CN110658695A

CN110658695A - 一种基于无掩模直写光刻的光学窗口透射波前修正方法

Info

Publication number: CN110658695A
Application number: CN201910905813.8A
Authority: CN
Inventors: 罗先刚; 王炯; 蒲明博; 马晓亮; 李雄; 赵泽宇
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2019-09-24
Filing date: 2019-09-24
Publication date: 2020-01-07
Anticipated expiration: 2039-09-24
Also published as: CN110658695B

Abstract

本发明提供了一种基于无掩模直写光刻的光学窗口透射波前修正方法，包括以下步骤：步骤S1、提供一块光学窗口材料；步骤S2、基片预抛光：采用研磨抛光方法将基片进行预处理，使其透射波前接近加工指标要求，采用干涉仪检测光学窗口的透射波前分布；步骤S3、无掩模直写光刻：根据步骤S2的光学窗口透射波前检测结果，设计用于修正透射波前的无掩模曝光图案，采用设计图案通过无掩模直写光刻对光学窗口实现透射波前修正。该方法可以对光学窗口进行非接触、无应力、定点波前修正，具有加工效率高、修正精度高、成本低等优点。

Description

一种基于无掩模直写光刻的光学窗口透射波前修正方法

技术领域

本发明涉及光学加工技术领域，具体涉及一种基于无掩模直写光刻的光学窗口透射波前修正方法。

背景技术

光学窗口在光学系统中应用广泛，可作为基底用于各类光学元件的加工制作，如衍射光学元件、分光元件、滤光片等。光学窗口的透射波前对光学元件的加工质量具有重要影响，如果光学窗口本身不具有良好的透射波前，加工成光学元件后的质量也难以保证。研磨抛光是目前最常采用的光学窗口加工方法，依靠微细磨粒的机械作用对被加工表面进行微量往除，达到高精度的加工表面和透射波前。研磨抛光可用于一般精度要求的光学窗口加工，如果要达到更高的透射波前要求，通常需要配合离子束抛光等更高精度的抛光技术。离子束抛光采用被充电的高能原子或离子，在真空状态下由离子枪射向工件，当带有很高能量的离子撞击工件表面时，在撞击点上材料以原子量级实现往除。材料的往除量取决于离子束在该点的溅射时间。由于离子束抛光是在原子量级上实现材料的往除，因而材料的往除率较低，为此在采用该方法前，光学窗口需要经过传统方法的预抛光，在基本达到精度要求后再采用离子束抛光进一步对透射波前进行高精度修正。受到原理限制，无论是研磨抛光还是离子束抛光，都面临加工效率低下的问题，尤其是离子束抛光法，对材料的往除是在原子量级上进行的，因此加工效率极低，特别是在大口径光学窗口的加工中尤为明显，加工一块高透射波前要求的光学窗口需要花费大量的时间和成本。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提出了一种基于无掩模直写光刻的光学窗口透射波前修正方法，通过无掩模直写光刻对光学窗口实现快速、高效的透射波前修正。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种基于无掩模直写光刻的光学窗口透射波前修正方法，包括以下步骤：

步骤S1、提供一块光学窗口材料基底；

步骤S2、基片预抛光：采用研磨抛光方法将基片进行预处理，使其透射波前接近加工指标要求，采用干涉仪检测光学窗口的透射波前分布；

步骤S3、无掩模直写光刻：根据步骤S2的光学窗口透射波前检测结果，设计用于修正透射波前的无掩模曝光图案，采用设计图案通过无掩模直写光刻对光学窗口实现透射波前修正。

上述技术方案中，所述步骤S1中，基底的形状优选为圆形或矩形，基底直径或对角线长度在10mm～800mm之间。

上述技术方案中，所述基片材料为石英、合成石英(BK7)、硅片等可用于制造光学窗口的材料中的一种。

上述技术方案中，所述步骤S2中，基片预抛光可减少透射波前修正时无掩模直写光刻次数，类似于离子束抛光之前的预抛光处理。预抛光精度以研磨抛光可以快速达到的精度为宜，面形精度优选为：RMS<1μm。如果所提供基片本身透射波前较好，RMS优于1μm，则可以不用进行预抛光处理。

