBu)₄/BzAcH ≤ 2,5,
0,01 ≤ H₂O/MeOH ≤ 0,2 und
0,01 ≤ (Ti(O-nBu)₄ + BzAcH)/(MeOH + H₂O) ≤ 1.
Die Wärmebehandlung kann an Umgebungsluft bei 50 bis 150°C für 1 Minute bis 2 Stunden angewandt werden.
Die Lichtquelle für das Interferenzlicht kann ein He-Cd-Laser oder ein Argonionenlaser sein, und eine durchschnittliche Leistungsdichte für das Interferenzlicht beträgt vorzugsweise von 0,5 bis 100 mW/cm². Nach der Einstrahlung des Interferenzlichts wird die bestrahlte Oberfläche vorzugsweise mit einem Lösungsmittel gereinigt.
Als Lösungsmittel wird vorzugsweise ein organisches Lösungsmittel, insbesondere ein Alkohol, verwendet.
Nach dem Reinigen wird vorzugsweise eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 50° bis 500°C für 1 Minute bis 5 Stunden angewandt.
Kurze Beschreibung der Figuren:
1 ist eine Zeichnung, die einen Anströmwinkel eines unter Druck gesetzten Gases darstellt.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen:
Das Herstellungsverfahren gemäß dieser Erfindung umfaßt eine Stufe des Aufschichtens einer Lösung, die ein Metallalkoxid und ein beta-Diketon enthält, auf ein Substrat (erste Stufe), eine Stufe des Anwendens einer Wärmebehandlung auf eine beschichtete Oberfläche zur Durchführung der Gelbildung (zweite Stufe) und eine Stufe der Einstrahlung von Licht auf einen erhaltenen gelartigen Film (dritte Stufe). Jede dieser Stufen soll noch genauer beschrieben werden.
Erste Stufe
Die in der ersten Stufe verwendete Beschichtungslösung enthält ein Metallalkoxid und ein β-Diketon.
Für das Metall des Metallalkoxids gibt es keine besondere Beschränkung, solange die bei dieser Erfindung beabsichtigte Wirkung erzielt werden kann, und das Metall kann zum Beispiel Zirkonium, Aluminium, Titan und Gallium umfassen. Unter diesen sind Zirkonium, Aluminium und Titan bevorzugt.
Die Alkoxygruppe des Metallalkoxids kann zum Beispiel lineare oder verzweigte Alkoxygruppen mit etwa 1 bis 6 Kohlenstoffatomen umfassen, wie zum Beispiel die Methoxy-, Ethoxy-, n-Propoxy-, Isopropoxy-, n-Butoxy-, sek-Butoxy-, tert-Butoxy-, n-Pentyloxy- oder n-Hexyloxy-Gruppe.
Für das bei dieser Erfindung verwendete Metallalkoxid gibt es keine besondere Beschränkung, solange die bei dieser Erfindung beabsichtigte Wirkung erreicht werden kann, und es kann für die Verwendung aus den Metallalkoxiden passend ausgesucht werden, die zum Beispiel beliebige Kombinationen der oben beschriebenen Metalle und Alkoxygruppen umfassen.
Im speziellen können Zirkoniumtetrabutoxid, Aluminium-tri-sek-butoxid, Aluminiumethoxid, Aluminium-i-Propoxid und Titantetrabutoxid genannt werden.
Das β-Diketon kann zum Beispiel jene β-Diketone mit 5 bis 13 Kohlenstoffatomen umfassen, wie zum Beispiel Acetylaceton, Benzoylaceton und Dibenzoylmethan. Unter diesen sind Benzoylaceton und Acetylaceton besonders bevorzugt.
Für das Mischungsverhältnis (molares Verhältnis) zwischen dem Metallalkoxid und dem β-Diketon gibt es keine besondere Beschränkung und dieses wird gewöhnlich vorzugsweise definiert als: etwa 0,5 ≤ Metallalkoxid/β-Diketon ≤ 3 und, insbesondere, etwa 1 ≤ Metallalkoxid/β-Diketon ≤ 2 im molaren Verhältnis.
