CN101470224B - 一种平面连续衍射聚光透镜的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种平面连续衍射聚光透镜的方法，它包括平面连续衍射聚光透镜掩模的制作和利用反应粒子束刻蚀方法进行连续微结构图形转移两个部分。本方法采用激光直写技术对光刻胶版表面光刻胶进行定位定量曝光，显影后在光刻胶层形成连续衍射微结构，经过加热等处理后形成掩模；然后采用反应离子束刻蚀的方法，将掩模表面的微结构转移到基片表面形成平面连续衍射聚光透镜。其特点在于：制作精度高，制作周期短，制作过程简单，制作成本较低等。该方法适合于轻质、高性能平面连续衍射聚光透镜的制作。与其它制作方法相比，激光直写法是最先进的方法之一，能够满足高精度高性能连续衍射元件的制作要求。
Description
技术领域
本发明涉及连续衍射光学元件，具体涉及一种平面连续衍射聚光透镜制作方法。
背景技术
随着空间技术的发展，小型化、轻质量、高性能逐渐成为航天器发展的主要方向之一。衍射光学元件应用于光学系统有利于减小系统体积、减轻重量、简化光学系统以及提高成像质量。因此，衍射光学元件在空间遥感领域有很好的应用前景。衍射光学元件主要依靠透镜表面衍射微结构对光幅或者相位实现调制，微结构衍射面通常是相位连续变化的曲面或者平面。长期以来，由于制作技术的不成熟，连续衍射微结构无法制作出来，导致衍射光学元件无法普及应用。随着半导体工艺技术发展，美国麻省理工学院利用有半导体工艺制作出了二元光学元件，该元件采用台阶状微结构近似连续衍射微结构，具有较高的衍射效率，使得衍射光学元件得到了较大范围的应用。然而，二元光学元件的衍射效率与台阶数成比例，台阶数越多，衍射效率也越高，同时也增加了掩模制作次数，对准精度要求更高。因此，二元光学元件衍射效率很难做得很高，工艺繁琐，成品率很低，成本较高。随着工艺技术的发展，人们采用金刚石切削法加工除了红外连续衍射微结构，但由于加工精度很低，衍射效率也很低。后来又发展出利用掩模移动曝光的方法制作出了连续衍射微结构，制作精度比较高，但制作连续微结构的种类受限，且工艺很难控制，无法普及。随着激光加工技术的发展，采用激光直写法和反应离子束刻蚀法相结合的技术制作连续衍射光学元件成为了可能。
激光直写法和反应离子束刻蚀法相结合制作连续型衍射光学元件具有制作精度高、工艺简单、周期短以及成本低等优点，采用该技术制作的连续衍射光学元件具有很高的衍射效率。因此，激光直写技术成为现阶段衍射光学元件制作的首选技术之一。
平面连续衍射聚光透镜衍射效率高，应用于光学系统有助于减小体积、减轻重量、提高成像质量等。本方法发明前，没有其它技术可以制作出平面连续衍射聚光透镜。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种平面连续型衍射聚光透镜的制备方法，具体包括平面连续衍射聚光透镜掩模制作和图形转移两个步骤。
本发明的目的是这样实现的：
(1)基片材料选用石英玻璃。采用重铬酸钾与浓硫酸的混合溶液对基片进行浸泡清洗3～5小时，取出并经烘干处理后，利用旋转涂胶机进行涂胶，涂胶机转速4000转/分钟～7000转/分钟，胶层厚度在1μm～2.5μm。将涂有光刻胶层的基片置于真空烘箱中进行预烘烤，预烘烤温度在90℃～100℃范围，烘烤时间在30min～60min之间，而后得到光刻胶版。依据透镜设计微结构数据，利用激光曝光能量与微结构半径和微结构深度的关系，形成激光曝光所需的能量文件。在激光直写设备上进行激光刻写曝光。将刻写曝光后的光刻胶版置于显影液中显影，显影时间10s～60s，显影后，光刻胶版表面光刻胶层形成与透镜设计微结构相似的连续微结构。然后将显影后的光刻胶版置于真空干燥箱中坚模烘烤，温度：100℃～140℃，烘烤时间20min～40min。坚模后可形成平面连续衍射聚光透镜掩模。