上述技术方案中，所述步骤S3中，需根据透射波前检测结果和透射波前要达到的修正效果，设计用于修正光学窗口面形的无掩模曝光图案；

上述技术方案中，所述无掩模曝光图案可能为1个或多个。一般情况下，透射波前检测结果与加工指标越接近，采用无掩模光刻进行修正次数越少，相反，透射波前检测结果与加工指标差距越大，采用无掩模光刻进行修正次数越多。具体修正次数以及每次修正所需曝光图案根据预抛光后的透射波前检测结果以及加工指标要求进行确定。因此无掩模曝光图案设计数量最少为1个，更一般的情况为多个。

上述技术方案中，所述步骤S3中，无掩模直写曝光采用激光直写设备完成。曝光过程需要先对光学窗口涂覆光刻胶，再通过激光直写对光刻胶进行无掩模曝光，曝光完成后通过显影形成与设计图案一致的光刻胶图形，再通过刻蚀将光刻胶图形1：1传递到光学窗口，实现对光学窗口面形的改变，达到透射波前修正的效果。

上述技术方案中，所述步骤S3中，无掩模直写光刻根据曝光图案设计情况，需进行1次或多次。各次无掩模直写光刻需包括但不限于涂胶、曝光、显影、刻蚀以及去胶等关键工艺流程。为了提高加工质量，也可增加基底清洗、烘胶等辅助工艺流程。各次无掩模直写光刻在激光直写曝光过程中应采用相同的位置基准，以套刻的方式实现各次曝光图形的对准，对准误差优选的取值为小于1微米。各次无掩模光刻的刻蚀深度在曝光图案设计过程中一并确定，一般的，对于透射波前的低频起伏，需要较深的刻蚀深度进行修正，而对于透射波前的高频起伏，需要较浅的刻蚀深度进行修正。

本发明具有的有益效果在于：

本发明提供的基于无掩模直写光刻的光学窗口透射波前修正方法，采用研磨抛光对光学窗口实现预抛光，再通过无掩模直写光刻对光学窗口透射波前进行高精度修正。相对于离子束抛光等当前常用的高精度抛光方法，无掩模直写光刻修正光学窗口透射波前具有加工效率高、加工口径大的优势，在大口径、高精度光学窗口的加工方面具有很强的实用价值和广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明基于无掩模直写光刻的光学窗口透射波前修正方法的工艺流程图；

图2为一种常见的光学窗口透射波前分布；

图3为用于光学窗口透射波前修正的无掩模曝光图案。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明：

如图1所示，为本发明提供的基于无掩模直写光刻的光学窗口透射波前修正方法工艺流程，该方法包括以下步骤：

步骤S1、提供一块光学窗口材料；

实施例1

本实施例的基于无掩模直写光刻的光学窗口透射波前修正方法，包括以下步骤：

步骤S1、提供一块光学窗口材料：光学窗口材料为石英，形状为正方形，尺寸为100mm*100mm，厚度为2mm；

步骤S2、基片预抛光：采用研磨抛光法对光学窗口进行预抛光，抛光完成后采用干涉仪测试经预抛光后光学窗口的透射波前，如图2所示为透射波前测试结果，透射波前PV为0.170μm，RMS为0.034μm；

