CN109491102B - 一种大口径薄膜衍射透镜光刻胶微结构的制备方法及工装 - Google Patents

一种大口径薄膜衍射透镜光刻胶微结构的制备方法及工装 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大口径薄膜衍射透镜光刻胶微结构制备方法及工装，解决了传统接近/接触式曝光方法制备大口径薄膜衍射透镜时不同半径区域无法获得相同优质形貌光刻胶微结构的问题。本发明提供的大口径薄膜衍射透镜光刻胶微结构制备方法，可以在不影响大口径薄膜衍射透镜波像差的情况下，制作出表面具有大面积优质光刻胶形貌的大口径薄膜衍射透镜。本发明可以稳定控制大口径薄膜衍射透镜光刻胶曝光过程中引起的波前畸变波动，全口径曝光间隙均匀性高，全口径光刻胶形貌优质，曝光工艺条件稳定易控制，重复性好，无毒无害，便于推广。

Description

一种大口径薄膜衍射透镜光刻胶微结构的制备方法及工装
技术领域
本发明属于衍射光学元件微结构制造领域，具体涉及一种大口径薄膜衍射透镜光刻胶微结构的制备方法及工装。
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。
根据目前微纳加工技术发展现状，制作出1m左右口径的单片薄膜衍射透镜进行拼接形成超大口径空间光学望远镜是可能的。但是，传统的二元衍射透镜通常使用接触/接近式光刻方法制作在石英、硅、锗等刚性基底上，而且口径一般不超过400毫米。对于满足空间光学望远镜轻量化要求的薄膜基底，为了满足成像基本要求必须采用镜框稳定薄膜衍射透镜的面形，同时在微结构制作过程中不能引起薄膜镜面上任意一点水平面内超过300纳米的形变，这也是传统刚性基底二元衍射透镜微结构制作从未遇到的难题。即使是采用了镜框稳定薄膜镜面形，薄膜本身仍然会以一定频率小幅振动，同时由于薄膜本身的厚度只有几十微米，表现出很高的柔性，很难直接采用制作刚性基底衍射透镜时的硬接触法，将薄膜基底与掩模之间的曝光间隙缩小至泰伯效应允许范围内，同时不引起薄膜基底发生影响薄膜衍射透镜波前数值的面内形变。
基于刚性基底微结构复制的大面积薄膜衍射微结构制作方法是近年来研究较多的薄膜微结构制作方法，这种方法首先基于传统刚性基底光学微结构加工方式在刚性基底上制作出与薄膜微结构互补微结构图案，然后在浮雕结构刚性基底上涂覆用于制作柔性薄膜基底的聚合物溶液进行成膜，随后分离薄膜与基底。这种方法极大程度上利用了传统微细加工技术的优势，但对于薄膜衍射透镜来说，带有微结构的薄膜基底对于镜面内水平形变非常敏感，而流延成膜方法在薄膜与基底分离时，极易带来横向的应力释放或面内形变，因而很难获得满足成像要求的波像差。即使能获得较高的衍射效率，也不能实现优质的成像。
如何提出新的大面积微细加工技术，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透镜光刻胶微结构的制备方法及工装，该发明能够稳定、可靠地完成大口径薄膜衍射透镜光刻胶微结构的光刻制作，全片微结构占空比不均匀性小于5％，高度不均匀性小于5％，薄膜衍射透镜波前畸变波动小于0.01个波长。
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光刻胶微结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在带有薄膜镜框3的薄膜基底2表面旋涂光刻胶；
步骤2：调节承片台5与掩模板4之间的平行度；
步骤3：将内侧支撑工装6、外侧高度调节工装7先后安装到承片台5上，内侧支撑工装6位于外侧高度调节工装7内侧，内侧支撑工装6的安装模块12底部和外侧高度调节工装7的安装圆环10底部均设有多个圆周均布的通孔13，通过这些通孔13与承片台5上相对应的安装孔进行工装的固定；
步骤4：将薄膜基底2及薄膜镜框3安装到外侧高度调节工装7的镜框支撑圆环8上，内侧支撑工装6位于薄膜基底2正下方，薄膜支撑模块11的直径与薄膜镜框3内径相配合，通过外侧高度调节工装7的镜框支撑圆环8上的通孔13与薄膜镜框3底部的安装孔进行薄膜镜框3与镜框支撑圆环8的连接与固定；
