【正文】 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊畢業(yè)設計（論文）報告紙光敏凝膠薄膜的制備及其上光柵結構的引入應用物理學 周昌鶴 指導教師 周斌[摘要] 氧化鉿具有非常優(yōu)良的物理和化學性能，它折射率高（~），在紫外至紅外波段范圍吸收系數(shù)小，因而在光學薄膜領域應用廣泛。本文以叔丁氧基鉿為前驅體，乙酰丙酮與苯甲酰丙酮為螯合劑，制備了具有負性光刻膠性質的HfO2光敏溶膠。用旋涂法和提拉法鍍制了凝膠薄膜，其在紫外波段（300~400nm）具有特征吸收峰。采用掩膜和紫外曝光工藝，顯影后在上薄膜上引入了周期為50um和2um的光柵結構。[關鍵詞] 溶膠凝膠，鍍膜，紫外曝光，顯影，光柵[Abstract] Hafnium oxide has excellent physical and chemical properties. It is high optical index (~) and low absorption materials used in particular for optical coatings operating between the near UV and IR regions. In this article, hafnium oxide was prepared by a solgel process. The material was synthesized using hafnium tetrabutoxide which was dissolved in ethanol and mixed with acetylacetone and benzoylacetone. Using spincoating and dipcoating technique we prepared some gel films, the gel film showed characteristic absorption bands in a UVregion (300~400nm) and negative tone of photoresist. The negative tone films were irradiated with high pressure mercury lamp through masks of 50um and 2um period, and then developed in ethyl alcohol. After these steps, we obtained fine patterning structures of grating on the photosensitive film. [Keyword] solgel, coating, UVexposure, develop, diffractive grating目錄1 緒論 3 SolGel技術 3 微加工工藝 6 本文工作及研究意義 82 HfO2光敏凝膠薄膜的制備及其上光柵結構的引入 10 HfO2光敏凝膠薄膜的制備 10 圖形轉移 13 143物性表征及工藝總結 15 光譜分析 15 曝光特性 16 鍍膜控制 17 光柵圖形結構形貌 18 小結 194 拓展 20 PVP摻雜與HfO2/SiO2二元溶膠制備 20 色分離光柵 21 小結 225 總結與展望 23 工作總結 23 工作展望 23參考文獻 24附錄 261. 色分離光柵衍射理論 262. 單層膜公式 28謝辭 311 緒論 SolGel技術 歷史回顧SolGel（溶膠凝膠）技術是指利用金屬的有機或無機化合物經(jīng)過溶膠、凝膠固化、熱處理而形成氧化物或其它化合物固體的方法[1]。該法可追溯到19世紀中葉，Ebelmen發(fā)現(xiàn)正硅酸乙酯水解形成的SiO2呈玻璃狀，隨后Graham研究發(fā)現(xiàn)SiO2凝膠中的水可以被有機溶劑替換。此現(xiàn)象引起化學家注意，經(jīng)過長時間探索，逐漸形成膠體化學學科。在上世紀30年代至70年代礦物學家、陶瓷學家、玻璃學家分別通過SolGel方法制備出相圖研究中的均勻試樣；在低溫下制備出透明PLZT陶瓷和Pyrex耐熱玻璃；核化學家也利用此法制備核燃料，避免了危險粉塵的產生。