步骤S3、无掩模直写光刻：根据步骤S2的光学窗口透射波前检测结果，首先确定透射波前修正所需的无掩模直写光刻次数，一般而言，透射波前测试结果与加工指标要求差异越大，则需要的无掩模直写光刻次数越多，反之差异越小，需要的无掩模直写光刻次数越少。结合透射波前检测结果与加工指标要求，确定无掩模直写光刻次数为3次。根据确定的光刻次数，可以将光学窗口透射波前分为2³个灰度等级，其中0＜L1≤PV/8，PV/8＜L2≤PV/4，PV/4＜L3≤3PV/8，3PV/8＜L4≤PV/2，PV/2＜L5≤5PV/8，5PV/8＜L6≤3PV/4，3PV/4＜L7≤7PV/8，7PV/8＜L8≤PV。将透射波前各点位测试值向上取整，使L1＝PV/8，L2＝PV/4，L3＝3PV/8，L4＝PV/2，L5＝5PV/8，L6＝3PV/4，L7＝7PV/8，L8＝PV，实现透射波前的离散化处理。根据离散化处理后的透射波前分布，设计用于无掩模直写光刻的曝光图形，如图3所示，其中黑色为曝光区域，白色为非曝光区域，图3中a、b、c分别为第一、二、三次无掩模直写光刻曝光图形，且第一、二、三次无掩模直写光刻对光学窗口材料的刻蚀深度分别为PV/8、PV/4、PV/2。曝光图形具体设计原理为：首先将离散化处理后的透过波前值进行分解，分解结果为L1＝PV/8，L2＝PV/4，L3＝PV/8+PV/4，L4＝PV/2，L5＝PV/8+PV/2，L6＝PV/4+PV/2，L7＝PV/8+PV/4+PV/2，L8＝PV/2+PV/2，根据以上等式即可确定各点位在3次无掩模直写光刻中的曝光状态。如L1、L3、L5、L7均含有PV/8，则透射波前值为L1、L3、L5、L7的点位在第一次无掩模直写光刻过程中需要曝光，同理可以确定需要在第二、三次无掩模直写光刻过程中需要曝光的点位，并由此生成如图3所示的曝光图形。经仿真计算，采用图3所示曝光图形对光学窗口透射波前进行修正，可以将透射波前PV从0.17μm减小到约0.02μm，RMS从0.034μm减小到0.004μm。

采用设计好的曝光图形进行无掩模直写光刻，根据图形设计数量，无掩模直写光刻需要进行3次，每一次均包含：基片清洗、涂胶、烘胶、曝光、显影、刻蚀以及去胶等光刻完整工艺流程。基片清洗采用丙酮、酒精等对基片表面进行处理，达到去除基片表面有机物、杂质等目的；清洗完成后，采用旋转涂胶方式在基片表面均匀涂覆光刻胶，根据需要刻蚀深度确定光刻胶型号以及膜层厚度，此处选用AZ1500光刻胶，涂胶厚度为500nm；涂胶完成后，将基片放入烘箱，100℃环境下烘10min，以提高光刻胶层在基底上的附着力以及稳定性；待基片冷却后，将基片放入激光直写设备进行曝光，曝光之前需要将所设计的曝光图形首先导入设备，进行必要格式转换后，设备将按照设计图形对基底对应区域光刻胶进行曝光；曝光完成后对光刻胶进行显影，去除曝光区域的光刻胶，留下未曝光区域的光刻胶形成与设计图案一致的光刻胶图形；最后采用反应离子刻蚀将光刻胶图形转移到基底上，实现对基底特定区域的材料进行去除，刻蚀完成后，去除残留光刻胶，完整工艺流程结束。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims

1.一种基于无掩模直写光刻的光学窗口透射波前修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、提供一块光学窗口材料基底；

2.根据权利要求1所述的光学窗口透射波前修正方法，其特征在于，所述步骤S1中，光学窗口材料基底为圆形或矩形，基底直径或对角线长度在10mm～800mm之间，基底厚度为1mm～9mm。

3.根据权利要求2所述的光学窗口透射波前修正方法，其特征在于，所述光学窗口材料为石英、合成石英、硅片等光学窗口材料中的一种。

4.根据权利要求1所述的光学窗口透射波前修正方法，其特征在于，所述步骤S2中，采用研磨抛光方法对光学窗口进行预抛光，预抛光需要达到的效果为使光学窗口的透射波前RMS值小于1μm。

5.根据权利要求1所述的光学窗口透射波前修正方法，其特征在于，所述步骤S3中，根据预抛光后的透射波前检测结果和光学窗口透射波前的加工指标要求，设计用于修正光学窗口面形的无掩模曝光图案，无掩模曝光图案可能为1个或多个图案。

6.根据权利要求1所述的光学窗口透射波前修正方法，其特征在于，所述步骤S3中，无掩模直写曝光采用激光直写设备完成。

7.根据权利要求5所述的光学窗口透射波前修正方法，其特征在于，所述步骤S3中，无掩模直写光刻根据所述的无掩模曝光图案设计数量，需进行1次或多次。