步骤5：调节外侧高度调节工装7，使薄膜基底2与薄膜镜框3缓慢下降，直至薄膜基底2下表面恰好接触内侧支撑工装6的薄膜支撑模块11上表面；
步骤6：将大面积光刻石英掩模板4安装到掩模架上，承片台5、内侧支撑工装6、外侧高度调节工装7、薄膜基底2及薄膜镜框3同时缓慢上升，接触掩模板4后开始曝光，曝光结束后依次分离掩模板4以及连在一起的薄膜基底2及薄膜镜框3，显影后得到大口径薄膜衍射透镜光刻胶结构。
进一步地，步骤1中所述薄膜镜框3平面度优于0.01mm。
进一步地，步骤2中调节承片台5与掩模板4之间的平行度，调节后二者之间平行度优于0.02mm。
进一步地，步骤3中将内侧支撑工装6、外侧高度调节工装7先后安装到承片台5上，安装后薄膜支撑模块11上表面与承片台5上表面的平行度优于0.02mm。
进一步地，步骤4中将薄膜基底2及薄膜镜框3安装到外侧高度调节工装7的镜框支撑圆环8上，镜框支撑圆环8的初始高度大于内侧支撑工装6高度减去薄膜镜框3厚度的值。
进一步地，步骤5中薄膜基底2与内侧支撑工装6上表面距离为0-0.01mm，调节到位后薄膜镜框3上表面与承片台5表面平行度优于0.02mm。
本发明还提供了一种大口径薄膜衍射透镜光刻胶微结构曝光工装，包括内侧支撑工装6和外侧高度调节工装7；所述内侧支撑工装6包括薄膜支撑模块11、用于支撑薄膜支撑模块11和连接承片台5的安装模块12以及设置在安装模块12底部的多个圆周均布通孔13；所述通孔13与安装孔一一对应；所述安装模块12底部面形与承片台5表面面形相匹配；所述外侧高度调节工装7包括镜框支撑圆环8、高度调节机构9、用于连接承片台5的安装圆环10以及设置在镜框支撑圆环8和安装圆环10上的多个圆周均布通孔13；所述通孔13与安装孔一一对应。
进一步地，所述内侧支撑工装6的薄膜支撑模块11上表面面形与掩模板4铬面面形相匹配，上表面距底部高度小于薄膜镜框3厚度与外侧高度调节工装7的镜框支撑圆环8最大高度之和。
进一步地，所述外侧高度调节工装7的高度调节机构9可调节镜框支撑圆环8水平度与高度。
进一步地，所述内侧支撑工装6中用于支撑薄膜支撑模块11和连接承片台5的安装模块12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透镜光刻胶微结构的制备方法及工装，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，在接触/接近式曝光时可以将薄膜基底与掩模之间的曝光间隙控制在泰伯效应允许的范围之内，从而在大面积上实现正常曝光，产生全片范围优质光刻胶微结构，制作出高衍射效率均匀性的大口径薄膜衍射透镜。同时，光刻胶微结构制作前后，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光刻胶微结构的制备方法的流程图，其中，图1a为大口径薄膜衍射透镜光刻胶微结构制备方法涂胶工艺步骤示意图；图1b为大口径薄膜衍射透镜光刻胶微结构制备方法基准面调平工艺步骤示意图；图1c为大口径薄膜衍射透镜光刻胶微结构制备方法曝光工装安装工艺步骤示意图；图1d为大口径薄膜衍射透镜光刻胶微结构制备方法薄膜镜安装工艺步骤示意图；图1e为大口径薄膜衍射透镜光刻胶微结构制备方法高度调节工艺步骤示意图；图1f为大口径薄膜衍射透镜光刻胶微结构制备方法曝光显影工艺步骤示意图；
图2为曝光工装及薄膜镜安装示意图；
