CN113848603B - 一种衍射元件加工及精度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种衍射元件加工方法及精度补偿方法，利用激光直写设备在基板上完成s个加工区域以及t套对准图案的加工，从而实现s个部分目标图案的拼接。利用对准图案测量拼接误差，建模计算出拼接区域的位置偏差，进而推导出相位误差和加工余量，进而可以通过补偿加工，提升拼接精度。通过待测衍射元件的衍射波前的干涉检测结果，可以监控加工修正的残差，进行循环迭代修正，保证大尺寸衍射元件的图案拼接精度。

Description

一种衍射元件加工及精度补偿方法

技术领域

本发明属于光学工程技术领域，具体涉及一种衍射元件加工方法及精度补偿方法。

背景技术

随着光电技术的不断发展，对光学系统中的元器件提出了更高的要求。衍射光学元件因其在实现光波变换上具有卓越的功能，一经提出，就迅速的受到大家的青睐。基于计算全息技术的衍射光学元件具有如下优点：(1)理论上可以获得任意形式的波前；(2)与传统的光学元件结合，简化系统，并能校正系统像差；(3)可以提高元件的制造精度，用于高精度光学检验补偿器等。

随着计算机辅助设计、直写技术及高精度刻蚀技术的发展，人们将这些微电子加工工艺运用到制作光学元件上，用于制作衍射光学元件。衍射光学元件的制作工艺有很多种，主要分为机械加工法、投影曝光法、直写法。其中，用途最广、精度最高的是直写法工艺，可用于制备多台阶衍射光学元件加工工艺和连续相位衍射光学元件，主要包括刻蚀法、薄膜沉积法、激光直写法、电子束直写法、准分子激光加工法和灰阶掩模法等。但是，激光直写设备的加工行程和精度限制了大尺寸衍射光学元件制造方面的应用，多次直写图案拼接的方式也难以保证对准精度，制约了衍射光学元件向大尺寸高精度方向发展。

发明内容

本发明为了解决传统衍射元件利用位置标定实现拼接误差校准，在拼接后仍存在误差的缺陷，提出了一种衍射元件加工方法，该方法用对准图案测量拼接误差，建模计算出拼接区域的位置偏差，进而推导出相位误差和加工余量，使得可以通过补偿加工，提升拼接精度。为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

一种衍射元件加工方法，包括如下步骤：

A1、将目标图案分割为s个部分目标图案，对应将基板分为s个加工区域，任意相邻的加工区域相互重叠，形成拼接区域；

A2、在基板上依次完成s个加工区域上对应的s个部分目标图案的加工，并同时在形成的n个拼接区域上依次完成t套对准图案的加工，n≤s，t≥2。

优选地，步骤A2包括以下步骤：

A201、将基板涂胶，利用激光直写设备在第一加工区域依次进行第一部分目标图案和t个第一对准图案的曝光、显影、刻蚀加工，第一对准图案位于n个拼接区域上的拼接区域n₁₂；

A202、去除基板表面残余的涂胶并进行清洗，完成第一加工区域的加工；

A203、移动基板，利用激光直写设备配准加工在拼接区域n₁₂上的t个第一准图案，在第二加工区域进行第二部分目标图案和t个第二对准图案的曝光、显影、刻蚀加工，t个第二对准图案位于n个拼接区域上的拼接区域n₂₁；

