CN103969724A - 一种衍射光学元件的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种衍射光学元件的制作方法，涉及微光学器件的制作。1)在基片上制作金属层；2)涂胶，光刻显影，腐蚀出金属层作为刻蚀掩膜，该金属层直径为微透镜最外层环带外径；3)按设计厚度刻蚀基片形成最外层第一个环带；4)第二次涂胶，背面曝光光刻，显影，保留光刻胶，侧向腐蚀步骤2)中的金属层，去除光刻胶；5)正面涂胶，背面曝光显影；6)按设计厚度刻蚀基片形成最外层第二个环带；7)重复步骤4)，直到刻蚀出所有环带，得到具有多台阶的微透镜衍射光学元件。从根本上避免了传统套刻方法制作微透镜带来的不可避免的误差，减少了制作过程中的工艺步骤，降低了难度，同时也为制作其他多台阶器件提供了途径。

Description

一种衍射光学元件的制作方法

技术领域

本发明涉及微光学器件的制作，尤其是涉及无需套刻对版来制作多台阶微透镜的一种衍射光学元件的制作方法。

背景技术

衍射微透镜阵列的制备是基于传统的折射型微透镜阵列发展起来的，二者的制作工艺具有传承性。衍射微透镜具备多台阶的特性，目前其制作方法大致分为光刻胶加离子刻蚀转移法、束能直写技术以及灰度掩膜技术。但是最为实用，可靠性最好的方法当属光刻胶加离子刻蚀转移的方法。

对于二元微透镜，阶梯形分布的相位近似表达式可以巧妙地克服在加工一个厚度连续变化形状时遇到的困难，并且可以通过一系列二元振幅掩模曝光和图形转印来实现(见SwansonG J.Binary optics technology:the theory and design of multi-level diffractiveoptical elements[R].MASSACHUSETTS INST OF TECH LEXINGTON LINCOLN LAB,1989.)。在光刻工艺中，二元光学元件的位相等级数L和所需的掩模数N之间存在这样的关系：L＝2^N。因此制作8相位台阶和16相位台阶微透镜分别需要三块和四块掩模版。实际制作中一般采用三块掩模版，经三次光刻和三次刻蚀技术制造八相位(或八台阶)衍射微透镜阵列，可基本满足要求。微透镜的制作工艺主要包括掩模版的设计和制作，利用光刻技术将所设计的掩模版图形转印到光刻胶上，利用干法刻蚀或湿法刻蚀技术将光刻胶图形高保真地转移到衬底表面，形成所需的浮雕结构。

随着器件特征尺寸的减小，微透镜环带之间的宽度也随之减小，为了制作高精度的衍射微透镜就必须满足相应的对准精度。常规的套刻工艺中第n块掩膜版和第n-1块掩膜版是严格对准的，环带线条随着器件减小变得越来越精细，细微的套刻误差将导致衍射效率大大降低(见Unno Y.Point-spread function for binary diffractive lenses fabricated withmisaligned masks[J].Applied optics,1998,37(16):3401-3407.)。影响衍射效率的重要因素有三个：纵向刻蚀深度误差，横向对准误差和线宽误差，而横向对准误差对衍射效率影响是最大的。因而目前一般的光刻精度严重制约了微透镜尺寸继续减小。工艺上迫切需要一种能够摆脱光刻精度限制的方法来制作微透镜。

发明内容

本发明的目的在于提供一种衍射光学元件的制作方法。

本发明包括以下步骤：

1)在基片上制作金属层；

2)涂胶，光刻显影，腐蚀出金属层作为刻蚀掩膜，该金属层直径为微透镜最外层环带外径；

3)按设计厚度刻蚀基片形成最外层第一个环带；

4)第二次涂胶，背面曝光光刻，显影，保留光刻胶，侧向腐蚀步骤2)中的金属层，去除光刻胶；

5)正面涂胶，背面曝光显影；

6)按设计厚度刻蚀基片形成最外层第二个环带；

7)重复步骤4)，直到刻蚀出所有环带，得到具有多台阶的微透镜衍射光学元件。

在步骤1)中，所述金属层可选自Cr层，Au层，Ni层等中的一种，也可以是其他非溶于光刻胶显影剂的掩膜；所述在基片上制作金属层的方法可包括溅射、电镀、沉积等中的一种。