图中：1—光刻胶层；2—薄膜基底；3—薄膜镜框；4—掩模板；5—承片台；6—内侧支撑工装；7—外侧高度调节工装；8—镜框支撑圆环；9—高度调节机构；10—安装圆环；11—薄膜支撑模块；12—安装模块；13—通孔。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式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光刻胶微结构制备为实施例，结合大口径薄膜衍射透镜光刻胶微结构制备方法示意图1的图1a-图1f，详细说明大口径薄膜衍射透镜光刻胶微结构制备方法的原理和工艺步骤。其中，图1a为大口径薄膜衍射透镜光刻胶微结构制备方法涂胶工艺步骤示意图；图1b为大口径薄膜衍射透镜光刻胶微结构制备方法基准面调平工艺步骤示意图；图1c为大口径薄膜衍射透镜光刻胶微结构制备方法曝光工装安装工艺步骤示意图；图1d为大口径薄膜衍射透镜光刻胶微结构制备方法薄膜镜安装工艺步骤示意图；图1e为大口径薄膜衍射透镜光刻胶微结构制备方法高度调节工艺步骤示意图；图1f为大口径薄膜衍射透镜光刻胶微结构制备方法曝光显影工艺步骤示意图。
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，光刻胶微结构图案最大半径为200毫米，微结构最小线宽4微米，抗蚀剂使用AZ3100光刻胶，在薄膜基底2上的旋涂厚度为1.5微米。
具体工艺过程包括：
步骤1：将薄膜基底2固定到薄膜镜框3上，薄膜镜框3上设置有夹持装置，配合粘接用光学胶水，可以防止薄膜基底2的水平位移，固定后的薄膜透射波前数据优于1/20个波长。
步骤2：使用丙酮、酒精依次对薄膜基底2表面进行浸泡清洗3次，每次5分钟，之后使用氮气吹拂表面3分钟，然后进入鼓风干燥箱120摄氏度烘烤30分钟。
步骤3：利用匀胶机在薄膜基底2表面旋涂一层光刻胶1，转速300转每分钟-1000转每分钟，时间1分钟。
步骤4：在鼓风干燥箱中100摄氏度烘烤薄膜基底2，时间10分钟。
步骤5：将掩模板4放上掩模架，通过硬接触找平法调整掩模板4与承片台5之间的平行度。
步骤6：将内侧支撑工装6、外侧高度调节工装7安装到承片台5上，内侧支撑工装安装模块12底部和外侧高度调节工装安装圆环10底部均设有多个圆周均布的通孔13，通过这些通孔13与承片台5上相对应的安装孔进行工装的固定，固定后利用千分表进行多点等高测量并调节，直至内侧支撑工装6的薄膜支撑模块11和外侧高度调节工装7的镜框支撑圆环8与承片台5表面之间的平行度小于0.02毫米。
步骤7：将外侧高度调节工装7的镜框支撑圆环8调节至最大高度，然后将薄膜基底2、薄膜镜框3安装到曝光工装上，曝光工装内侧支撑工装6位于薄膜基底2正下方，薄膜支撑模块11的直径与薄膜镜框3内径相配合，通过外侧高度调节工装7的镜框支撑圆环8上的通孔13与镜框底部的安装孔进行薄膜镜框3与镜框支撑圆环8的连接与固定。
步骤8：调节外侧高度调节工装高度调节机构9，使薄膜镜框3的竖直高度缓慢下降，薄膜基底2接近内侧支撑工装6的薄膜支撑模块11时，开始调节薄膜镜框3上表面与承片台5表面的平行度，使之小于0.02毫米，之后保持平行度下降，直至薄膜基底2有部分或全部接触内侧支撑工装薄膜支撑模块11。
步骤9：将20英寸×24英寸石英材质的掩模板4安装到掩模架上，开始曝光程序，承片台5上升带动内侧支撑工装6、外侧高度调节工装7和薄膜基底2、薄膜镜框3一起上升，直至薄膜基底2表面接触掩模板4，随后开始紫外曝光，365纳米波长光功率密度5毫焦每平方厘米，曝光时间25秒。曝光结束后，依次取下掩模板4以及连在一起的薄膜基底2与薄膜镜框3，将薄膜基底2、薄膜镜框3置入AZ300MIF显影液，显影时间40秒。之后使用去离子水定影，然后氮气吹干，即得到具有大面积优质形貌光刻胶微结构的400毫米口径聚酰亚胺薄膜衍射透镜。
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 (10)

1.一种大口径薄膜衍射透镜光刻胶微结构的制备方法，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)表面旋涂光刻胶；
步骤2：调节承片台(5)与掩模板(4)之间的平行度；
步骤3：将内侧支撑工装(6)、外侧高度调节工装(7)先后安装到承片台(5)上，内侧支撑工装(6)位于外侧高度调节工装(7)内侧，内侧支撑工装(6)的安装模块(12)底部和外侧高度调节工装(7)的安装圆环(10)底部均设有多个圆周均布的通孔(13)，通过这些通孔(13)与承片台(5)上相对应的安装孔进行工装的固定；
