專利名稱：二元光學器件變灰度掩模制作方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及精密光學儀器領域，具體涉及二元光學器件的制作方法及由該方法所設計的裝置。
背景技術：
二元光學是基于光波衍射理論發(fā)展起來的一個新興光學分支，是光學與微電子技術相互滲透、交叉而形成的前沿學科。二元光學器件具有體積小、重量輕、衍射效率極高、易復制、造價低等特點，并能實現傳統光學難以完成的微小、陣列、集成及任意波面變換等新功能。如二元光學器件在多通道微型傳感系統中可用作望遠混合光學系統、光束靈巧控制、多通道處理、探測器陣列和自適應光互連；Veldkamp將二元光學技術與SEED器件、CMOS模擬電子技術結合在一起，提出了“無長突神經細胞電子裝置”單元，以模仿視網膜上無長突神經細胞的近距離探測，該集成化光電處理系統具有邊緣增強、動態(tài)范圍壓縮和神經網絡等功能?？梢哉f，二元光學器件在諸如超精密加工、微型光機電集成系統、計算機技術及信息處理、光纖通信、生物醫(yī)學及娛樂消費等眾多領域中正顯示出前所未有的重要作用以及廣闊的應用前景；二元光學技術將對以光學元件為基礎的信息捕獲、抽取、傳遞、處理、控制、測量等產業(yè)產生深遠的影響，并將引起光學元件設計和制作技術的重大變革。
目前，二元光學器件的制作方法主要有由二元掩模版經多次圖形轉印、套刻形成臺階式浮雕表面的傳統方法(簡稱套刻法)和無掩模直寫法。傳統的套刻方法，由于加工環(huán)節(jié)多、周期長、對準精度難以控制，影響了二元光學器件的制作精度和衍射效率的進一步提高。無掩模直寫技術主要包括激光束直寫和電子束直寫，較適于制作單件多階相位或結構簡單的連續(xù)輪廓器件，其最大的問題是不能精確控制輪廓深度和刻蝕圖形的輪廓變形，且所需設備比較昂貴、生產周期長、成本高。其中，分辨率較高的電子束直寫法，還存在曝光時間長而增加了器件的制作費用，以及由于臨近效應的影響，對復雜輪廓器件，其曝光量難以精確控制等實際問題。
變灰度掩模法是目前正在積極探索的一種新的二元光學器件制作方法，其基本原理是制作一張帶不同灰度等級的掩模版，以精確控制曝光量，從而產生所需的三維浮雕結構。變灰度掩模法可以用來制作任意輪廓的光學元件，單個掩模包含一組二元掩模的全部信息，不但掩模制作簡單、成本低，且抗蝕劑處理與掩模制作無關。該方法經一次圖形轉印即在基片的抗蝕材料上形成多臺階或連續(xù)變化的浮雕輪廓，具有成本低、周期短、方法簡便之優(yōu)點，且無套刻對中誤差問題。
變灰度掩模是一種光掩模，與套刻法中的二元掩模不同之處在于變灰度掩模在掩模平面不同位置處提供可變的透過率，單一灰度掩?？梢院幸唤M二元掩模的位相信息，在經過一次光刻過程和刻蝕后得到所需要的二元光學元件。變灰度掩模根據制作設備及原理可分為直寫灰度掩模、模擬灰度掩模及其他灰度掩模。
(1)直寫灰度掩模是指用激光直寫設備或電子束直寫設備制作的灰度掩模，國外在此方面的研究工作開展的十分活躍。
美國邁哈密大學的Michael R.Wang和Heng Su利用激光直寫設備在高能離子束轟擊敏感玻璃HEBSG(high energy bean sensitive glass)上制作灰度掩模，再使用稀釋氫氟酸直接刻蝕灰度掩模平面。使用該方法研制了16個灰階的3×3微透鏡陣列，衍射效率接近達到94％(16個灰階的理論衍射效率約為99％)。HEBSG玻璃出色的透過率特性能使其適用于可見光及某些紅外波段的衍射光學元件。
