CN1267787C - 二元光学器件变灰度掩模制作方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种二元光学器件变灰度掩模制作方法，其特征在于它是将可显示灰阶图像的空间光调制器通过视频驱动器与计算机相连，由计算机控制和输入视频信号，再通过光束垂直照射电寻址的空间光调制器，由精缩物镜将空间光调制器上显示的灰阶图像成像置于二维位移平台上之感光版上，通过移动该平台对感光版进行逐个图形曝光，再经显影等工序后，完成灰度掩模的制作。本发明装置是将感光版置于二维位移平台上，可接收入射光束的精缩物镜位于空间光调制器和快门之间，快门位于感光版或精缩物镜上方，空间光调制器通过视频驱动器与计算机相连。本发明由于采用逐个图形进行曝光的方法使其具有内在的并行特性，可大大提高灰度掩模的制作速度和精度，降低尘产成本。

Description

二元光学器件变灰度掩模制作方法及装置

技术领域：

本发明涉及精密光学仪器领域，具体涉及二元光学器件的制作方法及由该方法所设计的装置。

背景技术：

二元光学是基于光波衍射理论发展起来的一个新兴光学分支，是光学与微电子技术相互渗透、交叉而形成的前沿学科。二元光学器件具有体积小、重量轻、衍射效率极高、易复制、造价低等特点，并能实现传统光学难以完成的微小、阵列、集成及任意波面变换等新功能。如二元光学器件在多通道微型传感系统中可用作望远混合光学系统、光束灵巧控制、多通道处理、探测器阵列和自适应光互连；Veldkamp将二元光学技术与SEED器件、CMOS模拟电子技术结合在一起，提出了“无长突神经细胞电子装置”单元，以模仿视网膜上无长突神经细胞的近距离探测，该集成化光电处理系统具有边缘增强、动态范围压缩和神经网络等功能。可以说，二元光学器件在诸如超精密加工、微型光机电集成系统、计算机技术及信息处理、光纤通信、生物医学及娱乐消费等众多领域中正显示出前所未有的重要作用以及广阔的应用前景；二元光学技术将对以光学元件为基础的信息捕获、抽取、传递、处理、控制、测量等产业产生深远的影响，并将引起光学元件设计和制作技术的重大变革。

目前，二元光学器件的制作方法主要有：由二元掩模版经多次图形转印、套刻形成台阶式浮雕表面的传统方法(简称套刻法)和无掩模直写法。传统的套刻方法，由于加工环节多、周期长、对准精度难以控制，影响了二元光学器件的制作精度和衍射效率的进一步提高。无掩模直写技术主要包括激光束直写和电子束直写，较适于制作单件多阶相位或结构简单的连续轮廓器件，其最大的问题是不能精确控制轮廓深度和刻蚀图形的轮廓变形，且所需设备比较昂贵、生产周期长、成本高。其中，分辨率较高的电子束直写法，还存在曝光时间长而增加了器件的制作费用，以及由于临近效应的影响，对复杂轮廓器件，其曝光量难以精确控制等实际问题。

变灰度掩模法是目前正在积极探索的一种新的二元光学器件制作方法，其基本原理是制作一张带不同灰度等级的掩模版，以精确控制曝光量，从而产生所需的三维浮雕结构。变灰度掩模法可以用来制作任意轮廓的光学元件，单个掩模包含一组二元掩模的全部信息，不但掩模制作简单、成本低，且抗蚀剂处理与掩模制作无关。该方法经一次图形转印即在基片的抗蚀材料上形成多台阶或连续变化的浮雕轮廓，具有成本低、周期短、方法简便之优点，且无套刻对中误差问题。

变灰度掩模是一种光掩模，与套刻法中的二元掩模不同之处在于：变灰度掩模在掩模平面不同位置处提供可变的透过率，单一灰度掩模可以含有一组二元掩模的位相信息，在经过一次光刻过程和刻蚀后得到所需要的二元光学元件。变灰度掩模根据制作设备及原理可分为直写灰度掩模、模拟灰度掩模及其他灰度掩模。

(1)直写灰度掩模

是指用激光直写设备或电子束直写设备制作的灰度掩模，国外在此方面的研究工作开展的十分活跃。

美国迈哈密大学的Michael R.Wang和Heng Su利用激光直写设备在高能离子束轰击敏感玻璃HEBSG(high energy bean sensitive glass)上制作灰度掩模，再使用稀释氢氟酸直接刻蚀灰度掩模平面。使用该方法研制了16个灰阶的3×3微透镜阵列，衍射效率接近达到94％(16个灰阶的理论衍射效率约为99％)。HEBSG玻璃出色的透过率特性能使其适用于可见光及某些红外波段的衍射光学元件。

美国加利福尼亚大学的Walter Daschner和Pin Long等人使用电子束直写设备，在HEBSG上制作灰度掩模，然后利用传统的光学曝光工具，把灰度掩模图形复制到光刻胶上。再通过显影、化学辅助离子束刻蚀转移到基底上。并已制作出2×2球面透镜阵列，其衍射效率达94％，可以与激光直写法制作的透镜阵列相比。

