CN111239879A - 一种利用单次光刻和热回流实现多台阶衍射微光学元件的方法 - Google Patents

一种利用单次光刻和热回流实现多台阶衍射微光学元件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用单次光刻和热回流实现多台阶衍射微光学元件的方法，所述的方法包括以下步骤：S1：准备好基片，将基片清洗并烘干；S2：在基片的表面上形成光刻胶层；S3：采用直写技术将光刻胶层图案化，显影后形成占空比相同或不同的微结构，各个单元之间的微结构具有相近的厚度；S4：通过加热使得光刻胶层坍塌流平，不同占空比的微结构形成不同高度的台阶，即得到多台阶衍射微光学元件。本发明能达到工艺步骤简易、重复性高、单次光刻、无需使用掩模板、精度高的制作工艺。

Description

一种利用单次光刻和热回流实现多台阶衍射微光学元件的 方法
技术领域
本发明涉及光学元件技术领域，更具体的，涉及一种利用单次光刻和热回流实现多台阶衍射微光学元件的方法。
背景技术
衍射微光学元件是具有复杂排列的亚波长结构构成的光学元件。衍射光学元件能够操纵入射光的相位或振幅，基于不同的应用，创建不同的具有独特功能的输出模式。随着高精度微纳加工技术的发展，衍射光学元件可以被设计成尺寸从几百纳米到几毫米不等的特征尺寸的光学元件，因此，具有体积小、质量轻、分辨率高、易复制、高集成等特点。
常见的衍射微光学元件有三种，一是衍射光栅形成在基板表面上，通常是刻蚀在硬基板表面上，基板材料也有多种，如在石英片上可制备透射型衍射光学元件，在GaAs或Si衬底上可制备反射型衍射光学元件；二是衍射光栅形成在基板表面的聚合物上，三是衍射光学元件完全由聚合物制成。
现有的衍射微光学元件的加工技术有很多种。最早采用的是光刻技术，这种方法需要多次曝光和刻蚀，以形成多台阶分布的微光栅结构，加工步骤多，制作周期长，且存在套刻误差。而薄膜沉积法是通过在基片表面上沉积一定厚度的薄膜来制成衍射光学元件的方法。首先，对覆盖在基片表面的光刻胶层通过曝光技术形成光栅微结构图形，再通过沉积技术在基片和光刻胶上沉积一层薄膜，完成后洗去光刻胶，则附着在基片上的薄膜便形成了一个二阶的光学元件，重复多次以上操作，可以制作成多台阶衍射光学元件。由于薄膜沉积过程通常可以对沉积厚度实时监控，相对于光刻法，薄膜沉积法具有台阶深度精度高的优点，但结构牢固性不及光刻法，也同样存在工艺步骤多和套刻精度不高的缺点。通过直写技术(包括激光束直写和电子束直写)进行灰度曝光的方法可以一次形成多台阶衍射光学元件，首先由衬底结构和光刻胶显影特性计算出光刻胶各点所需的曝光剂量，光刻胶层表面曝光剂量与显影后光刻胶层厚度具是近似线性关系。因此可以一次曝光出多台阶数的衍射光学元件，但缺点是不能精确控制台阶深度，容易引起轮廓变形，制作费用高。另外还有灰阶掩模法，该方法使用了带不同灰度等级的掩模板，通过改变掩模的透射率来改变照射在光刻胶表面上的入射光的强度，从而产生灰度曝光的效果，具有成本低，方法简单的优点，但制作不同的衍射光学元件需要定制不同的掩模板，无法如直写技术一样可随时调整结构设计。
目前存在的衍射微光学元件的制作方法中，无法同时满足无需使用掩模板、一次曝光成型、可精确控制台阶深度的特点。本发明针对这一需求设计了一种制作多台阶衍射微光学元件的新方法。
发明内容
本发明为了解决目前在衍射微光学元件的制作方法中，无法同时满足无需使用掩膜版、一次曝光成型、可精确控制台阶深度的问题，提供了一种利用单次光刻和热回流实现多台阶衍射微光学元件的方法，其能达到工艺步骤简易、重复性高、单次光刻、无需使用掩模板、精度高的制作工艺。
为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：一种利用单次光刻和热回流实现多台阶衍射微光学元件的方法，所述的方法包括以下步骤：
S1：准备好基片，将基片清洗并烘干；
S2：在基片的表面上形成光刻胶层；
S3：采用直写技术将光刻胶层图案化，显影后形成占空比相同或不同的微结构，各个单元之间的微结构具有相近的厚度；
S4：通过加热使得光刻胶层坍塌流平，不同占空比的微结构形成不同高度的台阶，即得到多台阶衍射微光学元件。
本发明所述的占空比不同的微结构通过加热流平，每个单元内的台阶高度就由光刻胶的总体积决定，因此占空比不同的微结构形成了厚度不同的衍射光栅。