步骤4：将薄膜基底(2)及薄膜镜框(3)安装到外侧高度调节工装(7)的镜框支撑圆环(8)上，内侧支撑工装(6)位于薄膜基底(2)正下方，内侧支撑工装(6)的薄膜支撑模块(11)的直径与薄膜镜框(3)内径相配合，通过外侧高度调节工装(7)的镜框支撑圆环(8)上的通孔(13)与薄膜镜框(3)底部的安装孔进行薄膜镜框(3)与镜框支撑圆环(8)的连接与固定；所述内侧支撑工装(6)的薄膜支撑模块(11)上表面面形与掩模板(4)铬面面形相匹配；
步骤5：调节外侧高度调节工装(7)，使薄膜基底(2)与薄膜镜框(3)缓慢下降，直至薄膜基底(2)下表面恰好接触内侧支撑工装(6)的薄膜支撑模块(11)上表面；
步骤6：将大面积光刻石英掩模板(4)安装到掩模架上，承片台(5)、内侧支撑工装(6)、外侧高度调节工装(7)、薄膜基底(2)及薄膜镜框(3)同时缓慢上升，接触掩模板(4)后开始曝光，曝光结束后依次分离掩模板(4)以及连在一起的薄膜基底(2)及薄膜镜框(3)，显影后得到大口径薄膜衍射透镜光刻胶结构。
2.根据权利要求1所述的大口径薄膜衍射透镜光刻胶微结构的制备方法，其特征在于，步骤1中所述薄膜镜框(3)平面度优于0.01mm。
3.根据权利要求1所述的大口径薄膜衍射透镜光刻胶微结构的制备方法，其特征在于，步骤2中调节承片台(5)与掩模板(4)之间的平行度，调节后二者之间平行度优于0.02mm。
4.根据权利要求1所述的大口径薄膜衍射透镜光刻胶微结构的制备方法，其特征在于，步骤3中将内侧支撑工装(6)、外侧高度调节工装(7)先后安装到承片台(5)上，安装后内侧支撑工装(6)的薄膜支撑模块(11)上表面与承片台(5)上表面的平行度优于0.02mm。
5.根据权利要求1所述的大口径薄膜衍射透镜光刻胶微结构的制备方法，其特征在于，步骤4中将薄膜基底(2)及薄膜镜框(3)安装到外侧高度调节工装(7)的镜框支撑圆环(8)上，镜框支撑圆环(8)的初始高度大于内侧支撑工装(6)高度减去薄膜镜框(3)厚度的值。
6.根据权利要求1所述的大口径薄膜衍射透镜光刻胶微结构的制备方法，其特征在于，步骤5中薄膜基底(2)与内侧支撑工装(6)上表面距离为0-0.01mm，调节到位后薄膜镜框(3)上表面与承片台(5)表面平行度优于0.02mm。
7.一种大口径薄膜衍射透镜光刻胶微结构曝光工装，其特征在于：包括内侧支撑工装(6)和外侧高度调节工装(7)；所述内侧支撑工装(6)包括薄膜支撑模块(11)、用于支撑薄膜支撑模块(11)和连接承片台(5)的安装模块(12)以及设置在安装模块(12)底部的多个圆周均布通孔(13)；所述内侧支撑工装(6)的通孔(13)与安装孔一一对应；所述安装模块(12)底部面形与承片台(5)表面面形相匹配；所述外侧高度调节工装(7)包括镜框支撑圆环(8)、高度调节机构(9)、用于连接承片台(5)的安装圆环(10)以及设置在镜框支撑圆环(8)和安装圆环(10)上的多个圆周均布通孔(13)；所述外侧高度调节工装(7)的通孔(13)与安装孔一一对应。
8.根据权利要求7所述的大口径薄膜衍射透镜光刻胶微结构曝光工装，其特征在于，所述内侧支撑工装(6)的薄膜支撑模块(11)上表面面形与掩模板(4)铬面面形相匹配，薄膜支撑模块(11)上表面距薄膜支撑模块(11)底部高度小于薄膜镜框(3)厚度与外侧高度调节工装(7)的镜框支撑圆环(8)最大高度之和。
9.根据权利要求7所述的大口径薄膜衍射透镜光刻胶微结构曝光工装，其特征在于，所述外侧高度调节工装(7)的高度调节机构(9)可调节镜框支撑圆环(8)水平度与高度。
10.根据权利要求7所述的大口径薄膜衍射透镜光刻胶微结构曝光工装，其特征在于，所述内侧支撑工装(6)中用于支撑薄膜支撑模块(11)和连接承片台(5)的安装模块(12)底部设置有减重结构。
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