美國加利福尼亞大學的Walter Daschner和Pin Long等人使用電子束直寫設備，在HEBSG上制作灰度掩模，然后利用傳統的光學曝光工具，把灰度掩模圖形復制到光刻膠上。再通過顯影、化學輔助離子束刻蝕轉移到基底上。并已制作出2×2球面透鏡陣列，其衍射效率達94％，可以與激光直寫法制作的透鏡陣列相比。
直寫灰度掩模所需設備十分昂貴，且制作灰度掩模的速度慢、成本高。其中，激光直寫法能夠得到較高的衍射效率和制作精度，最小特征尺寸亦達到微米級，目前應用較多。電子束直寫HEBSG，其最小特征尺寸在幾十微米數量級，滿足不了制作精細結構的二元光學器件的要求，且較少應用于二元光學器件的制作。
(2)模擬灰度掩模它是通過改變二元掩模透過部分的數目或面積，利用不同的二元編碼方案，通過投影光刻系統進行空間濾波形成準灰度掩模。有兩種基本方法可以產生模擬灰度掩模一是對帶有方孔的網板光掩模進行空間濾波，二是對特殊的濃淡點圖進行空間濾波。
德國夫瑯和費硅技術研究所的K.Reimer和H.J.Quenzer等人在常規(guī)光學曝光裝置中使用網板光掩模，調節(jié)網孔的大小、調制光強度的變化，產生所需模擬灰度圖形，從而在光刻膠表面產生預先確定的曲面輪廓。使用該方法已經制作出棱鏡、閃耀光柵、菲涅耳透鏡等光學元件。
美國佐治亞工業(yè)技術研究所的Donald C.O.Shea和Willie S.Rockward使用簡單的成像系統，在精縮過程中對特殊的濃淡點圖進行空間濾波，產生模擬灰度圖形。濃淡點圖含有尺寸可變的點圖形，光的灰度由白色背景上的黑點陣列提供。使用這種方法研制出的閃耀光柵，衍射效率達71％。
模擬灰度掩?？山⒃趥鹘y光刻工藝、常規(guī)設備及材料的基礎上，比較簡單實用。但由于空間多路傳輸二元掩模中小孔的衍射引入不必要的雜散光，限制了元件精度的進一步提高，而且網板和濃淡點圖的空間頻率也限制了最小特征尺寸的進一步縮小。
(3)其他灰度掩模美國佐治亞工業(yè)技術研究所的Thomas J.Suleski和Donald C.O.Shea利用圖片藝術中的做幻燈技術制作灰度掩模，利用桌面排版系統和MATHEMATICA、FREEHAND等軟件將設計的灰度連續(xù)變化或臺階式變化的掩模圖形生成數據文件，然后制成幻燈片。再經過10倍精縮，并轉印到黑白膠片中形成灰度掩模，最后經光刻、腐蝕，在抗蝕劑材料上形成連續(xù)變化或多臺階的浮雕輪廓。使用該方法可得到衍射效率為85％的閃耀光柵。
美國麻省理工學院的V.E.Shrauger等人利用高分辨率彩色打印機在透明片上制作彩色掩模圖，彩色打印機能制作黑、藍、綠、青、紅、品紅、黃和白八種色彩的圖案，每種顏色代表一個灰度。將彩色透明片的圖形精縮轉印到黑白膠片上，即形成8灰階掩模圖形。
美國加利福尼亞大學的Walter Daschner和Pin Long等人利用鉻鎳鐵合金的蒸發(fā)和分離過程制作八階灰度掩模。為了在灰度掩模上產生灰度圖形，同傳統的二元光學制作方法一樣，必須使用二元振幅掩模。先蒸發(fā)鉻鎳鐵合金，使其沉積在抗蝕劑上，然后用二元掩模曝光，產生所需的灰度，最后使用丙酮和超聲波清洗來消除抗蝕劑表面的鉻鎳鐵合金。重復三次上述蒸發(fā)和分離過程，可得到八階灰度掩模。使用這種方法已制成菲涅耳透鏡。