Für das Lösungsmittel der Beschichtungslösung, die das Metallalkoxid und das β-Diketon enthält, gibt es keine besondere Beschränkung, und das Lösungsmittel kann abhängig von der Sorte des Metallalkoxids und des β-Diketons passend ausgewählt werden.
Ein bevorzugtes Lösungsmittel kann Alkohole mit etwa 1 bis 6 Kohlenstoffatomen umfassen (zum Beispiel Methanol, Ethanol, n-Propanol, Isopropylalkohol, Butanol, Pentanol und Hexanol). Unter diesen sind Methanol, Ethanol und Isopropylalkohol bevorzugt.
Das Lösungsmittel kann einzeln verwendet werden, oder es können zwei oder mehrere von ihnen in Kombination verwendet werden.
Wenn der Alkohol verwendet wird, wird er zur Förderung der Gelbildung weiterhin vorzugsweise mit Wasser kombiniert.
Für das Mischungsverhältnis (molares Verhältnis) der Kombination von Alkohol und Wasser gibt es keine besondere Beschränkung, und es kann abhängig von der Sorte und dem Mischungsverhältnis des Metallalkoxids und des β-Diketons passend bestimmt werden. Vorzugsweise ist es definiert als: etwa 0 ≤ Wasser/Alkohol ≤ 0,5 und insbesondere etwa 0 ≤ Wasser/Alkohol ≤ 0,2.
Das Mischungsverhältnis (molares Verhältnis) zwischen dem Metallalkoxid und dem β-Diketon und dem Lösungsmittel kann abhängig von der Sorte und deren Kombination passend bestimmt werden.
Vorzugsweise ist es definiert als: etwa 0,01 ≤ (Metallalkoxid + β-Diketon)/Lösungsmittel ≤ 2, insbesondere, etwa 0,1 ≤ (Metallalkoxid + β-Diketon)/Lösungsmittel ≤ 0,4.
Die bei dieser Erfindung verwendete Beschichtungslösung kann im speziellen das Folgende umfassen:

(a) Eine Beschichtungslösung, die folgendes enthält: Metallalkoxid: Zirkoniumtetrabutoxid (Zr(O-nBu)₄) β-Diketon: Benzoylaceton (BzAcH) und Lösungsmittel: ein Gemisch aus Ethanol (EtOH) und Wasser (H₂O).
(a') Eine Beschichtungslösung, bei der das Mischungsverhältnis (molares Verhältnis) für jeden der Bestandteile der Beschichtungslösung (a) wie folgt ist: 0,5 ≤ Zi(O-nBu)₄/BzAcH ≤ 1,5 0,1 ≤ H₂O/EtOH ≤ 0,2 und 0,01 ≤ (Zr(O-nBu)₄ + BzAcH)/(EtOH + H₂O) ≤ 0,4.

Bei der obigen Beschichtungslösung (a') ist das Verhältnis von H₂O/EtOH innerhalb des oben beschriebenen Bereichs bevorzugt, da die Gelbildung dazu tendiert, sich angemessen einzustellen, und es gibt keine Möglichkeit der Trübung der Lösung.
Der Wert für Zr(O-nBU)₄/BzAcH und (Zr(O-nBu)₄ + BzAcH)/(EtOH + H₂O) innerhalb des oben beschriebenen Bereichs ist bevorzugt, da bei der zweiten Stufe eine geeignete Gelbildungsrate für die Herstellung eines Beugungsgitters mit optimaler Gestalt erhalten wird.

(b) Eine Beschichtungslösung, die folgendes enthält: Metallalkoxid: Aluminium-tri-sek-butoxid (Al(O-sek-Bu)₃) β-Diketon: Benzoylaceton (BzAcH) und Lösungsmittel: Isopropylalkohol (i-PrOH).
