CN109491101B - 一种大口径薄膜衍射透镜微结构刻蚀传递方法及工装 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大口径薄膜衍射透镜微结构刻蚀传递方法及工装，解决了大口径带框薄膜透镜无法通过反应离子刻蚀将光刻胶微结构均匀地传递到薄膜基底上的问题。本发明提供的大口径薄膜衍射透镜微结构传递方法，在传统单频容性耦合大口径反应离子刻蚀设备中即可实现全片高均匀性微结构刻蚀传递，满足大口径薄膜衍射透镜成像衍射效率均匀性要求，可以确保在刻蚀前后大口径薄膜衍射透镜波前畸变不因微结构刻蚀传递过程发生大的波动，全口径刻蚀深度均匀性优于±6％，刻蚀工艺条件稳定易控制，重复性好，可适配多种不同型号的薄膜镜框，操作方便，便于推广。

Description

一种大口径薄膜衍射透镜微结构刻蚀传递方法及工装

技术领域

本发明设计一种大口径薄膜衍射透镜微结构传递方法及工装，属于衍射光学元件微结构制造领域。

背景技术

大口径空间望远镜在天文、航空、航天、军工及民用领域有着十分广泛的应用，尤其是现代化战争形式的发展对空间遥感系统提出了更高的要求。地球遥感卫星具有高时效、持续探测能力等优势，适合未来军事发展的需求。

为了进一步获得对更远目标高成像质量和高分辨率的观测图像，提高地球遥感卫星对地分辨率，更大口径是最基本的要求。但是现有的传统大口径望远镜受限于传统镜坯材料的面质量密度，反射镜重量随口径加大急剧增加，对火箭的运载能力是很大的挑战，大口径的反射镜加工也十分困难。

二元光学透镜利用表面的微纳结构实现成像，因而相比传统透镜具有体积小、重量轻、可折叠、设计自由度多、材料选择性宽等优点。将微结构制作在薄膜基底上的薄膜透镜可以进一步大幅减小大口径空间光学望远镜的面质量密度，因而有可能实现25米以上口径的拼接可折叠式空间大口径望远镜。衍射薄膜成像系统可以实现轻量化、大口径、面形公差大、空间可展开、易复制等特点，能极大地降低制造成本和发射成本。

目前，大口径薄膜衍射成像透镜的微结构传递主要依赖离子束刻蚀方法。成熟的氩离子束刻蚀方法具有很高的刻蚀传递均匀性，也基本上不受衬底材质与形状影响，但是用于大口径薄膜衍射成像透镜微结构传递时也存在一些问题。例如，不论是点扫描还是线扫描离子束刻蚀，在进行大面积微结构传递时，整片样品传递完成的时间都很长，对于设备及环境稳定性都有很高的要求，同时生产效率比较低下；另一方面，离子束刻蚀工艺对不同材料的选择比相对较低，因而对前端图案生成工艺有更高的要求，比如刻蚀掩蔽层厚度及掩蔽层质量必须满足一定条件，这也导致了离子束刻蚀与一些新工艺的兼容能力比较差。

反应离子刻蚀是目前被广泛应用于半导体加工和小口径二元光学元件制作的一种微结构传递手段，其特点是刻蚀速率快、掩蔽层材料种类多、工艺多样化，因而在半导体产业芯片生产与实验室小口径二元光学元件生产中具有绝对统治地位。然而，反应离子刻蚀尚未能直接用于大口径薄膜衍射透镜微结构传递工艺与生产，原因之一是很少有商用的大于400毫米口径的反应离子刻蚀设备，可用于半导体生产的450毫米反应离子刻蚀设备正在研发之中，因而也没有可用的大口径薄膜衍射透镜刻蚀传递工艺；其次是反应离子刻蚀过程是一个极端复杂的化学与物理反应综合过程，射频电场、腔室构造、基片材质等都能严重影响刻蚀的结果，因而很难获得像物理轰击刻蚀模型那样的具有较强实验指导意义的仿真模型或半经验公式，基底的改变或口径的变大都会引起刻蚀环境的大幅变化，导致已有的工艺参数不能直接应用于大口径薄膜衍射成像透镜的微结构传递。传统反应离子刻蚀工艺要么针对1mm左右的硅片，要么适用于小口径、不需要太大厚度维持面形的石英基片，对于必须采用20mm以上厚度镜框维持面形、且薄膜中心区域必须悬空透光的大口径薄膜衍射透镜，传统反应离子刻蚀方法无法获得类似于小口径二元光学元件制作中高刻蚀速率、高刻蚀均匀性的刻蚀传递效果。在我们前期的实验中，应用传统工艺的400毫米口径薄膜衍射透镜的刻蚀传递速率只有小口径二元光学元件制作时的三分之一，全片刻蚀不均匀性超过±20％。