圖片藝術中的做幻燈技術和打印機打印彩色透明片等方法制作灰度掩模，分辨率較低，其最小特征尺寸為幾十微米，遠遠滿足不了制作精細結構的二元光學器件的要求。利用鉻鎳鐵合金的蒸發(fā)和分離過程制作灰度掩模，工藝復雜、成本高，不能被大多數人接受。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是怎樣快速地制作一張高精度的帶不同灰度等級的灰度掩模版，精確控制曝光量，以滿足變灰度掩模法制作二元光學器件的要求，加工出多臺階和連續(xù)輪廓的高質量二元光學器件。
本發(fā)明的技術問題是通過下面的技術方案解決的。其特征在于它是將可顯示灰階圖像的空間光調制器通過視頻驅動器與計算機相連，由計算機控制和輸入視頻信號，再通過光束垂直照射電尋址的空間光調制器，由精縮物鏡將空間光調制器上顯示的灰階圖像成像置于二維位移平臺上之感光版上，通過移動該平臺對感光版進行逐個圖形曝光，或采用拼接方式對二維位移平臺上的感光版進行逐個圖形曝光，再經顯影、定影、水洗、干燥等處理工序后，完成灰度掩模的制作。所述空間光調制器內輸入由計算機內的圖形生成軟件根據所要制作的二元光學器件的類型和相關性能參數生成的系列圖形。本發(fā)明根據上述方法設計了一二元光學器件變灰度掩模制作裝置，其特征在于它包括光源、空間光調制器、精縮物鏡、感光版、二維位移平臺、視頻驅動器和計算機，所述感光版放置在可由計算機控制驅動的二維位移平臺上，可接收光源照射之入射光束的精縮物鏡位于空間光調制器和由計算機控制的快門之間，快門位于感光版或精縮物鏡上方，空間光調制器通過視頻驅動器與計算機相連，該空間光調制器可為電尋址、透射式、強度調制型。
本發(fā)明具有下列技術效果1)采用逐個圖形曝光方式，一次曝光形成灰度掩模的面積相當與逐點曝光方式的激光直寫或電子束直寫系統的數千倍，可大大提高灰度掩模的制作速度，并大幅度降低生產成本。
2)采用單個像素尺寸較小的空間光調制器和高精縮倍率物鏡，可使灰度掩模及其制作的二元光學器件的最小特征尺寸達到微米甚至亞微米量級。
3)空間光調制器的高灰階數和高對比度特性，有利于灰度等級的精確控制，以減小二元光學器件深度加工誤差，并可生產高性能二元光學器件。
4)利用現有計算機編程技術以及空間光調制器靈活的視頻控制及顯示驅動系統，可制作任意類型的灰度掩模及對應的二元光學器件。
5)利用圖形拼接技術，可制作大尺寸的灰度掩模及對應的二元光學器件。
6)利用灰度掩模在掩模平面不同位置處提供可變的透過率，一次光刻即在光刻膠上形成所需要的三維輪廓圖形。
7)經一次干法刻蝕即將光刻膠上的初始三維輪廓圖形傳遞至基片上，形成所需要的多臺階或連續(xù)輪廓浮雕結構的二元光學器件。
8)該方法所需的電尋址空間光調制器目前已大量商品化，其它器件購買或研制的成本均較低，可實現灰度掩模制作設備的廉價化。


圖1為本發(fā)明裝置實施例示意圖。
具體實施例方式變灰度掩模法的關鍵是難以快速地制作一張高精度的帶不同灰度等級的灰度掩模版，以精確控制曝光量。本發(fā)明提出基于空間光調制器的灰度掩模制作方法，采用逐個圖形曝光的方式，可克服激光和電子束直寫灰度掩模速度慢、成本高的缺點，同時利用空間調制器的高分辨率、高灰階數和高對比度等特性，可使灰度掩模版的最小特征尺寸達到微米甚至亞微米量級。本發(fā)明特征在于它是將空間光調制器通過視頻驅動器與計算機相連，并由計算機控制和輸入視頻信號，點光源發(fā)出的光束經聚光透鏡后成為平行光，垂直照射采用電尋址方式的透射型空間光調制器，并由空間光調制器對入射光束進行強度調制，從而產生高質量的灰階圖像，該灰階圖像經過精縮投影物鏡成像在感光版上，對感光材料進行曝光。感光版放置于二維位移平臺上，由計算機控制驅動、定位。曝光時每次只能對一小塊面積的感光材料進行曝光，通過移動二維位移平臺，并由計算機控制切換空間光調制器上的顯示圖像，以拼接的方式對整塊感光版進行曝光，再經顯影、定影后可得到一張灰階底片，該底片就是所要得到的灰度掩模。