(b') Eine Beschichtungslösung, bei der das Mischungsverhältnis in Form des molaren Verhältnisses für jeden der Bestandteile in der Beschichtungslösung (b) wie folgt ist: 0,5 ≤ Al(O-sek-Bu)₃/BzAcH ≤ 3 und 0,01 ≤ (Al(O-sek-Bu)₃ + BzAcH)/(i-PrOH) ≤ 2.

Bei der Beschichtungslösung (b') ist der Wert für Al(O-sek-Bu)₃ + BzAcH und (Al(O-sek-Bu)₃ + BzAcH)/(i-PrOH) vorzugsweise innerhalb des oben beschriebenen Bereichs bevorzugt, da eine angemessene Gelbildungsrate für die Herstellung eines Beugungsgitters mit einer optimalen Gestalt erhalten wird.

(c) Eine Beschichtungslösung, die folgendes enthält: Metallalkoxid: Titantetrabutoxid (Ti(O-nBu)₄), β-Diketon: Benzoylaceton (BzAcH) und Lösungsmittel: ein Gemisch aus Methanol (MeOH) und Wasser (H₂O).
(c') Eine Beschichtungslösung, bei der das Mischungsverhältnis (molares Verhältnis) für jeden der Bestandteile in der Beschichtungslösung (c) wie folgt ist: 0,5 ≤ Ti(O-nBu)₄/BzAcH ≤ 2,5, 0,01 ≤ H₂O/MeOH ≤ 0,2 und 0,01 ≤ (Ti(O-nBu)₄ + BzAcH)/(MeOH + H₂O) ≤ 1.
(c'') Eine Beschichtungslösung, bei der das Mischungsverhältnis für jeden der Bestandteile (molares Verhältnis) in der Beschichtungslösung (c) wie folgt ist: 0,5 ≤ Ti(O-nBu)₄/BzAcH ≤ 2,5 0,05 ≤ H₂O/MeOH ≤ 0,2 und 0,05 ≤ (Ti(O-nBu)₄ + BzAcH)/(MeOH + H₂O) ≤ 0,4.

Bei der obigen Beschichtungslösung (c') ist das H₂O/MeOH-Verhältnis innerhalb des oben beschriebenen Bereichs bevorzugt, da die Gelbildung dazu tendiert, sich angemessen einzustellen, und es besteht keine Möglichkeit der Trübung der Lösung.
Bei der Beschichtungslösung (c') ist der Wert für (Ti(O-nBu)₄/BzAcH) und (Ti(O-nBu)₄ + BzAcH)/(MeOH + H₂O) innerhalb des oben erwähnten Bereichs bevorzugt, da eine angemessene Gelbildungsrate für die Herstellung eines Beugungsgitters mit einer optimalen Gestalt in der zweiten Stufe erhalten wird.
Der Wert für H₂O/MeOH, (Ti(O-nBu)₄/BzAcH) und (Ti(O-nBu)₄ + BzAcH)/(MeOH + H₂O) innerhalb des oben beschriebenen Bereichs ist für die Beschichtungslösung (c'') unter dem oben beschriebenen Gesichtspunkt bevorzugt.
Das Substrat, auf welches die Beschichtungslösung aufgeschichtet wird, kann verwendet werden, wenn es passend aus denen ausgewählt wird, die üblicherweise als das Material für das Beugungsgitter verwendet werden. Das Material für das Beugungsgitter kann zum Beispiel Siliziumsubstrat, Quarzsubstrat, Saphirglas und Deckglas sein.
Als Verfahren zur Aufschichtung der Lösung kann jedes bekannte Beschichtungsverfahren angewandt werden, und es kann zum Beispiel durch das Tauchlackierungs- oder das Streichmesserverfahren aufgeschichtet werden.