因此，提出新的大面积微结构传递方法，克服现有大口径衍射薄膜成像透镜制作中的不足，发展低成本、高效率、高可靠性的加工方法制作优质波像差、可用于成像的大口径薄膜成像元件仍然有十分迫切的需求。

发明内容

为了解决上述技术难题，本发明提供了一种大口径薄膜衍射成像透镜微结构刻蚀传递方法及工装，该发明能够稳定、可靠地完成大口径薄膜衍射透镜微结构的刻蚀传递，全片刻蚀深度不均匀性小于±6％，刻蚀速率与传统二元衍射元件制作时接近，薄膜衍射透镜波前畸变波动小于0.01个波长，全片衍射效率不均匀性可小于±1％。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种大口径薄膜衍射透镜微结构刻蚀传递方法，包括以下步骤：

步骤1：在带有薄膜镜框3的薄膜基底2上制备优质形貌全片均布的光刻胶微结构1；

步骤2：在反应离子刻蚀机的承片台5上铺上一层石墨毡4，承片台5为圆形；

步骤3：将内侧填充工装6和镜框调整工装7放置在承片台5的中心，然后将带有薄膜基底2的薄膜镜框3安装到镜框调整工装7上，同时调节薄膜镜框3高度，使薄膜基底2下表面接近内侧填充工装6上表面；

