CN101487907B - 连续浮雕结构微光学元件干法刻蚀图形传递误差补偿方法 - Google Patents
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Abstract
一种连续浮雕结构微光学元件干法刻蚀图形传递误差补偿方法，该方法包括以下步骤：①以连续浮雕结构微光学元件的理想形貌为基准，得到抗蚀剂表面设计轮廓，并以此为起点；②通过MCFPM模型，仿真分析得到该抗蚀剂轮廓经过干法刻蚀后的传递形貌；③将步骤②中得到的仿真传递形貌与理想形貌相比较，得到图形传递误差，并将其叠加到步骤②起始的抗蚀剂表面轮廓上，得到经过补偿后抗蚀剂设计轮廓；④以步骤③中得到的抗蚀剂设计轮廓作为新的仿真起点，重复进行步骤②和③，得到二次补偿的仿真形貌；⑤重复步骤④所述的仿真及迭代过程，直至仿真传递形貌和理想形貌的误差满足要求；该方法具有成本低、普适性好等特点。
Description
技术领域
本发明属于微光学元件制造误差补偿方法，主要涉及一种基于仿真和几何形貌迭代的高精度连续浮雕结构干法刻蚀图形传递误差补偿加工方法
背景技术
微光学的发展使光学系统产生深刻的变革。超精细结构衍射光学元件是实现光学系统微型化、阵列化、集成化的重要组成部分。此类衍射光学元件加工是微光学的关键技术之一。
制造连续浮雕的微光学器件，目前的主要方法是直写技术，包括激光直写和电子束直写。经过曝光、显影后，通过干法刻蚀技术将光刻胶上的图形转移到石英或单晶硅等光学材料上。
然而由于加工误差的影响，加工结果相比于理想形貌会产生失真。很难加工出预期的垂直侧壁和尖角，如闪耀光栅和菲涅尔透镜的垂直侧壁。加工出的典型结果在尖角处往往是圆弧形的结构，并且垂直侧壁为一斜面。垂直侧壁的加工误差用斜坡的宽度ε(又称死区)来描述，ε与环带宽度Λ的比值的大小直接影响光学元件的衍射效率。这种形貌失真主要来源于激光直写中的卷积效应和干法刻蚀中的角度依赖性两方面。刻蚀过程中的角度依赖性指的是刻蚀速率随着离子的速度方向与被刻蚀面夹角的变化而变化。离子溅射产额随离子束入射角的增大而增加，在入射角为0°～90°之间达到最大值，尤其对于三维连续浮雕结构，入射角变化范围大刻蚀速率分布不均，在入射角突变处的形貌会被先磨平
瑞士保罗谢勒研究所(Paul Scherrer Institute)的Thomas Hessler等人在1997年提出一种单像素优化(individual pixel optimization)的方法。该方法利用误差迭代，将仿真和理想形貌的误差不断迭代到结果中，得到修正后的曝光数据。这种方法可以减小斜坡区域(死区)的宽度，从而提高衍射效率(Thomas Hessler，etal.Analysis and optimization of fabrication of continuous-relief diffractive opticalelements.Applied Optics.1998，37：4069-4079)。大阪府立大学的Yoshihiko Hirai等人也利用优化曝光剂量提高了微光学元件的加工精度(Yoshihiko Hirai，et al.Imprint lithography for curved cross-sectional structure using replicated Ni mold J.Vac.Sci.Technol.B 2002，20(6)：2867-2871)。然而上述技术都是通过调节激光直写中的曝光剂量来减小圆角和死区误差，该方法只对激光直写卷积效应进行了补偿，得到相对理想的激光直写后的抗蚀剂形貌，而忽略了干法刻蚀过程对于图形传递的影响，最终影响加工结果的精度。