Die Beschichtungsmenge für die Beschichtungslösung kann, abhängig von der Anwendung bei der Verwendung des Beugungsgitters, passend bestimmt werden, und sie liegt vorzugsweise innerhalb einer Menge von etwa 5000 bis 30000 Å Dicke des Beschichtungsfilms.
Zweite Stufe
Da sich die Beschichtungslösung im Solzustand befindet, wird nach dem Aufschichten eine Wärmebehandlung angewandt, um den Beschichtungsfilm zu gelieren. Für die Bedingung der Wärmebehandlung gibt es keine besondere Beschränkung, solange der Beschichtungsfilm geliert wird. Unter dem Gesichtspunkt der Licht-Reaktion oder -Empfindlichkeit des erhaltenen gelartigen Films wird sie vorzugsweise in Umgebungsluft bei etwa 50 bis 150°C für etwa 1 Minute bis 2 Stunden durchgeführt.
Dritte Stufe
Dann wird ein Interterenzlicht auf den gelartigen Film eingestrahlt, wobei als eine Lichtquelle für das Interferenzlicht normalerweise eine Laserstrahlquelle verwendet wird.
Jede Laserlichtquelle kann ohne besondere Beschränkung verwendet werden, solange die Kohärenzlänge für die Ausbildung eines Interterenzstreifens genügend ist und die Wellenlänge der Oszillation im Bereich einer Wellenlängenbande der Lichtreaktion des gelartigen Film liegt.
So eine Lichtquelle kann zum Beispiel einen He-Cd-Laser (Wellenlänge: 325 nm oder 442 nm) oder einen Argonionenlaser (Wellenlänge: 244 nm oder 400–520 nm) umfassen. Bei dem Verfahren dieser Erfindung wird vorzugsweise der He-Cd-Laser oder der Argonionenlaser verwendet.
Die durchschnittliche Leistungsdichte des Interferenzlichts kann, abhängig von der Lichtreaktion und der Dicke des gelartigen Films, passend bestimmt werden, und sie beträgt vorzugsweise etwa von 0,5 bis 100 mW/cm². Der oben beschriebene Bereich ist hinsichtlich der Kontrolle der Bestrahlungszeit, der Form und der Beugungseffizienz des erhaltenen Beugungsgitters bevorzugt.
Als Interferenzlicht wird ein Licht verwendet, das durch ein Zweistrahl-Interferenzverfahren unter Verwendung einer Laserlichtquelle erhalten wird.
Die Periode für das Interferenzlicht (Interferenzstreifenperiode) kann, abhängig von der gewünschten Periode der Schlitze in dem Beugungsgitter, passend bestimmt werden, und sie beträgt normalerweise etwa von 0,1 bis 10 μm.
Die Einstrahlungszeit des Interferenzlichts kann, abhängig von der Zusammensetzung der Beschichtungslösung, der Wellenlänge der Lichtquelle, der durchschnittlichen Leistungsdichte des Interferenzlichts und der gewünschten Form des Beugungsgitters, passend bestimmt werden, und sie beträgt üblicherweise etwa von 10 Sekunden bis 60 Minuten.
Nach der Einstrahlung des Interferenzlichts wird die bestrahlte Oberfläche üblicherweise mit einem Lösungsmittel gereinigt, um die dunklen Anteile der Interferenzstreifen, nämlich nicht umgesetzte Gele, zu entfernen.
Als Lösungsmittel, das für die Reinigung verwendet wird, kann ein organisches Lösungsmittel oder Wasser verwendet werden, wobei das organische Lösungsmittel bevorzugt verwendet wird.
Als das organische Lösungsmittel sind Alkohole, wie zum Beispiel Methanol, Ethanol und Isopropylalkohol, und Ketone, wie zum Beispiel Aceton, Ethylmethylketon und Hexanon bevorzugt, und sie können jeweils einzeln oder als eine Kombination von ihnen verwendet werden. Die Verwendung eines solchen Lösungsmittels ist bevorzugt, da der nicht umgesetzte gelartige Film dazu neigt, leicht gelöst zu werden.