直写灰度掩模所需设备十分昂贵，且制作灰度掩模的速度慢、成本高。其中，激光直写法能够得到较高的衍射效率和制作精度，最小特征尺寸亦达到微米级，目前应用较多。电子束直写HEBSG，其最小特征尺寸在几十微米数量级，满足不了制作精细结构的二元光学器件的要求，且较少应用于二元光学器件的制作。

(2)模拟灰度掩模

它是通过改变二元掩模透过部分的数目或面积，利用不同的二元编码方案，通过投影光刻系统进行空间滤波形成准灰度掩模。有两种基本方法可以产生模拟灰度掩模：一是对带有方孔的网板光掩模进行空间滤波，二是对特殊的浓淡点图进行空间滤波。

德国夫琅和费硅技术研究所的K.Reimer和H.J.Quenzer等人在常规光学曝光装置中使用网板光掩模，调节网孔的大小、调制光强度的变化，产生所需模拟灰度图形，从而在光刻胶表面产生预先确定的曲面轮廓。使用该方法已经制作出棱镜、闪耀光栅、菲涅耳透镜等光学元件。

美国佐治亚工业技术研究所的Donald C.O.Shea和Willie S.Rockward使用简单的成像系统，在精缩过程中对特殊的浓淡点图进行空间滤波，产生模拟灰度图形。浓淡点图含有尺寸可变的点图形，光的灰度由白色背景上的黑点阵列提供。使用这种方法研制出的闪耀光栅，衍射效率达71％。

模拟灰度掩模可建立在传统光刻工艺、常规设备及材料的基础上，比较简单实用。但由于空间多路传输二元掩模中小孔的衍射引入不必要的杂散光，限制了元件精度的进一步提高，而且网板和浓淡点图的空间频率也限制了最小特征尺寸的进一步缩小。

(3)其他灰度掩模

美国佐治亚工业技术研究所的Thomas J.Suleski和Donald C.O.Shea利用图片艺术中的做幻灯技术制作灰度掩模，利用桌面排版系统和MATHEMATICA、FREEHAND等软件将设计的灰度连续变化或台阶式变化的掩模图形生成数据文件，然后制成幻灯片。再经过10倍精缩，并转印到黑白胶片中形成灰度掩模，最后经光刻、腐蚀，在抗蚀剂材料上形成连续变化或多台阶的浮雕轮廓。使用该方法可得到衍射效率为85％的闪耀光栅。

美国麻省理工学院的V.E.Shrauger等人利用高分辨率彩色打印机在透明片上制作彩色掩模图，彩色打印机能制作黑、蓝、绿、青、红、品红、黄和白八种色彩的图案，每种颜色代表一个灰度。将彩色透明片的图形精缩转印到黑白胶片上，即形成8灰阶掩模图形。

美国加利福尼亚大学的Walter Daschner和Pin Long等人利用铬镍铁合金的蒸发和分离过程制作八阶灰度掩模。为了在灰度掩模上产生灰度图形，同传统的二元光学制作方法一样，必须使用二元振幅掩模。先蒸发铬镍铁合金，使其沉积在抗蚀剂上，然后用二元掩模曝光，产生所需的灰度，最后使用丙酮和超声波清洗来消除抗蚀剂表面的铬镍铁合金。重复三次上述蒸发和分离过程，可得到八阶灰度掩模。使用这种方法已制成菲涅耳透镜。

图片艺术中的做幻灯技术和打印机打印彩色透明片等方法制作灰度掩模，分辨率较低，其最小特征尺寸为几十微米，远远满足不了制作精细结构的二元光学器件的要求。利用铬镍铁合金的蒸发和分离过程制作灰度掩模，工艺复杂、成本高，不能被大多数人接受。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是怎样快速地制作一张高精度的带不同灰度等级的灰度掩模版，精确控制曝光量，以满足变灰度掩模法制作二元光学器件的要求，加工出多台阶和连续轮廓的高质量二元光学器件。

本发明的技术问题是通过下面的技术方案解决的。其特征在于它是将可显示灰阶图像的空间光调制器通过视频驱动器与计算机相连，由计算机控制显示驱动器向其输入并切换图像信号，再通过点光源经聚光镜、反射镜及滤光片产生平行光束垂直照射电寻址的空间光调制器，由精缩物镜将空间光调制器上显示的灰阶图像成像置于二维位移平台上之感光版上，通过移动该平台对感光版进行逐个图形曝光，或采用拼接方式对二维位移平台上的感光版进行逐个图形曝光，再经显影、定影、水洗、干燥等处理工序后，完成灰度掩模的制作。所述空间光调制器内输入由计算机内的图形生成软件根据所要制作的二元光学器件的类型和相关性能参数生成的系列图形。本发明根据上述方法设计了一二元光学器件变灰度掩模制作装置，其特征在于它包括点光源、空间光调制器、精缩物镜、感光版、二维位移平台、视频驱动器和计算机，所述感光版放置在可由计算机控制驱动的二维位移平台上，可接收点光源照射之入射平行光束的精缩物镜位于空间光调制器和由计算机控制的快门之间，快门位于感光版或精缩物镜上方，电寻址、透射式、强度调制型空间光调制器通过视频驱动器与计算机相连。