埃朗根-纽伦堡大学Martin Eisner等人于1996年通过反应离子刻蚀技术将光刻胶上的连续浮雕微透镜结构传递到硅上。作者通过调节反应离子刻蚀中气体流量，反应腔内气压和极板放电功率来调节刻蚀速率，成功地复制了三维的微透镜结构(Martin Eisner，et al.Transferring resist microlenses into silicon by reactiveion etching.Optical Engineering 1996，35(10)：2979-2982)。然而这种方法只能通过调整工艺参数的方法减少干法刻蚀过程中的图形传递误差，不能从根本上补偿图形传递误差。同时还需要通过大量的实验摸索工艺参数，不具有普适性，且成本较高。
发明内容
本发明目的在于针对上述已有技术存在的问题，提出一种连续浮雕结构微光学元件干法刻蚀图形传递误差补偿方法，以补偿在干法刻蚀工艺中角度依赖性对图形传递的保真度造成的影响，降低刻蚀过程中微光学器件形貌的失真及侧壁倾斜等图形传递误差，提高光学元件的衍射效率。
本发明的目的是这样实现的：一种连续浮雕结构微光学元件干法刻蚀图形传递误差补偿方法，该方法包括以下步骤：①、以连续浮雕结构微光学元件的理想形貌为基准，得到抗蚀剂表面设计轮廓，并以此为起点；②、通过Monte Carlofeature profile model(MCFPM)模型，仿真分析得到该抗蚀剂轮廓经过干法刻蚀后的传递形貌；③、将步骤②中得到的仿真传递形貌与理想形貌相比较，得到图形传递误差，并将其叠加到步骤②起始的抗蚀剂表面轮廓上，得到经过补偿后抗蚀剂设计轮廓；④、以步骤③中得到的抗蚀剂设计轮廓作为新的仿真起点，重复进行步骤②和③，得到二次补偿的仿真形貌；⑤、重复步骤④所述的仿真及迭代过程，直至仿真传递形貌和理想形貌的误差满足要求，并将此时得到的抗蚀剂设计轮廓作为进行连续浮雕微光学元件干法刻蚀工艺前的抗蚀剂设计轮廓使用。
所述的连续浮雕结构微光学元件干法刻蚀图形传递误差补偿方法，在制造微光学元件时，根据制作要求按上述①-⑤步骤进行一次或者多次重复②-③步骤，仿真得到经过补偿后的欲加工中间形貌参数。
所述的连续浮雕结构微光学元件干法刻蚀图形传递误差补偿方法，传统连续浮雕加工技术包括激光直写技术、电子束直写技术、灰度掩膜技术热压印技术与紫外压印技术。
所述的连续浮雕结构微光学元件干法刻蚀图形传递误差补偿方法，干法刻蚀技术包括离子铣刻蚀、等离子刻蚀、反应离子刻蚀。
使用上述步骤得到经过补偿的用于干法刻蚀工艺的抗蚀剂微细结构形貌以后，将该补偿形貌应用于传统连续浮雕加工技术，包括激光直写、电子束直写、灰度掩膜技术、热压印技术与紫外压印技术，使传统连续浮雕结构加工技术加工出的抗蚀剂形貌为经过补偿的形貌而非理想形貌，然后利用干法刻蚀技术将图案传递到光学材料中，最终在光学材料上得到连续浮雕微光学元件的理想形貌。
本发明的特点和优越性在于：
本发明提出了一种连续浮雕结构微光学元件干法刻蚀图形传递误差的补偿方法。该方法首先应用MCFPM方法，建立了对理想的连续浮雕抗蚀剂形貌经过干法刻蚀工艺后，由于刻蚀工艺的角度依赖性等因素而产生的传递误差的预测模型，实现对于该类误差的理论预测；然后基于预测的误差通过反复的迭代-仿真过程修正抗蚀剂微细结构设计形貌，最终可实现对角度依赖性等因素产生的误差的高精度补偿。
与现有技术相比，应用本方法除了结合已有技术对传统微加工工艺误差进行补偿之外，还可以针对干法刻蚀工艺的传递误差进行补偿，极大的提高了经过干法刻蚀之后的图形加工精度。同时该方法还可以避免调节反应离子刻蚀实验参数来优化刻蚀图形的实验量大、成本高，可移植性差的缺点，具有成本低，普适性好等优点。
附图说明
图1为反应离子刻蚀过程中的离子入射角度对刻蚀速率的影响及造成尖角被磨平和侧壁倾斜的示意图。
(a)连续浮雕结构微光学元件的理想设计形貌；
(b)理想设计形貌经过干法刻蚀后的传递形貌；