步骤4：在薄膜镜框3外侧安装外侧等高工装8，调节薄膜镜框3和外侧等高工装8的水平度与高度，使外侧等高工装8上表面与薄膜镜框3上表面位于同一水平面内；

步骤5：在薄膜镜框3与外侧等高工装8上表面凹陷处安装连接工装9；

步骤6：以合理的刻蚀参数进行反应离子刻蚀，刻蚀结束后取出样品，得到全片微结构均匀传递的大口径薄膜衍射透镜。

进一步地，步骤1中所述优质形貌全片均布光刻胶微结构1的最低台阶高度满足以下关系：

其中H_胶min为光刻胶最低台阶高度，V_胶为光刻胶刻蚀速率，V_膜为薄膜基底刻蚀速率，H_膜为薄膜基底刻蚀深度。

进一步地，步骤2中所述石墨毡4厚度不均匀性小于±0.5mm。

进一步地，步骤3中使薄膜基底2下表面接近内侧填充工装6上表面，调节完成后，薄膜基底2下表面距内侧填充工装6上表面的距离为0.1mm-1mm。

进一步地，步骤4中使外侧等高工装8上表面与薄膜镜框3上表面位于同一水平面内，该水平面与承片台5的平行度优于0.1mm。

进一步地，步骤5中安装连接工装9后，薄膜基底2上表面与外侧等高工装8上表面位于同一水平面内，该水平面在刻蚀工装口径范围内平面度优于0.1mm。

本发明还提供一种大口径薄膜衍射透镜微结构刻蚀传递工装，包括内侧填充工装6、镜框调整工装7、外侧等高工装8以及连接工装9；所述镜框调整工装7包括镜框支撑圆环13、镜框调整工装高度调节机构14以及镜框调整工装底部接触圆环15，镜框支撑圆环13用于支撑薄膜镜框3，通过镜框支撑圆环13上的通孔及薄膜镜框3上相对应的安装孔连接薄膜镜框3与镜框支撑圆环13；镜框调整工装高度调节机构14可调节镜框支撑圆环13的水平度与高度；镜框调整工装底部接触圆环15位于镜框调整工装7底部，用于支撑镜框支撑圆环13与镜框调整工装高度调节机构14；所述外侧等高工装8包括顶部等高圆环10、等高工装高度调节结构11以及等高工装底部接触圆环12，顶部等高圆环10可以通过调节等高工装高度调节结构11与薄膜基底2形成一个水平面；等高工装底部接触圆环12位于外侧等高工装8底部，用于支撑顶部等高圆环10与等高工装高度调节结构11；所述连接工装9包括补足圆环、沉孔填充圆片及多个圆周均布的沉孔，补足圆环安装在薄膜镜框3外侧和外侧等高工装8的顶部等高圆环10内侧相应的凹陷处，安装补足圆环后，薄膜镜框3、顶部等高圆环10以及补足圆环三者形成一个水平面，补足圆环上有圆周均布的沉孔，沉孔与薄膜镜框3及外侧等高工装8的顶部等高圆环10相匹配部位的安装孔一一对应，连接工装9通过沉孔及相对应的安装孔与薄膜镜框3和顶部等高圆环10相连接，安装后沉孔位置相对于薄膜镜框3、顶部等高圆环10以及补足圆环三者所处的水平面形成的凹陷由与沉孔口径及深度匹配的沉孔填充圆片补足。

进一步地，内侧填充工装6、镜框调整工装7、外侧等高工装8以及连接工装9材质均为电的良导体，包括但不限于不锈钢、航空铝、导电碳纤维。

进一步地，所述镜框调整工装7与外侧等高工装8的高度调节机构可调节薄膜镜框3上表面或顶部等高圆环10上表面的水平度和高度。

进一步地，所述内侧填充工装6上下表面平行度优于0.02mm，上表面平面度优于0.02mm，底部设置有减重结构。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种大口径薄膜衍射成像透镜微结构刻蚀传递方法及工装，通过在工装研磨、安装、调节中对各个表面的平面度及其之间的水平度进行高精度控制，使用导电材质工装形成与半导体生产中反应离子刻蚀传递工艺相似的刻蚀环境，从而在单频容性耦合反应离子刻蚀设备中实现大口径薄膜衍射成像透镜微结构高速、均匀传递，获得全片范围深度均匀薄膜微结构，制作出高衍射效率均匀性的大口径薄膜衍射透镜。同时，薄膜透镜波前畸变数据不发生大的改变，可以实现高质量、高分辨率的光学成像。

附图说明

图1为本发明一种大口径薄膜衍射透镜微结构刻蚀传递方法的流程示意图，其中，图1a为大口径薄膜衍射透镜微结构刻蚀传递方法刻蚀样品准备工艺步骤示意图；图1b为大口径薄膜衍射透镜微结构刻蚀传递方法石墨毡铺垫工艺步骤示意图；图1c为大口径薄膜衍射透镜微结构刻蚀传递方法填充工装及薄膜镜安装工艺步骤示意图；图1d为大口径薄膜衍射透镜微结构刻蚀传递方法等高工装安装工艺步骤示意图；图1e为大口径薄膜衍射透镜微结构刻蚀传递方法补足圆环安装工艺步骤示意图；图1f为大口径薄膜衍射透镜微结构刻蚀传递方法反应离子刻蚀工艺步骤示意图；

图2为刻蚀工装及薄膜镜安装示意图；

图中：1—光刻胶微结构；2—薄膜基底；3—薄膜镜框；4—石墨毡；5—承片台；6—内侧填充工装；7—镜框调整工装；8—外侧等高工装；9—连接工装；10—顶部等高圆环；11—等高工装高度调节机构；12—等高工装底部接触圆环；13—镜框支撑圆环；14—镜框调整工装高度调节机构；15—镜框调整工装底部接触圆环。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。

本发明以400毫米口径聚酰亚胺薄膜衍射透镜微结构反应离子刻蚀传递为实施例，结合大口径薄膜衍射透镜微结构反应离子刻蚀传递方法示意图1的图1a-图1f，详细说明大口径薄膜衍射透镜微结构反应离子刻蚀传递方法的原理和工艺步骤。其中，图1a为大口径薄膜衍射透镜微结构刻蚀传递方法刻蚀样品准备工艺步骤示意图；图1b为大口径薄膜衍射透镜微结构刻蚀传递方法石墨毡铺垫工艺步骤示意图；图1c为大口径薄膜衍射透镜微结构刻蚀传递方法填充工装及薄膜镜安装工艺步骤示意图；图1d为大口径薄膜衍射透镜微结构刻蚀传递方法等高工装安装工艺步骤示意图；图1e为大口径薄膜衍射透镜微结构刻蚀传递方法补足圆环安装工艺步骤示意图；图1f为大口径薄膜衍射透镜微结构刻蚀传递方法反应离子刻蚀工艺步骤示意图；