(2)将制作好的平面连续衍射聚光透镜掩模置于反应离子束刻蚀设备中刻蚀实现连续衍射微结构图形转移。选用六氟化硫(SF6)为刻蚀气体，流量为30～45sccm，射频功率10～80W，反应腔腔压2.8～3.5Pa。在上述工艺参数条件下进行反应刻蚀，刻蚀后可将光刻版胶层的连续微结构转移到基片表面，形成平面连续衍射聚光透镜。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明整个过程自动化控制，工艺稳定，重复性好，操作简便，产品合格率高。
(2)本发明由于采用极坐标激光直写工艺，提高了微结构制作精度，提高了衍射效率。
具体实施方式
本发明采用极坐标激光直写设备结合反应离子束刻蚀设备进行，极坐标激光直写设备主要由工控计算机、激光器、光路准直透镜组、自动聚焦系统、径向坐标控制系统、角向坐标控制系统等部分组成；反应离子束刻蚀设备主要由控制部分、反应刻蚀室等组成。
实施例1
1.平面连续衍射聚光透镜掩模的制作
在重铬酸钾与浓硫酸的混合溶液中浸泡3.5小时；用去离子水擦洗并冲洗；然后用甩胶机甩干，再置于烘干机中80℃烘烤35分钟，最后室温冷却。在清洗好的基片表面涂覆光刻胶，光刻胶型号S1860。涂胶采用旋转涂胶法，涂胶设备采用旋转匀胶机，可通过控制转速调整胶厚，转速在4000转/分钟，胶层厚度在2μm。将涂有光刻胶层的基片置于真空烘箱中进行预烘烤，预烘烤温度在90℃，烘烤时间在40min，而后得到光刻胶版。按透镜掩模的设计数据(刻写半径、刻写深度)与激光能量的关系计算、编写并编译成CLWS-300C/M极坐标激光直写设备的控制程序，形成能量程序文件。选用CLWS-300C/M极坐标激光直写设备；将上述光刻胶版置于设备旋转台中心位置，调整刻写中心，使其中心保持一致，开启激光直写设备，实施对光刻胶版的自动刻写；激光直写设备的激光能量设定：600mW，工作半径设定：50mm。刻写结束后对光刻胶版显影。显影液型号Microposit351，显影时间为40s。将显影后的胶版置于真空干燥箱坚模烘烤，温度：120℃，烘烤时间：30min。
坚模完成后可得到平面连续衍射聚光透镜掩模。
2.反应离子束刻蚀法图形转移
将制作好的平面连续衍射聚光透镜掩模置于反应离子束刻蚀设备中刻蚀实现连续衍射微结构图形转移。选用六氟化硫(SF6)为刻蚀气体，流量为30sccm，射频功率60W，反应腔腔压3.5Pa；在上述工艺参数条件下进行反应刻蚀，刻蚀后可将光刻版胶层的连续微结构转移到基片表面。
刻蚀完成后可制作出平面连续衍射聚光透镜。
Claims (2)
1.一种平面连续型衍射聚光透镜的制备方法，具体包括平面连续衍射聚光透镜掩模制作和图形转移两个步骤；其特征在于：
步骤1：采用重铬酸钾与浓硫酸的混合溶液对基片进行浸泡清洗3～5小时，取出并经烘干处理后，利用旋转涂胶机进行涂胶，涂胶机转速2000转/分钟～7000转/分钟，胶层厚度在1μm～2.5μm；
将涂有光刻胶层的基片置于真空烘箱中进行预烘烤，预烘烤温度在90℃～100℃范围，烘烤时间在30min～60min之间，而后得到光刻胶版；
依据透镜设计微结构数据，利用激光曝光能量与微结构半径和微结构深度的关系，形成激光曝光所需的能量文件；
在激光直写设备上进行激光刻写曝光；将刻写曝光后的光刻胶版置于显影液中显影，显影时间10s～60s，显影后，光刻胶版表面光刻胶层形成与透镜设计微结构相似的连续微结构；
然后将显影后的光刻胶版置于真空干燥箱中坚模烘烤，温度：100℃～140℃，烘烤时间20min～40min；
坚模后可形成平面连续衍射聚光透镜掩模；
步骤2：将制作好的平面连续衍射聚光透镜掩模置于反应离子束刻蚀设备中刻蚀实现连续衍射微结构图形转移；
选用六氟化硫SF6为刻蚀气体，流量为30～45sccm，射频功率10～80W，反应腔腔压2.8～3.5Pa；
在上述工艺参数条件下进行反应刻蚀，刻蚀后可将光刻版胶层的连续微结构转移到基片表面，形成平面连续衍射聚光透镜。
2.根据权利要求1所述的一种平面连续型衍射聚光透镜的制备方法，其特征在于：基片材料选用石英玻璃。
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