本發(fā)明根據上述方法設計了一種制作變灰度掩模的裝置，如圖1所示，其特征在于它包括光源1、空間光調制器6、精縮物鏡9、感光版11、二維位移平臺12、視頻驅動器7和計算機8，所述感光版11放置在可由計算機8控制驅動的二維位移平臺12上，可接收光源1照射之入射光束的精縮物鏡9位于空間光調制器6和由計算機8控制的快門10之間，快門10可位于感光版11上方，也可設置在精縮物鏡9上方，本發(fā)明實施例設于感光版11上方?？臻g光調制器6通過視頻驅動器7與計算機8相連。如圖所示，光源1所發(fā)出的光經隔熱鏡2、聚光鏡3、反射鏡4和濾光片5后形成平行光束，垂直照射在空間光調制器6上，該顯示器為電尋址、透射式、強度調制型，并在空間光調制器6上得到單色灰階顯示圖像。該圖像經過精縮物鏡9成像于感光版11上，對感光版11上相應薄層的感光膠進行曝光，定時控制單元對曝光時間進行控制。其中濾光片5型號的選擇要和感光膠的光譜范圍相適應。
計算機8內的圖形生成軟件根據所需制作的二元光學器件類型和相關參數，自動生成系列圖形，并經視頻驅動器7將該系列圖形依次顯示在空間光調制器6上。當空間光調制器6上每切換顯示一幅圖形時，二維位移平臺12依據計算機8給出的相應指令，經過x、y向驅動單元的驅動，進行x、y兩方向的平移運動，并根據x、y向測量單元得到的位移信號，形成閉環(huán)控制，使二維位移平臺12在較短時間內運動到下一個合適的位置。此時計算機8啟動定時控制單元，打開快門10，對一小塊面積的感光膠進行曝光，同時由定時控制單元控制曝光時間。如此往復，依次將空間光調制器6上顯示的系列圖形記錄于薄層感光膠的不同位置。根據生成系列圖形、空間光調制器6本身和精縮物鏡9的相關參數，可得到二維位移平臺在x、y兩方向每次的位移量，從而以拼接的方式對整塊感光版進行曝光。曝光完成后，經顯影、定影、蒸餾水洗、干燥等工序后，即可得到一張灰度掩模。
上述裝置中，空間光調制器6是型號為SVGA的透射型空間光調制器，采用扭曲向列相(TN)模式的液晶材料，并由多晶硅薄膜晶體管(TFT)驅動，以獲得較好的溫度穩(wěn)定性和快速響應特性。該空間光調制器6的分辨率高、圖像清晰、對比度好，且體積小、重量輕，利于集成。該裝置也可采用VGA、XGA等其它各種形式的透射型空間光調制器。
對空間光調制器6而言，除了空間分辨率、像素間距和單個像素尺寸等參數外，圖像灰階數和圖像對比度亦是兩個關鍵性的指標。所采用的SVGA空間光調制器的灰階數可達256，其軸向對比度超過100∶1，因此利用該系統可制作16個甚至更多灰階的灰度掩模版。
