CN1058337C - 表面起伏式绕射光学元件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种表面起伏式绕射光学元件及其制作方法包括下列步骤：(1)利用一种渐进式(或多层次)光折射率系数分布镀膜技术，在基板上镀上一层渐进光折射率系数分布膜，使光束经过时产生光程差，再以光阻涂布，然后以光罩制版或以激光直接干涉的方式，直接在光阻上拍摄出所需之绕射条纹；(2)经显影、定影而将所需之绕射条纹形成于光阻上；(3)利用前述光阻做为光罩，对渐进式(或多层次)光折射率系数分布膜进行蚀刻，借以在前述的分布膜上形成绕射条纹，最后去除光阻。
Description
本发明涉及一种表面起伏式绕射光学元件，特别是涉及折射率渐变的表面起伏式绕射光学元件及其制作方法。
一般绕射光学元件或光栅元件以种类而言，可分为下列两种：一为体积型绕射元件，就其曝光材料而言，可分为下列三种：第一种是光聚合物(Photopolymer)，具有高效率，不用化学药剂显影、定影等优点，但有价格昂贵及不易批量生产等问题；第二种是卤化银，具有感光快、拍摄简单等优点，但有低效率及产生的绕射元件易受潮等缺点；第三种是重铬酸明胶DCG(Dichromate Gelatin)，虽具高效率，但也有绕射元件易受潮的缺点。换句话说，前述三种材料皆有不易批量生产的缺点。另一为表面起伏型(surfacerelief)绕射元件，主要是利用半导体技术常用的光掩模进行微蚀刻加工(lithography)，在石英或玻璃基板上蚀刻由电脑算出之干涉条纹，或以激光干涉的方式，直接拍摄出所需的光刻胶绕射元件，其制作方式基本上是用涂有光刻胶感光剂的基板，进行曝光制作，再加以蚀刻或电铸成镍模板，以进行批量生产。此种方式具有元件的环境忍受度高、易于批量生产及成本低等优点，但其缺点是，由于此种类型的绕射元件为表面起伏式，当有高效率需求时，无法制作出具有足够深度的干涉条纹，即线条宽深比(aspect ratio)不够高，有效率较低的缺点。为了提高效率，公知技术中已提出各种方式的表面起伏式绕射元件，例如利用多阶式微蚀刻技术产生炫耀光栅(blazed)型之绕射元件或光栅，请参阅图1，在一石英或硅晶基板10上，利用多个精度极高的光掩模经多次光刻工艺(photolithography)与蚀刻(etching)，形成炫耀光栅状的光栅结构20。或如图2所示，在一石英或硅晶基板30上，利用一灰度光掩模50以灰阶曝光方式进行光刻工艺及蚀刻，以产生类似炫耀光栅之光栅结构40，以期加强第一阶绕射，减少或除去不必要的绕射阶。前述灰阶曝光方式亦可利用电子束直写的方式替代。以上皆以控制光栅形状来达到增加效率的目的，故须一道以上的极高精度光掩模、或不同灰度光罩和精密对准技术来完成。
为克服上述现有技术所存在的问题，本发明目的即在于提供一种高效率的表面起伏式绕射元件的结构及其制作方法，是利用一种渐进式(或多层次)光折射率系数分布镀膜技术及半导体制作中常用的蚀刻技术，对镀有渐进式(或多层次)光折射率系数分布镀膜的基板进行蚀刻。以常用的镀膜技术及蚀刻技术产生高效率的表面起伏式绕射元件，而无需使用多重昂贵的电子束光掩模或是具不同灰度的光掩模，及重复高精度曝光显影对准技巧等步骤，便可解决公知的表面起伏式绕射光栅无法达到高效率的问题。
利用绕射元件做为光学元件，主要是由于可利用相位蚀刻方式使绕射元件结构形成凹凸结构的图案，然后使光束经过凹凸结构，而在绕射元件表面产生各点不同相位，亦即各点光程差不同，最后在观测点处形成相位相加，而产生振辐相加的效果。以表面起伏式(surface relief)绕射光学元件或光栅元件而言，由于其利用入射光束产生绕射偏折现象的比例，即绕射效率(diffractionefficiency)，是取决于条纹线宽深比(aspect ratio)，所以一旦元件功能决定，其条纹宽度也就决定，因此为了得到高绕射效率，如何制作出足够深度的条纹便成为制作表面起伏式绕射光学元件的重要课题，因为足够深度的条纹即表示其可提供足够的光程差。另外，改变光程差的方式亦可利用改变光折射率系数来进行，但此种方式一般皆利用镀膜方式来完成。
利用半导体工艺中常用的光刻工艺及微蚀刻技术，在石英或硅晶基板上蚀刻出元件凹凸结构，其制作的凹凸结构基本上为方形，而以激光直接曝光者，多为正弦形，至于其他的形状则较不易制作。