Falls der Grad der Entfernung des nicht umgesetzten gelartigen Films bei der alleinigen Verwendung des organischen Lösungsmittels nicht genügend ist, kann eine Säure, wie zum Beispiel Salpetersäure, Salzsäure oder Schwefelsäure, zugegeben werden.
Für die zuzugebende Menge der Säure gibt es keine besondere Beschränkung, und unter dem Gesichtspunkt der Beugungseffizienz des Beugungsgitters beträgt sie, bezogen auf das ganze Volumen des Lösungsmittels, vorzugsweise 3 Vol.-% oder weniger.
Die Reinigungszeit kann in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Beschichtungslösung und der Sorte des Reinigungslösungsmittels passend bestimmt werden, und sie beträgt üblicherweise etwa von 0,5 bis 60 Sekunden.
Ein Beugungsgitter, das zur Verwendung in der Praxis eingesetzt werden kann, ist durch Trocknung bei Raumtemperatur nach der Reinigung mit dem Lösungsmittel erhältlich. Die Trocknungszeit ist nicht besonders beschränkt und üblicherweise beträgt sie eine Stunde oder mehr.
Das auf diese Weise erhaltene Beugungsgitter ist in den physikalischen Eigenschaften, wie zum Beispiel Hitzebeständigkeit, mechanische Stabilität und chemische Haltbarkeit ausgezeichnet, und ein Beugungsgitter mit weiterhin verbesserten physikalischen Eigenschaften kann durch die Anwendung einer weiteren Wärmebehandlung erhalten werden.
Die Wärmebehandlung wird vorzugsweise in Umgebungsluft bei etwa 50 bis 500°C für etwa 1 bis 5 Stunden durchgeführt.
Das auf diese Weise erhaltene Beugungsgitter kann als eine optische Vorrichtung für verschiedene Applikationen verwendet werden.
In dem gelartigen Film, der durch die Wärmebehandlung einer bestimmten Beschichtungslösung nach dem Verfahren dieser Erfindung erhalten wird, kann im Vergleich mit einem dünnen Film, der durch das Sputterverfahren ausgebildet wird, ein Beugungsgitter unmittelbar durch ein Interferenzlicht bei einer niedrigeren Leistungsdichte ausgebildet werden, und das Beugungsgitter kann durch die Verwendung des gelartigen Films leichter hergestellt werden. Des weiteren kann durch das Reinigen mit dem organischen Lösungsmittel und die Wärmebehandlung nach der Einstrahlung des Interferenzlichts leicht ein Beugungsgitter mit ausgezeichneten physikalischen Eigenschaften, wie zum Beispiel Wärmebeständigkeit, chemische Haltbarkeit und mechanische Stabilität, erhalten werden.
Die Erläuterung soll unter Hinweis auf Beispiele dieser Erfindung noch spezieller werden.
Beispiel 1
Zirkoniumtetrabutoxid (Zr(O-nBu)₄ und Benzoylaceton, beide in einer äquimolaren Menge, werden in eine gemischte Lösung aus Ethanol/Wasser eingemischt (EtOH:H₂O = 30:4 molares Verhältnis), um so die 34-fache molare Verdünnung zu erhalten, die auf ein Siliziumsubstrat bis zu einer Beschichtungsdicke von 2500 Å tauchbeschichtet wurde. Der auf diese Weise erhaltene Beschichtungsfilm wurde in Umgebungsluft bei 80°C für 20 Minuten wärmebehandelt.
Dann wurde auf den auf diese Weise erhaltenen gelartigen Film für 15 Minuten ein Interterenzlicht eingestrahlt (Interferenzstreifenperiode: 0,5 μm), das mittels eines Zweistrahl-Interferenzverfahrens von einem He-Cd-Laser bei einer Wellenlänge von 325 nm erhalten wurde. Die durchschnittliche Leistungsdichte des Lasers auf dem dünnen Film betrug 20 mW/cm².