优选地，所述基片由SiO2、GaAs、Si材料中的其中一种制作而成。
进一步地，若基片采用SiO2材料制作而成，则在步骤2之后、步骤3之前，还需在光刻胶表面形成一层抗电荷剂层或金属层。
优选地，所述直写技术包括激光束直写、电子束曝光、无掩模曝光。
优选地，所述光刻胶层为具有热流动性的光刻胶，所述的光刻胶层在曝光后不会产生交连结构，可用于特定温度范围下加热流动。
进一步地，所述的特定温度是指加热的温度大于光刻胶的软化点。
在进一步地，步骤S4之后，还包括通过等离子体刻蚀技术将多台阶衍射微光学元件转移到基片上。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明提供的利用单次光刻和热回流实现多台阶衍射微光学元件的方法无需使用掩模板，采用了直写技术，具有元件结构设计方便灵活调整的优势。
(2)本发明提供的利用光刻胶热回流性质制作衍射微光学元件的方法进行单次光刻，无需进行套刻，工艺步骤简单，可选择性地进行刻蚀，将衍射微光学元件停留在光刻胶层或转移到基片上。
(3)本发明提供的利用光刻胶热回流性质制作衍射微光学元件的方法具有台阶高度精确性高的优点，每个单元的光栅台阶高度由光刻胶的总体积决定。
附图说明
图1为实施例1利用单次光刻和热回流实现多台阶衍射微光学元件的方法的示意性流程图。
图2为实施例1的
利用单次光刻和热回流实现多台阶衍射微光学元件的方法的示意性状态图。
图3为实施例1加热前占空比相同或不同的微结构示意图。
图4为实施例1加热后多台阶衍射微光学元件示意图。
图5为实施例1多台阶衍射微光学元件制作过程中加热前和加热后微结构的扫描电子显微镜对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。
实施例1
如图1所示，是利用单次光刻和热回流实现多台阶衍射微光学元件的方法的示意性流程图；如图2所示，是利用单次光刻和热回流实现多台阶衍射微光学元件的方法的示意性状态图。
一种利用单次光刻和热回流实现多台阶衍射微光学元件的方法，所述的方法包括以下步骤：
S1：准备大小合适的基片，将基片清洗并烘干，如图2(a)所示；
S2：在基片的表面上形成光刻胶层，如图2(b)所示；
S3：采用直写技术将光刻胶层图案化，显影后形成占空比相同或不同的微结构，各个单元之间的微结构具有相近的厚度，如图2(c)所示；
S4：通过加热使得光刻胶层坍塌流平，不同占空比的微结构形成不同高度的台阶，即得到多台阶衍射微光学元件，如图2(d)所示。
本实施例所述的占空比不同的微结构通过加热流平，每个单元内的台阶高度就由光刻胶的总体积决定，因此占空比不同的微结构形成了厚度不同的衍射光栅。
在一个具体的实施例中，所述基片由SiO2、GaAs、Si材料中的其中一种制作而成。对于采用导电性较弱的材料为基片，如SiO2材料，则在步骤2之后、步骤3之前，还需在光刻胶表面形成一层抗电荷剂层或金属层。
在一个具体的实施例中，所述直写技术包括激光束直写、电子束曝光、无掩模曝光。
在一个具体的实施例中，所述光刻胶层为具有热流动性的光刻胶，所述的光刻胶层在曝光后不会产生交连结构，可用于特定温度范围下加热流动，形成的光刻胶层厚度为H，如图2(b)所示。
所述占空比相同或不同的微结构，具有相近的厚度H，具有不同的结构尺寸，或不同的结构之间的具有不同的间隙，以造成微结构的占空比不同，如图2(c)所示的微结构，周期为Λ，结构截面宽度分别为0，Λ/4，Λ/2和3Λ/4，占空比从左至右分别为0％,25％,50％和75％。
在一个具体的实施例中，所述的特定温度是指加热的温度大于光刻胶的软化点，使得光刻胶坍塌流平，图2(c)所示的4个不同占空比的微结构坍塌成图2(d)所示的4台阶微结构。
如图2(d)所示的4台阶微结构，具有相近的底面积，截面宽度均为Λ，具有不同的台阶高度，其台阶高度是由图2(c)所对应的微结构体积，或者说占空比决定的，第0台阶的高度为0，第1台阶的高度H1为H/4,第2台阶的高度H2为H/2,第3台阶的高度H3为3H/4。