本发明结合前述凹凸结构及渐变折射率两种技术来制作表面起伏式绕射元件，可不必如公知技术一样，为了改变光程而去改变凹凸结构的宽深比，而导致制作的困难与复杂。因此，本发明之方法具有光掩模易对准、易批量生产及成本低等优点。
本发明首先利用一种渐进式(或多层次)光折射率系数分布镀膜技术，在一基板上镀上一层渐进式光折射率系数分布镀膜，其渐进式光折射率系数分布可为渐增或渐减分布，其分布方式可利用绕射光束之耦合波理论配合各式不同材质之折射率加以分析，以能提供所须绕射效率为主。再以光刻胶涂布前述镀有渐进式(或多层次)光折射率系数分布膜之基板，然后利用光掩模或激光直接干涉方式进行拍摄，借以得到所需的绕射条纹，最后再利用半导体制作中常用的蚀刻技术，在基板上蚀刻出绕射条纹。如上所述，对此一镀有渐进式(或多层次)光折射率系数分布的基板进行蚀刻，无需使用多重昂贵的电子束光掩模或具灰度变化的光掩模，及重复高精度曝光显影对准技巧等步骤便可制作出具高效率之表面起伏式绕射元件。
为了进一步描述本发明之结构、特征及优点，一面结合附图说明本发明之较佳实施例，其中：
图1表示用多阶式微蚀刻技术产生一种炫耀光栅型之绕射元件或光栅，以期加强第一阶绕射，减少或除去其它不需要的绕射阶；
图2表示利用灰阶曝光产生炫耀光栅型之绕射元件或光栅，以期加强第一阶绕射，减少或除去其它不需要的绕射阶；
图3a至图3d表示在涂布有光阻层的镀有渐进式(或多层次)光折射率系数分布膜之基板上，以激光直接干涉方式进行拍摄出所需之绕射条纹；及
图4a至图4d表示在涂布有光刻胶层的镀有渐进式(或多层次)光折射率系数分布膜之基板上，以光掩模拍摄出所需之绕射条纹。
本发明制作高效率的表面起伏式绕射元件的方法，主要是利用公知的镀膜技术及蚀刻工艺。但是在利用绕射片做为聚光、成像或扫瞄元件时，必须先进行光学设计，即由电脑经光线跟踪(Ray Tracing)方式进行分析以了解绕射元件结构，具有图案(绕射条纹)之绕射元件结构可使入射光波的相位产生变化。此图案可利用一相位函数表示其在基材上的分布及计算经其调制后出射光波的特性参数。本发明的制作方法主要包括下列两种方式：实施例一
请参阅图3a至图3d，本发明之第一实施例包括下列步骤：(1)如图3a所示，利用一种渐进式(或多层次)光折射率系数分布镀膜技术，在基板90上以电浆增强化学气相沉积(PECVD)或化学气相沉积(CVD)改变其气体通量来达到成份变化，而得到一层渐进光折射率系数分布膜100，例如SiOx或SiNx或其他可利用PECVD、CVD、溅镀(sputtering)等物理、化学式薄膜工艺用改变工艺参数来改变成份组合，而可使折射率产生变化的对光透明的材料，使光束经过时可产生光程差，再以光刻胶110涂布镀有前述渐进式(或多层次)光折射率系数分布膜100的前述基板90，渐进式(或多层次)光折射率系数分布规格可由绕射条纹线宽及所需效率等参数，再经精确的耦合波(rigorous coupled wave)理论计算出所需的光折射率系数分布，如折射率系数由最高值以等差递减至最低值，其膜层输出光束特性可由傅立叶变换的方式加以分析，并以激光直接干涉的方式，直接在前述光刻胶110上拍摄出所需之绕射条纹；(2)请参阅图3b，经由显影、定影而将所需之绕射条纹形成于前述光刻胶110上；(3)如图3c所示，为形成绕射条纹于前述渐进式(或多层次)光折射率系数分布膜100上，利用半导体工艺常用的蚀刻技术，对前述渐进式(或多层次)光折射率系数分布膜100进行蚀刻而成；(4)请参阅图3d，最后将前述光刻胶110去除，即可得到本发明之表面起伏式绕射元件。
实施例二
请参阅图4a至图4d，本发明之第二实施例包括下列步骤：(1)如图4a所示，利用一种渐进式(或多层次)光折射率系数分布镀膜技术，在基板90上镀上一层渐进光折射率系数分布膜100，例如SiOx或SiNx，使光束经过时可产生光程差，再以光刻胶110涂布镀有前述渐进式(或多层次)光折射率系数分布膜100的前述基板90，渐进式(或多层次)光折射率系数分布规格可由绕射条纹线宽及所需效率等参数，再经精确的耦合波(rigorous coupled wave)理论计算出所须的光折射率系数分布，如折射率系数由最高值以等差递减至最低值，并以光刻工艺方式，利用光掩模120在前述光刻胶110上拍摄出所需之绕射条纹；(2)请参阅图4b，经由显影、定影而将所需之绕射条纹形成于前述光刻胶110上；(3)如图4c所示，为形成绕射条纹于前述渐进式(或多层次)光折射率系数分布膜100上，利用半导体工艺常用的蚀刻技术，对前述渐进式(或多层次)光折射率系数分布膜100进行蚀刻而成；(4)请参阅图4d，最后将前述光刻胶110去除，即可得到本发明之表面起伏式绕射元件。