(c)入射角(离子入射方向及被刻蚀平面夹角)与刻蚀速率的关系曲线；
图2为利用文中的方法优化的补偿结构示意图。
(a)待传递的表面抗蚀剂连续浮雕结构；
(b)传递形貌和理想形貌的对比；
(c)经过补偿的设计形貌示意图。
图3为应用本方法制作菲涅尔透镜所设计的补偿结构示意图。
(a)理想菲涅尔透镜对应的抗蚀剂形貌示意图；
(b)传递形貌和理想形貌的对比；
(c)经过补偿的菲涅耳透镜设计形貌示意图。
图4为制作闪耀光栅元件的所设计补偿结构示意图。
(a)理想闪耀光栅对应的抗蚀剂形貌示意图；
(b)传递形貌和理想形貌的对比；
(c)经过补偿的闪耀光栅设计形貌示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
实施例1
制作连续浮雕的菲涅耳衍射光学透镜，其光学材料为石英玻璃。为了减小刻蚀过程中的图形传递误差，运用本文的方法设计直写技术的目标抗蚀剂形貌，具体流程如下：
①、以菲涅耳透镜的理想形貌为基准，得到抗蚀剂表面设计轮廓，并以此为起点，如图3(a)所示。
②、利用MCFPM仿真预测该抗蚀剂轮廓经过干法刻蚀后的传递形貌。
③、将②中得到的仿真形貌与理想形貌相对比，得到图形传递误差，如图3(b)所示，并将该传递误差叠加到②起始的设计轮廓上，得到补偿后的抗蚀剂设计轮廓。
④、将③中得到抗蚀剂设计轮廓作为新的仿真起点，重复进行②和③，得到二次补偿的仿真形貌。
⑤、重复步骤④所述的仿真及迭代过程，直至仿真传递形貌和理想形貌的误差满足要求，并将此时得到的抗蚀剂设计轮廓作为进行连续浮雕微光学元件干法刻蚀工艺前的抗蚀剂设计轮廓使用，如图3(c)所示。
实施例2
制作连续浮雕的闪耀光栅光学元件，其光学材料为石英玻璃(SiO2)。为了减小刻蚀过程中的图形传递误差，运用本文的方法设计目标结构，具体流程如下：
①、以闪耀光栅的理想形貌为基准，得到抗蚀剂表面设计轮廓，并以此为起点，如图4(a)所示。
②、利用MCFPM仿真预测该抗蚀剂轮廓经过干法刻蚀后的传递形貌。
③、将②中得到的仿真形貌与理想形貌相对比，得到图形传递误差，如图4(b)所示，并将该传递误差叠加到②起始的设计轮廓上，得到补偿后的抗蚀剂设计轮廓。
④、将③中得到抗蚀剂设计轮廓作为新的仿真起点，重复进行②和③，得到二次补偿的仿真形貌。
⑤、重复步骤④所述的仿真及迭代过程，直至仿真传递形貌和理想形貌的误差满足要求，并将此时得到的抗蚀剂设计轮廓作为进行连续浮雕微光学元件干法刻蚀工艺前的抗蚀剂设计轮廓使用，如图4(c)所示。
Claims (2)
1.一种连续浮雕结构微光学元件干法刻蚀图形传递误差补偿方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：①、以连续浮雕结构微光学元件的理想形貌为基准，得到抗蚀剂表面设计轮廓，并以此为起点；②、通过Monte Carlo feature profilemodel(MCFPM)模型，仿真分析得到该抗蚀剂轮廓经过干法刻蚀后的传递形貌；③、以步骤②中得到的仿真传递形貌与理想形貌相比较，得到图形传递误差，并将其叠加到步骤②起始的抗蚀剂表面轮廓上，得到经过补偿后抗蚀剂设计轮廓；④、以步骤③中得到的抗蚀剂设计轮廓作为新的仿真起点，重复进行步骤②和③，得到二次补偿的仿真形貌；⑤、重复步骤④所述的仿真及迭代过程，直至仿真传递形貌和理想形貌的误差满足要求，并将此时得到的抗蚀剂设计轮廓作为进行连续浮雕微光学元件干法刻蚀工艺前的抗蚀剂设计轮廓使用。
2.根据权利要求1所述的连续浮雕结构微光学元件干法刻蚀图形传递误差补偿方法，其特征在于，干法刻蚀技术包括离子铣刻蚀、等离子刻蚀、反应离子刻蚀。
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