实施例中薄膜衍射透镜的一些工艺参数设置如下：薄膜基底2为25微米厚度聚酰亚胺薄膜，透射波前数据优于1/20个波长，光刻胶微结构1图案最大半径为200毫米，光刻胶微结构1深度大于650纳米，刻蚀深度400纳米，反应离子刻蚀气体为氧气和三氟甲烷，流量比例为10：1，刻蚀功率2000瓦，刻蚀腔压5.0帕，刻蚀设备为国产单频容性耦合反应离子刻蚀设备，承片台5直径650毫米，承片台5与腔盖距离60毫米，刻蚀工装材质为不锈钢。

具体工艺过程包括：

步骤1：在薄膜基底2表面制作出大面积形貌优质的光刻胶微结构1，最小台阶高度大于650纳米；

步骤2：在大口径反应离子刻蚀机的承片台5上铺上一层导电的石墨毡4，石墨毡4的厚度为5毫米，外径为648毫米，石墨毡4的边缘不与承片台5边缘接触；

步骤3：将内侧填充工装6和镜框调整工装7放置在石墨毡4上，使用卷尺测量工装到承片台5边缘的距离，确保内侧填充工装6和镜框调整工装7共同的中心与承片台的中心偏差小于1毫米；然后将薄膜镜框3及薄膜基底2安装到镜框调整工装7上，通过镜框调整工装高度调节机构14调节薄膜镜框3的高度和水平度，使薄膜基底2下表面与内侧填充工装6上表面的距离为0.5毫米，薄膜镜框3上表面与承片台5的平行度小于0.1毫米；

步骤4：在薄膜镜框3外侧安装外侧等高工装8，外侧等高工装8外侧不与承片台5边缘接触，通过等高工装高度调节机构11外侧等高工装8的水平度与高度，使外侧等高工装8上表面与薄膜镜框3上表面位于同一水平面内，该水平面与承片台5平面的平行度优于0.1毫米；

步骤5：在薄膜镜框3与外侧等高工装8上表面凹陷处安装连接工装9，连接工装9为厚度5mm的不锈钢圆环，上有圆周均布的沉孔，沉孔与薄膜镜框3及顶部等高圆环10相匹配部位的安装孔一一对应，使用螺丝紧固形成良好接触后，将与沉孔口径及深度匹配的沉孔填充圆片放入安有螺丝的沉孔中，使薄膜基底2上表面与外侧等高工装8上表面所在的平面在刻蚀工装口径范围内平面度优于0.1mm；

步骤6：以前述刻蚀参数进行反应离子刻蚀，刻蚀结束后取出样品，得到全片微结构均匀传递的400毫米口径薄膜衍射透镜。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种大口径薄膜衍射透镜微结构刻蚀传递方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在带有薄膜镜框(3)的薄膜基底(2)上制备优质形貌全片均布的光刻胶微结构(1)；所述优质形貌全片均布光刻胶微结构(1)的最低台阶高度满足以下关系：

其中H_胶min为光刻胶最低台阶高度，V_胶为光刻胶刻蚀速率，V_膜为薄膜基底刻蚀速率，H_膜为薄膜基底刻蚀深度；

步骤2：在反应离子刻蚀机的承片台(5)上铺上一层石墨毡(4)，承片台(5)为圆形；

步骤3：将内侧填充工装(6)和镜框调整工装(7)放置在承片台(5)的中心，然后将带有薄膜基底(2)的薄膜镜框(3)安装到镜框调整工装(7)上，同时调节薄膜镜框(3)高度，使薄膜基底(2)下表面接近内侧填充工装(6)上表面；