Nach der Vervollständigung der Bestrahlung, nachdem die lichtbestrahlte Oberfläche unmittelbar mit Ethanol für 2 Sekunden gereinigt wurde, wurde auf der Oberfläche ein Beugungsgitter mit einer Periode von 0,5 μm ausgebildet.
Die Beugungslichtintensität erster Ordnung des He-Ne-Laserlichts des auf diese Weise erhaltenen Beugungsgitters betrug etwa 28%. Die oben beschriebenen Bedingungen und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1
Als das Beugungsgitter bei 450°C für 20 Minuten wärmebehandelt wurde, wies die Gestalt des Beugungsgitters anschließend nur wenig Veränderung auf. Außerdem wurde durch Röntgenbeugungsuntersuchung bestätigt, daß das Beugungsgitter nach der Wärmebehandlung Zirkoniumkristall enthält.
Nach der Wärmebehandlung wies das Beugungsgitter im Vergleich mit dem Beugungsgitter vor der Wärmebehandlung ausgezeichnete Hitzeresistenz, chemische Haltbarkeit und mechanischer Stabilität auf.
Beispiel 2
Aluminium-sek-butoxid (Al(O-sek-Bu)₃) und Benzoylaceton, jeweils in einer äquimolaren Menge, werden in einem Isopropylalkohol gemischt, um so eine 30-fache molare Verdünnung zu erhalten, was dann auf ein Siliziumsubstrat bis zu einer Beschichtungsdicke von 2000 Å tauchbeschichtet wurde. Der auf diese Weise erhaltene Beschichtungsfilm wurde in Umgebungsluft bei 80°C für 20 Minuten wärmebehandelt.
Dann wurde ein Interferenzlicht eines He-Cd-Lasers bei einer Wellenlänge von 325 nm auf den auf diese Weise erhaltenen gelartigen Film für 20 Minuten eingestrahlt (Interferenzstreifenperiode: 0,5 μm). Die durchschnittliche Leistungsdichte des Lasers auf dem dünnen Film betrug 20 mW/cm².
Nach der Vervollständigung der Einstrahlung bildete sich auf der Oberfläche ein Beugungsgitter mit einer Periode von 0,5 μm, nachdem die lichtbestrahlte Oberfläche unmittelbar mit einer Acetonlösung, die 1,2 Vol.-% Salpetersäure enthielt, für 10 Sekunden gereinigt wurde. Die Beugungslichtintensität erster Ordnung des He-Ne-Laserlichts des auf diese Weise erhaltenen Beugungsgitters betrugt etwa 8%. Die oben beschriebenen Bedingungen und die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.
Tabelle 2
Anschließend wurde das Beugungsgitter bei 400°C für 20 Minuten wärmebehandelt. Während die Gestalt des Beugungsgitters in der Richtung der Filmdicke nur wenig Abnahme aufwies, wurde eine genügende Beugungseffizienz erhalten. Des weiteren wurde durch Röntgenbeugungsuntersuchung bestätigt, daß das Beugungsgitter nach der Wärmebehandlung Aluminiumoxidkristalle enthielt.
Beispiele 3–9
Unter den in Tabelle 3 dargestellten Bedingungen wurden Beugungsgitter hergestellt und wärmebehandelt. Die Herstellungsbedingungen, die von den in Tabelle 3 dargestellten abweichen, waren mit denen in Beispiel 1 identisch.
Jedes der auf diese Weise erhaltenen Beugungsgitter wies ausgezeichnete Beugungseigenschaften auf.