在步骤2)中，所述刻蚀掩膜的外径为微透镜最外层环带。

在步骤4)中，所述侧向腐蚀的腐蚀量由微透镜最外层第二个环带宽度确定。

在步骤5)中，所述背面曝光的目的是保留金属层上面的光刻胶作为侧向腐蚀的掩膜。

本发明通过背面曝光来制作金属层的侧向腐蚀掩膜，通过控制金属层的腐蚀时间来确定环带宽度。区别于传统的套刻方法位相等级数L和所需的掩模数N之间存在这样的关系：L＝2^N，本发明可以通过简单方法制作任意台阶微透镜；本发明完全摆脱套刻环节，通过牺牲层的腐蚀量来控制每一个台阶宽度，从而得到一系列同心环带结构；在无需套刻的情况下制作多台阶微透镜。通过仅有的一次掩膜光刻形成微透镜最外层环带，再通过腐蚀，去胶，刻蚀形成基底的图形，然后进行循环得到按次序从外到内逐次得到环带图形。本发明从根本上避免了传统套刻方法制作微透镜带来的不可避免的误差，减少了制作过程中的工艺步骤，降低了难度，同时也为制作其他多台阶器件提供了途径。

附图说明

图1为本发明的光刻示意图(用于产生腐蚀Cr金属层的胶掩膜)；

图2为本发明的第一次腐蚀产生的Cr掩膜示意图；

图3为本发明的感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术刻蚀基底示意图；

图4为本发明的背面曝光示意图；

图5为本发明的金属层侧向腐蚀示意图；

图6为本发明的第二次刻蚀基底示意图；

图7为利用本发明工艺制作的微透镜最终结构图。

具体实施方式

下面将结合附图详细说明本发明的工艺流程。

1、如图1所示将清洗干净的基片11上测控溅射一层金属层12，然后旋涂光刻胶13，放置在真空烤箱前烘一定时间进行坚膜，然后进行光刻15。在图1中，标记14为掩膜版。

2、光刻后进行显影，腐蚀，为了使掩膜版的图形准确转移到金属层12，需要定量精确控制腐蚀时间及腐蚀液浓度，然后进行去胶(如图2所示)。

3、如图3所示，感应耦合等离子体(ICP)刻蚀31刻蚀基底，刻蚀深度为总的刻蚀厚度d/台阶数n。

4、如图4所示，旋涂正性光刻胶13，放置在真空烤箱中前烘一定时间进行坚膜，然后进行背面曝光41，此步骤无需掩膜版及套刻对准。

5、如图5所示，显影，留下的光刻胶膜作为腐蚀金属层的掩膜进行侧向腐蚀51，腐蚀金属层的速率主要由腐蚀液浓度，溶液温度，是否超声处理等因素影响，为了控制侧面腐蚀量，需要精确控制腐蚀速率和腐蚀时间，使侧腐蚀量和外层第二个环带宽度等同。去除光刻胶。

6、如图6所示，感应耦合等离子体(ICP)刻蚀31刻蚀基底，刻蚀深度为总的刻蚀厚度d/台阶数n，由此来刻蚀出外层第二个环带。

7、重复步骤4-6，涂胶，背曝光，显影产生腐蚀金属层的光刻胶掩膜；腐蚀金属层，由于侧腐蚀51来产生下刻蚀下一台阶的金属层掩膜；感应耦合等离子体(ICP)刻蚀31刻蚀基底，这样循环直到所有台阶制作完毕，最终制作结果如图7所示。

应用本发明的技术方案，通过巧妙地利用侧向腐蚀这个现象来精确地产生下一个台阶刻蚀的金属层掩膜，无需套刻，从而从根本上解决以前的套刻对准难题。

上述实施方案中使用的金属层作为刻蚀基底的掩膜层，但并本发明并不限制掩膜层的种类，对于本领域的技术人员来说，这个掩膜层可以有多种替代。

Claims (6)

1.一种衍射光学元件的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在基片上制作金属层；

2)涂胶，光刻显影，腐蚀出金属层作为刻蚀掩膜，该金属层直径为微透镜最外层环带外径；

3)按设计厚度刻蚀基片形成最外层第一个环带；

4)第二次涂胶，背面曝光光刻，显影，保留光刻胶，侧向腐蚀步骤2)中的金属层，去除光刻胶；

5)正面涂胶，背面曝光显影；

6)按设计厚度刻蚀基片形成最外层第二个环带；

7)重复步骤4)，直到刻蚀出所有环带，得到具有多台阶的微透镜衍射光学元件。

2.如权利要求1所述一种衍射光学元件的制作方法，其特征在于在步骤1)中，所述金属层选自Cr层，Au层，Ni层中的一种，也可以是其他非溶于光刻胶显影剂的掩膜。

3.如权利要求1所述一种衍射光学元件的制作方法，其特征在于在步骤1)中，所述在基片上制作金属层的方法包括溅射、电镀、沉积中的一种。

4.如权利要求1所述一种衍射光学元件的制作方法，其特征在于在步骤2)中，所述刻蚀掩膜的外径为微透镜最外层环带。

5.如权利要求1所述一种衍射光学元件的制作方法，其特征在于在步骤4)中，所述侧向腐蚀的腐蚀量由微透镜最外层第二个环带宽度确定。

6.如权利要求1所述一种衍射光学元件的制作方法，其特征在于在步骤5)中，所述背面曝光的目的是保留金属层上面的光刻胶作为侧向腐蚀的掩膜。