步骤4：在薄膜镜框(3)外侧安装外侧等高工装(8)，调节薄膜镜框(3)和外侧等高工装(8)的水平度与高度，使外侧等高工装(8)上表面与薄膜镜框(3)上表面位于同一水平面内；

步骤5：在薄膜镜框(3)与外侧等高工装(8)两者上表面凹陷处安装连接工装(9)；

步骤6：以合理的刻蚀参数进行反应离子刻蚀，刻蚀结束后取出样品，得到全片微结构均匀传递的大口径薄膜衍射透镜。

2.根据权利要求1所述的刻蚀传递方法，其特征在于：步骤2中所述石墨毡(4)厚度不均匀性小于0.5mm。

3.根据权利要求1所述的刻蚀传递方法，其特征在于：步骤3中使薄膜基底(2)下表面接近内侧填充工装(6)上表面，调节完成后，薄膜基底(2)下表面距内侧填充工装(6)上表面的距离为0.1mm-1mm。

4.根据权利要求1所述的刻蚀传递方法，其特征在于：步骤4中使外侧等高工装(8)上表面与薄膜镜框(3)上表面位于同一水平面内，该水平面与承片台(5)的平行度优于0.1mm。

5.根据权利要求1所述的刻蚀传递方法，其特征在于：步骤5中安装连接工装(9)后，薄膜基底(2)上表面与外侧等高工装(8)上表面位于同一水平面内，该水平面在刻蚀工装口径范围内平面度优于0.1mm。

6.一种大口径薄膜衍射透镜微结构刻蚀传递工装，其特征在于：包括内侧填充工装(6)、镜框调整工装(7)、外侧等高工装(8)以及连接工装(9)；所述镜框调整工装(7)包括镜框支撑圆环(13)、镜框调整工装高度调节机构(14)以及镜框调整工装底部接触圆环(15)，镜框支撑圆环(13)用于支撑薄膜镜框(3)，通过镜框支撑圆环(13)上的通孔及薄膜镜框(3)上相对应的安装孔连接薄膜镜框(3)与镜框支撑圆环(13)；镜框调整工装高度调节机构(14)可调节镜框支撑圆环(13)的水平度与高度；镜框调整工装底部接触圆环(15)位于镜框调整工装(7)底部，用于支撑镜框支撑圆环(13)与镜框调整工装高度调节机构(14)；所述外侧等高工装(8)包括顶部等高圆环(10)、等高工装高度调节结构(11)以及等高工装底部接触圆环(12)，顶部等高圆环(10)可以通过调节等高工装高度调节结构(11)与薄膜基底(2)形成一个水平面，等高工装底部接触圆环(12)位于外侧等高工装(8)底部，用于支撑顶部等高圆环(10)与等高工装高度调节结构(11)；所述连接工装(9)包括补足圆环与沉孔填充圆片，补足圆环安装在薄膜镜框(3)外侧和外侧等高工装(8)的顶部等高圆环(10)内侧相应的凹陷处，安装补足圆环后，薄膜镜框(3)、顶部等高圆环(10)以及补足圆环三者形成一个水平面，补足圆环上有多个沿圆周均布的沉孔，沉孔与薄膜镜框(3)及外侧等高工装(8)的顶部等高圆环(10)相匹配部位的安装孔一一对应，连接工装(9)通过沉孔及相对应的安装孔与薄膜镜框(3)和顶部等高圆环(10)相连接，安装后沉孔位置相对于薄膜镜框(3)、顶部等高圆环(10)以及补足圆环三者所处的水平面形成的凹陷由与沉孔口径及深度匹配的沉孔填充圆片补足。

7.根据权利要求6所述的刻蚀传递工装，其特征在于：内侧填充工装(6)、镜框调整工装(7)、外侧等高工装(8)以及连接工装(9)材质均为电的良导体。

8.根据权利要求6所述的刻蚀传递工装，其特征在于：所述镜框调整工装(7)与外侧等高工装(8)的高度调节机构可调节薄膜镜框(3)上表面或顶部等高圆环(10)上表面的水平度和高度。

9.根据权利要求6所述的刻蚀传递工装，其特征在于：所述内侧填充工装(6)上下表面平行度优于0.02mm，上表面平面度优于0.02mm，底部设置有减重结构。

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