分辨力和焦深是精縮投影物鏡9的主要性能指標，由瑞利公式知R=k1λNA----(1)]]>DOF=k2λNA2----(2)]]>上兩式中，R為使用分辨力，DOF為焦深，λ為光波長，NA為像方數值孔徑，k1和k2為條件因子，為簡單起見，令k1＝k2＝1。上述裝置中，若取λ＝0.436μm，精縮投影物鏡9的NA＝0.5，根據瑞利公式可得R＝0.87μm，DOF＝1.7μm。由此可知，精縮投影物鏡9的像方分辨力小于1μm，是完全能夠滿足系統總體要求的，即可使灰度掩模及其制作的二元光學器件的最小特征尺寸達到微米量級。若采用更高數值孔徑和精縮倍率的投影物鏡，可使灰度掩模及其制作的二元光學器件的最小特征尺寸達到亞微米量級。為保證曝光質量，保證光學系統的倍率不變，特采用像方遠心光學結構形式。成像質量包括波像差、光學調制傳遞函數MTF、像面彎曲、像散和畸變等在設計中均須考慮。
感光版11類型的選擇主要考慮以下因素感色范圍要同光源和濾光片相適應，感光晶體顆粒要求細且均勻，感光度適中，反差系數較大，灰霧度較小，感光特性曲線直線部分長。另外，顯影液和定影液配方，顯影和定影時間，環(huán)境溫度等因素，對能否加工出高質量的灰度掩模也有著直接的關系。
光源1采用光強穩(wěn)定性較好、具有一定發(fā)光強度的點光源(比如點光源溴鎢燈、球形超高壓貢燈、球形超高壓短弧氙燈等)，其光譜范圍要同感光膠的光譜范圍及窄帶濾光片的通光帶相適應。
本發(fā)明可利用灰度掩模在掩模平面不同位置處提供可變的透過率，一次光刻即在光刻膠上形成所需要的三維輪廓圖形。光刻過程中多臺階或連續(xù)變化的浮雕結構的面形控制精度和光刻工藝參數有著直接的關系。主要的光刻工藝參數包括前烘溫度(比如60～120攝氏度)和時間(比如10～40分鐘)、光照強度和曝光時間(比如20～100秒)、顯影液類型和濃度(比如稀堿液)和顯影時間(比如20～100秒)等參數。利用現有超大規(guī)模集成電路用的光刻膠及相應顯影液，并使其工作狀態(tài)處于有利于控制連續(xù)面形的線性空間，以獲得較高的感光靈敏度和較大的線性動態(tài)范圍。多臺階或連續(xù)輪廓浮雕結構二元光學器件在光刻膠上的面形控制實質上就是將浮雕深度與曝光量、刻蝕劑濃度、刻蝕時間等控制在一個多維的線性空間，某些工藝參數的變動可以通過適當調節(jié)另外一些工藝參數來進行補償，以保證多臺階或連續(xù)輪廓浮雕結構二元光學器件良好的面形控制精度。
利用干法刻蝕工藝將光刻膠上的初始三維輪廓圖形傳遞至基片上，從而形成所需要的多臺階或連續(xù)輪廓浮雕結構的二元光學器件。在干法刻蝕過程中二元光學器件的面形控制精度和干法刻蝕工藝參數有著直接的關系?？蛇x擇感應耦合等離子體刻蝕、反應離子刻蝕、離子束刻蝕等干法刻蝕方法。針對不同的基片，選擇相應的反應氣體類型，比如二氧化硅基片，可選擇氟利昂CHF3和氬氣Ar。主要工藝參數包括堅膜溫度(比如70～180攝氏度)和時間(比如15～50分鐘)、反應氣體流量、反應室本底真空度(比如低于5×10-3Pa)、反應室氣體壓強(比如0.1Pa～10Pa)、射頻功率(比如600W以內)、刻蝕時間(比如100分鐘以內)等。同樣，多臺階或連續(xù)輪廓浮雕結構二元光學器件在基片上的面形控制實質上就是將浮雕深度與以上主要工藝參數控制在一個多維的線性空間，某些工藝參數的變動可以通過適當調節(jié)另外一些工藝參數來進行補償，以保證多臺階或連續(xù)輪廓浮雕結構二元光學器件良好的面形控制精度。