在所述两实施例中，SiOx的折射率分布约为1.46(SiO)至2.0(SiO)，而SiNx的折射率分布则约为1.8至2.2。
本发明与公知技术相比，公知技术主要是利用半导体技术常用的光刻工艺及蚀刻工艺，在石英或硅晶基板上蚀刻出元件凹凸结构，其所制作的凹凸结构基本上为方形，而以激光直接曝光者多为正弦形。至于所采用的曝光方式，如以多阶式曝光技术而言，至少三至四道光掩模才能做到在几微米线宽内凹凸结构有近似炫耀光栅的效果，其所需的光掩模成本、制作及对准精度皆极高。而以灰度光掩模而言，在几微米线宽内产生不同程度的曝光量极为困难，光掩模成本亦高。而本发明结合镀膜与蚀刻两种技术，可不用改变凹凸结构而去改变光程差，因此有光掩模易对准、易批量生产及成本低等优点。另外，本发明是利用一种渐进式(或多层次)光折射率系数分布镀膜技术，形成不同的光折射率系数分布层，可使绕射元件表面产生各点不同的相位(各点光程差不同)，最后在观测点处形成不同相位相加减及振幅相加减的高效率绕射效果。经过计算对SiO，入射光波长为0.632nm，在宽深比大概维持在0.6左右时，第一阶绕射的绕射效率至少也在40％以上。以公知技术而言，要达到此等效果，则其绕射条纹的宽深比需达到1.5以上，而会造成制作困难的问题。
Claims (13)
1.一种表面起伏式绕射光学元件的制作方法，包括下列步骤：
(1)利用一种渐进式光折射率系数分布镀膜技术，在基板上镀上一层渐进光折射率系数分布膜，使光束经过时可产生光程差，再以光刻胶涂布镀有渐进式光折射率系数分布膜的基板，渐进式光折射率系数分布规格可由绕射条纹线宽及所需效率等参数，再经精确的耦合波理论计算出所须的光折射率系数分布，然后以激光直接干涉的方式，直接在光刻胶上拍摄出所需之绕射条纹；
(2)经由显影、定影而将所需之绕射条纹形成于光刻胶上；
(3)利用前述光刻胶做为光掩模，并以半导体工艺中常用的蚀刻技术，对渐进式光折射率系数分布膜进行蚀刻，借以在前述渐进式光折射率系数分布膜上形成绕射条纹，最后将光刻胶去除。
2.如权利要求1的制作方法，其特征是，在步骤(1)中是利用光刻工艺的方式取代以激光直接干涉的方式，在光刻胶上拍摄出所需之绕射条纹；
3.如权利要求1或2的制作方法，其特征是，在步骤(1)中是镀上SiOx或Si1-xNx做为前述的渐进式光折射率系数分布膜。
4.权利要求1或2的制作方法，其特征是，前述的渐进式光折射率系数分布膜的折射率系数分布规格可利用傅立叶变换的方式来计算。
5.权利要求1或2的制作方法，其特征是，在步骤(3)中，前述的渐进式光折射率系数分布膜经蚀刻后，形成为方形或正弦形的凹凸结构。
6.权利要求1或2的制作方法，其特征是，前述的渐进式光折射率系数分布膜的折射率变化可为多层次光折射率系数分布。
7.一种表面起伏式绕射光学元件，包括：
一基板；及
一层渐进式光折射率系数分布膜，形成于前述的基板上，具有凹凸结构，使得光束经过时可产生光程差，借以产生绕射的效果，且不同的光折射率系数分布可使得此绕射光学元件提供不同的功用。
8.如权利要求7的绕射光学元件，其特征是，前述的渐进式光折射率系数分布膜可为SiOx或SiNx，或其他可利用电浆增强化学气相沉积、化学气相沉积、溅镀等物理、化学式薄膜工艺以改变工艺参数来改变成份组合，而可使折射率产生变化的对光透明材料。
9.如权利要求7的绕射光学元件，其特征是，前述凹凸结构的宽深比约为小于或等于1。
10.如权利要求7的绕射光学元件，其特征是，前述凹凸结构为方形或正弦形。
11.如权利要求7的绕射光学元件，其特征是，前述的渐进式光折射率系数分布膜的折射率系数分布可为渐增或渐减或连续式函数分布。
12.如权利要求7的绕射光学元件，其特征是，前述渐进式光折射率系数分布膜可由一多层次光折射率系数分布膜取代。
13.如权利要求11的绕射光学元件，其特征是，前述的渐进式光折射率系数分布膜的折射率系数分布规格可利用傅立叶变换的方式来评估。
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