Vergleichsbeispiele 1 und 2
Es wurden in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 Beugungsgitter hergestellt, außer den in Tabelle 5 dargestellten Bedingungen. Als die Beugungsgitter unter den in Tabelle 5 dargestellten Bedingungen wärmebehandelt wurden, wurden die Beugungsgitter bei jedem der Vergleichsbeispiele zerstört, zum Beispiel durch das Abblättern des Gitters vom Substrat oder durch Verformung der Gestalt der Gitter.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Beugungsgitters, bei dem man: einen Beschichtungsfilm auf einem Substrat durch Auftragen einer Beschichtungslösung, die ein Metallalkoxid und ein β-Diketon enthält, ausbildet, wobei das Mischungsverhältnis für jeden der Bestandteile in der Beschichtungslösung im molaren Verhältnis folgendermaßen definiert ist: 0,5 ≤ Metallalkoxid/β-Diketon ≤ 3 und 0,01 ≤ (Metallalkoxid + β-Diketon)/Lösungsmittel ≤ 2, den Beschichtungsfilm einer Wärmebehandlung unterzieht, um einen gelierten Film auszubilden, den gelierten Film mit einem Interferenzlicht bestrahlt und danach die mit Licht bestrahlte Oberfläche mit einem Lösungsmittel reinigt.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei das Metall des Metallalkoxids eines unter Zirkonium, Aluminium oder Titan ist.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das β-Diketon eines unter Benzoylaceton oder Acetylaceton ist.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Lösungsmittel für die Beschichtungslösung ein aus Wasser und einem Alkohol gemischtes Lösungsmittel ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 4, wobei der Alkohol wenigstens ein Mitglied, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Methanol, Ethanol und Isopropylalkohol besteht, ist.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Beschichtungslösung Zirkoniumtetrabutoxid (Zr(O-nBu)₄), Benzoylaceton (BzAcH), Ethanol (EtOH) und Wasser (H₂O) enthält, wobei deren Mischungsverhältnis im molaren Verhältnis folgendermaßen definiert ist: 0,5 ≤ Zr(O-nBu)₄/BzAcH ≤ 1,5, 0,1 ≤ H₂O/EtOH ≤ 0,2 und 0,01 ≤ (Zr(O-nBu)₄ + BzAcH)/(EtOH + H₂O) ≤ 0,4.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Beschichtungslösung Aluminium-tri-sek-butoxid (Al(O-sek-Bu)₃), Benzoylaceton (BzAcH) und Isopropylalkohol (i- PrOH) enthält, wobei deren Mischungsverhältnis im molaren Verhältnis folgendermaßen definiert ist: 0,5 ≤ Al(O-sek-Bu)₃/BzAcH ≤ 3 und 0,01 ≤ Al(O-sek-Bu)₃ + BzAcH/(i-PrOH) ≤ 2.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Beschichtungslösung Titantetrabutoxid (Ti(O-nBu)₄), Benzoylaceton (BzAcH), Methanol (MeOH) und Wasser (H₂O) enthält, wobei deren Mischungsverhältnis in molarem Verhältnis folgendermaßen definiert ist: 0,5 ≤ Ti(O-nBu)₄/BzAcH ≤ 2,5, 0,01 ≤ H₂O/MeOH ≤ 0,2 und 0,01 ≤ (Ti(O-nBu)₄ + BzAcH)/(MeOH + H₂O) ≤ 1.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Wärmebehandlung für 1 Minute bis 2 Stunden bei 50 bis 150°C in Atmosphärenluft angewandt wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Lichtquelle für das Interferenzlicht ein He-Cd-Laser oder ein Argonionenlaser ist, und eine durchschnittliche Leistungsdichte des Interferenzlichts von 0,5 bis 100 mW/cm² beträgt.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Lösungsmittel zur Reinigung ein organisches Lösungsmittel ist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 11, wobei das organische Lösungsmittel ein Alkohol ist.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei nach der Reinigung eine Wärmebehandlung bei 50–500°C für 1 Minute bis 5 Stunden angewandt wird.