這階段把膠體化學原理應用到制備無機材料初步獲得成功，引起人們的重視。認識到該法與傳統(tǒng)燒結、熔融等物理方法不同，引出“通過化學途徑制備優(yōu)良陶瓷”的概念，并稱該法為化學合成法或SSG法（SolutionSolGel）。另外該法在制備材料初期就進行控制，使均勻性可達到亞微米級、納米級甚至分子級水平。也就是說在材料制備早期就著手控制材料的微觀結構，從而引出“超微結構工藝過程”的概念，認識到利用此法可對材料性能進行剪裁。這一系列認識的提高，使80年代成為溶膠凝膠科學技術發(fā)展的高峰時期。近二十年來，SolGel法制備新型功能材料的技術發(fā)展十分迅速，它可以制備塊體、薄膜、微晶、纖維狀玻璃、陶瓷材料、耐火材料和復合材料等。其中薄膜制品是該法迄今為止最有發(fā)展前途的一種應用，現(xiàn)已制備出減反射膜、波導膜、著色膜、電光效應膜、分離膜、保護膜等，薄膜作為許多器件的功能支撐部分發(fā)揮了重大作用。 SolGel工藝基本過程溶膠凝膠制備材料的基本過程可以分為分散法和醇鹽水解法[2]，最常用的是醇鹽水解法。金屬醇鹽、溶劑（甲醇、乙醇等）、水和催化劑（酸或弱堿）溶膠水解，縮聚濕凝膠干凝膠成品干燥老化、成型熱處理 醇鹽水解法基本工藝過程示意圖第一步：制取含金屬和水的均相溶液，以保證醇鹽的水解在分子水平上進行。第二步：制備溶膠。制備溶膠有聚合法和顆粒法，二者的區(qū)別是加水量的多少。所謂聚合溶膠，是在控制水解的條件下使水解產物及部分未水解的醇鹽分子之間進行聚合，因此加水量較少；而粒子溶膠則是在加入大量水使醇鹽充分水解的條件下進行的。金屬醇鹽的水解反應和縮聚反應是均相溶液轉變?yōu)槿苣z的根本原因，控制醇鹽的水解縮聚條件如：加水量、催化劑、溶液的pH以及水解的溫度等是制備高質量溶膠的前提。溶膠化反應過程可用下述方程式統(tǒng)一表達[3]式中Ｘ為：Ｈ——水解反應Ｍ——聚合反應Ｌ——絡合反應（Ｌ為有機或無機配位體）第三步：溶膠老化得到濕凝膠。溶膠在敞口或密閉的容器中放置時，由于溶劑揮發(fā)或縮聚反應繼續(xù)進行導致向凝膠的逐漸轉變。在老化過程中，膠體粒子逐漸聚集成網(wǎng)絡結構，鍍膜和成型工藝可在此期間完成。第四步：凝膠干燥。濕凝膠內包裹著大量溶劑和水，干燥過程中常伴隨較大的體積收縮。第五步：熱處理。熱處理可以消除干凝膠中的氣孔，使凝膠致密化，制品的相組成和顯微結構滿足產品性能要求。除了上述的醇鹽水解線路以外，還有一種工業(yè)上常用的機械分散法，這里不再介紹。 Sol鍍膜A. 鍍膜基片基片的種類與性質會直接影響所制備薄膜的結構和性能，在結晶態(tài)基片上比較容易實現(xiàn)薄膜微晶的有序生長，而在非晶態(tài)基片上則較難生長晶態(tài)薄膜。影響鍍膜性質的有基片表面的平整度，基片的熱膨脹特性，耐腐蝕特性，以及測試過程中對基片的光學性質要求等。常用的基片有玻璃、單晶硅片、藍寶石、瓷片以及樹脂片等。為了降低成本和獲得工業(yè)用途，大多數(shù)薄膜制備在玻璃基片上。B. 鍍膜方法溶膠凝膠鍍膜方法現(xiàn)在很多，而且還在不斷發(fā)展之中。主要使用浸漬提拉鍍膜和旋涂鍍膜。a. 浸漬提拉法浸漬提拉法是將洗凈的基片浸入預先制備好的溶膠之中，然后以精確控制的均勻速度將基片平穩(wěn)地從溶膠中提拉出來，在黏度和重力作用下基片表面形成一層均勻的液膜，緊接著溶劑迅速蒸發(fā)，于是附著在基片表面的溶膠迅速凝膠化形成一層凝膠膜。膜的厚度主要受如下兩種力控制：（1）運動基片對鍍液向上的拉力（2）重力（?。┙n（ⅱ）提拉（ⅲ）溶劑揮發(fā) 浸漬提拉鍍膜示意圖研究表明有以下公式[4] Pastirik ?。ǎ?（） Yoldes （濕薄膜） （） （） Strawbridge和James關系 （） （）式中：為膜厚； 、為溶膠的黏度和密度；為基片提拉速度；為重力加速度；為液氣表面張力。b. 旋涂法旋涂法可以在特制的勻膠機上進行，將基片水平固定于勻膠機上，滴管垂直基片并固定在基片正上方。將預先準備好的溶膠通過滴管滴在勻速旋轉的基片上，在勻膠機旋轉產生的離心力作用下溶膠迅速均勻地鋪展在基片表面。勻膠機轉速的選擇主要取決于基片的尺寸以及溶膠和基片表面的流動性能。（ⅱ）低速旋轉勻膠（ⅲ）高速旋轉溶劑揮發(fā)（?。┤苣z沉積 旋