A204、去除基板表面残余的涂胶并进行清洗，完成第二加工区域的加工，继续移动基板，重复操作，直至完成s个加工区域的加工。

优选地，拼接区域n₁₂与拼接区域n₂₁重合，t个第一对准图案和t个第二对准图案形成t套对准图案。

优选地，每套对准图案包括一个空心十字和一个实心十字，或一个空心方形和一个实心方形，或一个实心圆和一个空心圆；每套对准图案相互重合，对称且均匀分布在每个拼接区域。

一种衍射元件精度补偿方法，包括如下步骤：

B1、分别测量利用上述加工方法加工得到的待测衍射元件的n个拼接区域上的t套对准图案的局部位置偏差

和

得到至少w组拼接误差

其中，

n-1≤w≤n(n-1)/2；i,j∈n；

p为t套对准图案的编号；

k为对准图案的线性系数误差；

B2、选取任意一个拼接区域n_i,j上的t套对准图案的位置为补偿基准，建立相位补偿模型，计算w组拼接误差相对补偿基准的相位误差ΔW_n(x,y)，根据相位误差ΔW_n(x,y)计算w组拼接误差所在的拼接区域的相位补偿所需的材料加工量，相位补偿模型如下：

其中，

表示补偿基准；

表示当前拼接区域的拼接误差；

W(x,y)表示目标图案表达的相位分布；

B3、在基板的无图案面的位置分别进行关于t套对准图案的相位修正加工，完成对部分目标图案拼接的精度补偿；无图案面的位置与拼接区域的位置相对应。

优选地，步骤B2还包括以下步骤：

B201、选取第一加工区域上的t套对准图案的位置为补偿基准；

B202、计算与第一加工区域相重叠的所有拼接区域上t套对准图案的拼接误差相对于第一加工区域的相位误差ΔW_n(x,y)；

B203、遍历剩余拼接区域上t套对准图案相对于第一加工区域的相位误差ΔW_n(x,y)。

优选地，步骤B1之前还包括以下步骤：

B0、利用干涉仪检测待测衍射元件的衍射波前，用于指导相位误差ΔW_n(x,y)的迭代加工。

优选地，衍射元件精度补偿方法还包括：

B4、利用干涉仪进行二次检测，对二次检测的结果进行仿真分析，以确定检测的拼接区域对应的相位误差ΔW(x,y)的修正残差是否在预设的残差值范围内，并进行确定性加工。

优选地，确定性加工的方式包括离子束修形或离子束增材。

优选地，非透射的待测衍射元件通过在数字样板或相位样板上进行相位修正加工，完成部分目标图案的拼接。

优选地，待测衍射元件包括振幅型相位调制型元件、台阶型相位调制型元件或灰度图案连续相位板。

本发明能够取得以下技术效果：

1、利用直写图案的拼接解决传统方法受激光直写设备行程的限制的问题，突破了衍射元件的可制造尺寸。

2、通过同时加工目标图案和对准图案，使得在利用对准图案获得的相位误差对拼接图案进行精度补偿时，可直接修正拼接误差，避免先对拼接误差修正，再对目标图案进行加工时，由加工引入的误差。

3、利用对准图案测量拼接误差，建模计算出拼接区域的位置偏差，进而推导出相位误差和加工余量，使得可以通过补偿加工，提升拼接精度。

4、通过待测衍射元件的衍射波前的干涉检测结果，可以监控加工修正的残差，进行循环迭代修正，保证大尺寸衍射元件的图案拼接精度。

附图说明

图1是本发明一个实施例的一种衍射元件加工方法的流程图；

图2是本发明一个实施例的加工区域的示意图；

图3是本发明一个实施例的一种衍射元件加工方法中步骤S1的加工示意图；

图4是本发明一个实施例的一种衍射元件加工方法中步骤S2的加工示意图；

图5是本发明一个实施例的对准图案的示意图；

图6是本发明一个实施例的一种衍射元件精度补偿方法的流程图。

附图标记：

第一加工区域1、第一部分目标图案11、第一对准图案12、

第二加工区域2、第二部分目标图案21、第二对准图案22、

基板3、拼接区域4。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明的目的是提供一种衍射元件加工及精度补偿方法，该方法能够实现大尺寸计算全息图等衍射元件的制作，并且制作精度高，简单易操作。下面将对本发明提供的一种衍射元件加工及精度补偿方法，通过具体实施例来进行详细说明。