本發(fā)明具體制作步驟1)根據需要制作的二元光學器件具體參數，由計算機8內的圖形生成軟件自動生成系列圖形；2)將該系列圖形依次顯示在電尋址、透射式、強度調制型空間光調制器6上，并在空間光調制器6上得到高質量單色灰階顯示圖像；3)二維工作平臺12依據計算機8給出的相應指令，在x、y向驅動單元和x、y向測量單元的支持下，在較短時間內平移運動到合適位置；4)計算機8啟動定時控制單元，打開快門10，對感光版11上一小塊面積的感光膠進行曝光，同時由定時控制單元控制曝光時間；5)重復執(zhí)行2～4步，依次將空間光調制器6上顯示的系列圖形記錄于薄層感光膠的不同位置，以拼接的方式對整塊感光版11進行曝光；6)依據感光版11的類型，選擇相應的顯影液、定影液配方，同時選擇相應的顯影、定影時間，并考慮到環(huán)境溫度的影響，對已曝光感光版11進行顯影、定影等沖洗操作，并經干燥處理，得到所需要的灰度掩模；7)選擇光刻工藝參數，利用灰度掩模在掩模平面不同位置處提供可變的透過率，經一次光刻后在光刻膠上形成所需要的初始三維輪廓圖形；8)選擇干法刻蝕工藝參數，經一次干法刻蝕即將光刻膠上的初始三維輪廓圖形傳遞至基片上；9)選擇合適的去膠方法(比如丙酮、超聲波清洗、等離子去膠等)，清洗掉基片上的殘留物體，最終在基片上可得到多臺階或連續(xù)輪廓浮雕結構的二元光學器件。
權利要求
1.一種二元光學器件變灰度掩模制作方法，其特征在于它是將可顯示灰階圖像的空間光調制器通過視頻驅動器與計算機相連，由計算機控制和輸入視頻信號，再通過光束垂直照射電尋址的空間光調制器，由精縮物鏡將空間光調制器上顯示的灰階圖像成像置于二維位移平臺上之感光版上，通過移動該平臺對感光版進行逐個圖形曝光，再經顯影、定影、水洗、干燥等處理工序后，完成灰度掩模的制作。
2.根據權利要求1所述的二元光學器件變灰度掩模制作方法，其特征在于空間光調制器內輸入由計算機內的圖形生成軟件根據所要制作的二元光學器件的類型和相關性能參數生成的系列圖形。
3.根據權利要求1所述的二元光學器件變灰度掩模制作方法，其特征在于它是采用拼接方式對二維位移平臺上的感光版進行逐個圖形曝光。
4.一種二元光學器件變灰度掩模制作裝置，其特征在于它包括光源、空間光調制器、精縮物鏡、感光版、二維位移平臺、視頻驅動器和計算機，所述感光版放置在可由計算機控制驅動的二維位移平臺上，可接收光源照射之入射光束的精縮物鏡位于空間光調制器和由計算機控制的快門之間，快門位于感光版或精縮物鏡上方，空間光調制器通過視頻驅動器與計算機相連。
5.根據權利要求4所述的二元光學器件變灰度掩模制作裝置，其特征在于空間光調制器為電尋址、透射式、強度調制型。
全文摘要
一種二元光學器件變灰度掩模制作方法，其特征在于它是將可顯示灰階圖像的空間光調制器通過視頻驅動器與計算機相連，由計算機控制和輸入視頻信號，再通過光束垂直照射電尋址的空間光調制器，由精縮物鏡將空間光調制器上顯示的灰階圖像成像置于二維位移平臺上之感光版上，通過移動該平臺對感光版進行逐個圖形曝光，再經顯影等工序后，完成灰度掩模的制作。本發(fā)明裝置是將感光版置于二維位移平臺上，可接收入射光束的精縮物鏡位于空間光調制器和快門之間，快門位于感光版或精縮物鏡上方，空間光調制器通過視頻驅動器與計算機相連。本發(fā)明由于采用逐個圖形進行曝光的方法使其具有內在的并行特性，可大大提高灰度掩模的制作速度和精度，降低生產成本。
文檔編號G03F1/38GK1556442SQ20041002281
公開日2004年12月22日 申請日期2004年1月6日 優(yōu)先權日2004年1月6日
發(fā)明者顏樹華, 李圣怡, 戴一帆, 呂海寶, 楊健, 陳善勇, 楊智, 劉宗林 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學