本实施例加热前占空比相同或不同的微结构示意图，如图3所示。在5μm×5μm(w1×w2)的一个单元里，可以仅有一个微结构，如图3(a)和3(d)所示，也可以有多个微结构，如图3(b)和3(c)所示；所述的微结构的形状可以是柱状，如图3(b)所示；所述的微结构的形状也可以是空心形状，如图3(d)所示。这些微结构的共同特征是，各个单元之间的微结构具有相近的厚度H，但各单元内微结构的总底面积互为相同或不同，即各单元的微结构占空比互为相同或不同，所述的占空比可以相同也可以不同，可以根据需求确定，若要制作台阶高度为1、2、2、3的台阶，那就需要制作四个微结构，包含3种占空比，其中有两个相同；所述的微结构的总底面积不同，可以是微结构本身尺寸不同导致的，可以是单元内微结构之间的间隙不同导致的，也可以是单元间微结构之间的间隙不同导致的。
如图4所示，是加热后多台阶衍射微光学元件示意图。图3所示的4种光刻胶微结构通过加热流平，每个单元的衍射微光学元件的台阶高度由光刻胶的总体积决定，不同占空比的微结构形成不同高度的台阶，因此图3所示的4种光刻胶微结构形成了图4所示的多台阶衍射微光学元件。
假设设计一个多台阶衍射光学元件，其相邻台阶之间的厚度差为λ/(n-1)×1/m，其中λ是衍射光学元件的应用光波长，n为光刻胶的折射率，m为衍射光学元件的台阶数。厚度为λ/(n-1)和0的光刻胶对入射光在光刻胶层产生的相移均为2π的整数倍，因此，m台阶数的衍射光学元件可以对入射光产生m个不同的相移。对于给定的周期单元，光刻胶的形成厚度，可以推算出不同厚度的衍射光栅结构对应的加热前微结构的占空比大小。
本实施例所述实现多台阶衍射微光学元件的方法，在制作过程中加热前和加热后微结构的扫描电子显微镜(SEM)对比图如图5所示。如图5(a)所示，是多台阶衍射微光学元件制作过程中，加热前的微结构的SEM图，光刻胶厚度均为2.9μm，左边三组微结构的宽度均为1μm，右边四组微结构的宽度均为0.5μm。图5(b)所示的是多台阶衍射微光学元件制作过程中，加热后的微结构的SEM图，占空比不同的光刻胶微结构通过加热流平，形成不同高度的台阶，左边三组微结构明显比右边四组微结构高，即形成了2台阶衍射微光学元件。
在一个具体的实施例中，步骤S4之后，还包括通过等离子体刻蚀技术将多台阶衍射微光学元件转移到基片上，由于本实施例所述多台阶衍射微光学元件由基片和光刻胶组成，其中多台阶衍射微光学元件首先制作在光刻胶层，本实施例还可以通过等离子体刻蚀技术转移到基片，实现可选择性地进行刻蚀，即将衍射微光学元件选择停留在光刻胶层或转移到基片上。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用单次光刻和热回流实现多台阶衍射微光学元件的方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：
S1：准备好基片，将基片清洗并烘干；
S2：在基片的表面上形成光刻胶层；
S3：采用直写技术将光刻胶层图案化，显影后形成占空比相同或不同的微结构，各个单元之间的微结构具有相近的厚度；
S4：通过加热使得光刻胶层坍塌流平，不同占空比的微结构形成不同高度的台阶，即得到多台阶衍射微光学元件。
2.根据权利要求1所述的利用单次光刻和热回流实现多台阶衍射微光学元件的方法，其特征在于：所述基片由SiO2、GaAs、Si材料中的其中一种制作而成。
3.根据权利要求2所述的利用单次光刻和热回流实现多台阶衍射微光学元件的方法，其特征在于：若基片采用SiO2材料制作而成，则在步骤2之后、步骤3之前，还需在光刻胶表面形成一层抗电荷剂层或金属层。
4.根据权利要求1所述的利用单次光刻和热回流实现多台阶衍射微光学元件的方法，其特征在于：所述直写技术包括激光束直写、电子束曝光、无掩模曝光。
5.根据权利要求1所述的利用单次光刻和热回流实现多台阶衍射微光学元件的方法，其特征在于：所述光刻胶层为具有热流动性的光刻胶，所述的光刻胶层在曝光后不会产生交连结构，可用于特定温度范围下加热流动。
6.根据权利要求5所述的利用单次光刻和热回流实现多台阶衍射微光学元件的方法，其特征在于：所述的特定温度是指加热的温度大于光刻胶的软化点。
7.根据权利要求1～6任一项所述的利用单次光刻和热回流实现多台阶衍射微光学元件的方法，其特征在于：步骤S4之后，还包括通过等离子体刻蚀技术将多台阶衍射微光学元件转移到基片上。
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