图1示出了本发明的一种衍射元件加工方法的流程图，参见图1，包括以下步骤：

A1、将目标图案分割为s个部分目标图案，对应将基板分为s个加工区域，任意相邻的加工区域相互重叠，形成拼接区域；

具体的，首先根据目标图案制备相应尺寸的基板3，再将目标图案分割成s个部分目标图案，每个部分目标图案都对应一个加工区域，因此基板对应分为s个加工区域，任意相邻的两个加工区域相互重叠，形成拼接区域。

进一步的，若对两个部分目标图案进行拼接，则存在两个加工区域，一个拼接区域；若对三个部分目标图案进行拼接，则分为两种情况：

情况一、三个加工区域在同一行或者列，则存在两个拼接区域，n＝1；

情况二、三个加工区域不在同一行或者列，则存在两个或者三个拼接区域n＝1，2；

同理，对于存在多个加工区域的情况，拼接区域的数量n≤加工区域的数量s，即n≤s。因此本发明利用拼接的方式，解决传统方法受激光直写设备行程的限制的问题，突破了衍射元件的可制造尺寸。

A2、在基板上依次完成s个加工区域上对应的s个部分目标图案的加工，并同时在形成的n个拼接区域上依次完成t套对准图案的加工，n≤s，t≥2。

在本发明的一个优选实施例中，以分割成如图2所示两个加工区域，即第一加工区域1和第二加工区域2为例，每个加工区域均不超过直写机的行程范围，且第一加工区域1和第二加工区域2的部分区域重叠，第一加工区域1与第二加工区域2重叠的部分，形成拼接区域4。

第一加工区域1与第二加工区域2重叠的部分上均加工有t个对准图案，t≥2，参见图3和图4：在第一加工区域1与第二加工区域2重叠的拼接区域4，记为拼接区域n₁₂上，对称设计加工四个第一对准图案12；在第二加工区域2与第一加工区域1重叠的拼接区域4，记为拼接区域n₂₁上，对称设计加工四个第二对准图案22。第一对准图案12与第二对准图案22的位置对应、大小相等。四个第一对准图案12和四个第二对准图案组成四套对准图案。

在本发明的一个优选实施例中，一套对准图案可以为一个空心十字和一个实心十字，如图5所示，即第一对准图案12为实心十字图案，第二对准图案22为空心十字图案，在拼接区域4内，四个第一对准图案12的分布跨度越大，补偿精度越高。

由于每套的空心十字和实心十字的大小相等，拼接区域n₁₂和拼接区域n₂₁重合时，t套对准图案能够同时完全重合，因此可以通过空心十字和实心十字的对齐情况，测量局部位置偏差。

在本发明的另一个优选实施例中，一套对准图案还可以为一个空心方形和一个实心方形，或一个实心圆和一个空心圆。

因此，以对准图案数量t＝4，加工区域s＝2，第一对准图案12为实心十字、第二对准图案22为空心十字为例，本发明的一种衍射元件加工方法具体如下：

A201、将基板3涂胶，利用激光直写设备分别在第一加工区域1对第一部分目标图案11进行曝光，完成显影、刻蚀加工等工序；在拼接区域n₁₂对四个第一对准图案12进行曝光，完成显影、刻蚀加工等工序；

A202、除去基板3表面残余的涂胶并清洗干净，即完成第一加工区域1的加工；

A203、移动基板3，利用激光直写设备配准第一加工区域1内的拼接区域n₁₂的四个第一对准图案12后，在第二加工区域2进行第二部分目标图案21的曝光，完成显影、刻蚀加工等工序；在拼接区域n₂₁进行四个第二对准图案22的曝光，完成显影、刻蚀加工等工序；

A204、除去基板3表面残余的涂胶，清洗干净，即完成第二加工区域2的加工。

在本发明的另一个实施例中，当加工区域s＞2，即至少有两个拼接区域时，需要对目标图案进行至少两次拼接。

以三个加工区域同行或同列为例，此时拼接区域n＝2，加工在拼接区域n₂₃的第四对准图案不与第三对准图案相同。

当第三对准图案与第一对准图案12相同，即均为实心十字图案时，加工在拼接区域n₃₂的第四对准图案为空心十字图案，此时第三对准图案能够于第四对准图案重合。

当拼接区域n>3时，加工方法和对准图案的选取与上述原则相同，不再赘述。

图6示出了对利用本发明的方法拼接加工获得的衍射元件进行精度补偿的流程，包括以下步骤：

B1、对加工得到的待测衍射元件的n个拼接区域上的t套对准图案的局部位置偏差

和

进行测量，得到至少p组拼接误差

其中，

n-1≤w≤n(n-1)/2；i,j∈n；

k为对准图案的线性系数误差；

p为t套对准图案的编号。

具体的，以第一对准图案12为实心十字、第二对准图案22为空心十字为例，十字的横和竖在拼接区域4上分别对应局部位置偏差

和

利用显微镜测量全部对准图案的局部位置偏差

和

从而获得包括平移、旋转、缩放比例以及正交性共五个自由度的拼接误差

更具体的，在本发明的一个优选实施例中，以s＝3个不在同一行或同一列的加工区域、n＝3个拼接区域、p＝4套对准图案为例，此时第一加工区域上的拼接区域n₁₂和第二加工区域上的拼接区域n₂₁重合，记为第一拼接区域；第一加工区域上的拼接区域n₁₃和第三加工区域上的拼接区域n₃₁的部分重合记为第二拼接区域；第三加工区域上的拼接区域n₃₂和第二加工区域上的拼接区域n₂₃重合，记为第三拼接区域。

测量获得第一拼接区域上的拼接误差，

和

获得第二拼接区域上的拼接误差，

和

获得第三拼接区域上的拼接误差、

和

其中，p为t套对准图案的编号，即对应位于该拼接区域上的对准图案的编号。

对于更多加工区域，更多拼接区域的拼接测量误差，遍历测量获得全部w组拼接误差

具体的拼接误差的表述不再赘述。

B2、选取任意一个拼接区域n_i,j上的t套对准图案的位置为补偿基准，建立相位补偿模型，计算w组拼接误差相对补偿基准的相位误差ΔW_n(x,y)，根据相位误差ΔW_n(x,y)计算w组拼接误差所在的拼接区域的相位补偿所需的材料加工量；

具体的，在本发明的一个优选实施例中，以第一加工区域上对准图案的位置为补偿基准为例，建立第二加工区域上拼接区域n₂₁关于第一加工区域的相位补偿模型ΔW₂(x,y)；第三加工区域上拼接区域n₃₁关于第一加工区域的相位补偿模型ΔW₃(x,y)；以及第三加工区域上拼接区域n₃₂和第二加工区域上拼接区域n₂₃关于第一加工区域的相位补偿模型ΔW₄(x,y)，具体表示为：

W(x,y)表示目标图案表达的相位分布，为已知量。

在本发明的另一个实施例中，可以选择任意拼接区域上的对准图案的位置为补偿基准，通过式(5)可以算出其他拼接区域相对于补偿基准的拼接误差

遍历剩余拼接区域上t套对准图案相对于计算出拼接区域的相位补偿所需的材料加工量ΔW_n(x,y)。

因此，利用对准图案测量拼接误差，建模计算出拼接区域的位置偏差，进而推导出相位误差和加工余量，使得可以通过补偿加工，提升拼接精度，使加工方式更加灵活、精准。

B3、在基板的无图案面的位置分别进行关于t套对准图案的相位修正加工，完成对部分目标图案拼接的精度补偿。

具体的，在与拼接区域的位置相对应的基板背面的无图案面的位置进行相位修正加工。

在本发明的另一个优选实施例中，在精度补偿前，还包括：

步骤B0、利用干涉仪检测待测衍射元件的衍射波前，用于指导相位误差ΔW_n(x,y)的迭代加工。

在精度补偿后，还包括步骤：

B4、利用干涉仪进行二次检测，对二次检测的结果进行仿真分析，以确定检测的拼接区域对应的相位误差ΔW(x,y)的修正残差是否在预设的残差值范围内，并进行确定性加工。

具体的，利用干涉仪对补偿结果进行检测，通过结果进行仿真分析相位误差的修正残差，如果残差大于预设的残差值，则建模分析加工余量，进行进一步的确定性加工，直至残差满足预设的精度要求。

在本发明的一个优选实施例中，待测衍射元件可以为振幅型相位调制型元件、台阶型相位调制型元件或灰度图案连续相位板。在待测衍射为透射衍射元件时，可以用离子束修形或离子束增材的确定性加工方式在基板的背面进行加工；在待测衍射为非透射衍射元件时则在数字样板或相位样板上进行加工。

本发明通过同时加工目标图案和对准图案，使得在利用对准图案获得的相位误差对拼接图案进行精度补偿时，可以通过补偿加工，直接修正误差，避免先对拼接误差修正，再对目标图案进行加工时，由加工引入的误差。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种衍射元件精度补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

B1、分别测量利用衍射元件加工方法加工得到的待测衍射元件的n个拼接区域上的t套对准图案的局部位置偏差

和

得到至少w组拼接误差

其中，

n-1≤w≤n(n-1)/2；i＝1,2,…n；j＝1,2,…n；

p为t套对准图案的编号；

k为所述对准图案的线性系数误差；

B2、选取任意一个拼接区域n_i,j上的t套对准图案的位置为补偿基准，其中拼接区域n_i,j为第i加工区域与第j加工区域之间的重叠部分，建立相位补偿模型，计算所述w组拼接误差相对所述补偿基准的相位误差ΔW_n(x,y)，根据所述相位误差ΔW_n(x,y)计算所述w组拼接误差所在的所述拼接区域的相位补偿所需的材料加工量，所述相位补偿模型如下：

其中，

表示所述补偿基准；

表示当前所述拼接区域的拼接误差；

W(x,y)表示目标图案表达的相位分布；

B3、在基板的无图案面的位置分别进行关于所述t套对准图案的相位修正加工，完成对部分目标图案拼接的精度补偿；所述无图案面的位置与所述拼接区域的位置相对应。

2.根据权利要求1所述的衍射元件精度补偿方法，其特征在于，所述步骤B2还包括以下步骤：

B201、选取第一加工区域上的t套对准图案的位置为补偿基准；

B202、计算与所述第一加工区域相重叠的所有拼接区域上所述t套对准图案的拼接误差相对于所述第一加工区域的相位误差ΔW_n(x,y)；

B203、遍历剩余所述拼接区域上所述t套对准图案相对于所述第一加工区域的相位误差ΔW_n(x,y)。

3.根据权利要求2所述的衍射元件精度补偿方法，其特征在于，所述步骤B1之前还包括以下步骤：

B0、利用干涉仪检测所述待测衍射元件的衍射波前，用于指导所述相位误差ΔW_n(x,y)的迭代加工。

4.根据权利要求3所述的衍射元件精度补偿方法，其特征在于，所述衍射元件精度补偿方法还包括：

B4、利用所述干涉仪进行二次检测，对所述二次检测的结果进行仿真分析，以确定检测的所述拼接区域对应的所述相位误差ΔW(x,y)的修正残差是否在预设的残差值范围内，并进行确定性加工。

5.根据权利要求4所述的衍射元件精度补偿方法，其特征在于，所述确定性加工的方式包括离子束修形或离子束增材。

6.根据权利要求1所述的衍射元件精度补偿方法，其特征在于，非透射的所述待测衍射元件通过在数字样板或相位样板上进行所述相位修正加工，完成所述部分目标图案的拼接。

7.根据权利要求1所述的衍射元件精度补偿方法，其特征在于，所述待测衍射元件包括振幅型相位调制型元件、台阶型相位调制型元件或灰度图案连续相位板。

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