本发明具有下列技术效果：

1)采用逐个图形曝光方式，一次曝光形成灰度掩模的面积相当与逐点曝光方式的激光直写或电子束直写系统的数千倍，可大大提高灰度掩模的制作速度，并大幅度降低生产成本。

2)采用单个像素尺寸较小的空间光调制器和高精缩倍率物镜，可使灰度掩模及其制作的二元光学器件的最小特征尺寸达到微米甚至亚微米量级。

3)空间光调制器的高灰阶数和高对比度特性，有利于灰度等级的精确控制，以减小二元光学器件深度加工误差，并可生产高性能二元光学器件。

4)利用现有计算机编程技术以及空间光调制器灵活的视频控制及显示驱动系统，可制作任意类型的灰度掩模及对应的二元光学器件。

5)利用图形拼接技术，可制作大尺寸的灰度掩模及对应的二元光学器件。

6)利用灰度掩模在掩模平面不同位置处提供可变的透过率，一次光刻即在光刻胶上形成所需要的三维轮廓图形。

7)经一次干法刻蚀即将光刻胶上的初始三维轮廓图形传递至基片上，形成所需要的多台阶或连续轮廓浮雕结构的二元光学器件。

8)该方法所需的电寻址空间光调制器目前已大量商品化，其它器件购买或研制的成本均较低，可实现灰度掩模制作设备的廉价化。

附图说明：

图1为本发明装置实施例示意图。

具体实施方式：

变灰度掩模法的关键是难以快速地制作一张高精度的带不同灰度等级的灰度掩模版，以精确控制曝光量。本发明提出基于空间光调制器的灰度掩模制作方法，采用逐个图形曝光的方式，可克服激光和电子束直写灰度掩模速度慢、成本高的缺点，同时利用空间调制器的高分辨率、高灰阶数和高对比度等特性，可使灰度掩模版的最小特征尺寸达到微米甚至亚微米量级。本发明特征在于它是将空间光调制器通过视频驱动器与计算机相连，并由计算机控制和输入视频信号，点光源发出的光束经聚光透镜后成为平行光，垂直照射采用电寻址方式的透射型空间光调制器，并由空间光调制器对入射光束进行强度调制，从而产生高质量的灰阶图像，该灰阶图像经过精缩投影物镜成像在感光版上，对感光材料进行曝光。感光版放置于二维位移平台上，由计算机控制驱动、定位。曝光时每次只能对一小块面积的感光材料进行曝光，通过移动二维位移平台，并由计算机控制切换空间光调制器上的显示图像，以拼接的方式对整块感光版进行曝光，再经显影、定影后可得到一张灰阶底片，该底片就是所要得到的灰度掩模。

本发明根据上述方法设计了一种制作变灰度掩模的装置，如图1所示，其特征在于它包括光源1、空间光调制器6、精缩物镜9、感光版11、二维位移平台12、视频驱动器7和计算机8，所述感光版11放置在可由计算机8控制驱动的二维位移平台12上，可接收光源1照射之入射光束的精缩物镜9位于空间光调制器6和由计算机8控制的快门10之间，快门10可位于感光版11上方，也可设置在精缩物镜9上方，本发明实施例设于感光版11上方。空间光调制器6通过视频驱动器7与计算机8相连。如图所示，光源1所发出的光经隔热镜2、聚光镜3、反射镜4和滤光片5后形成平行光束，垂直照射在空间光调制器6上，该显示器为电寻址、透射式、强度调制型，并在空间光调制器6上得到单色灰阶显示图像。该图像经过精缩物镜9成像于感光版11上，对感光版11上相应薄层的感光胶进行曝光，定时控制单元对曝光时间进行控制。其中滤光片5型号的选择要和感光胶的光谱范围相适应。

计算机8内的图形生成软件根据所需制作的二元光学器件类型和相关参数，自动生成系列图形，并经视频驱动器7将该系列图形依次显示在空间光调制器6上。当空间光调制器6上每切换显示一幅图形时，二维位移平台12依据计算机8给出的相应指令，经过x、y向驱动单元的驱动，进行x、y两方向的平移运动，并根据x、y向测量单元得到的位移信号，形成闭环控制，使二维位移平台12在较短时间内运动到下一个合适的位置。此时计算机8启动定时控制单元，打开快门10，对一小块面积的感光胶进行曝光，同时由定时控制单元控制曝光时间。如此往复，依次将空间光调制器6上显示的系列图形记录于薄层感光胶的不同位置。根据生成系列图形、空间光调制器6本身和精缩物镜9的相关参数，可得到二维位移平台在x、y两方向每次的位移量，从而以拼接的方式对整块感光版进行曝光。曝光完成后，经显影、定影、蒸馏水洗、干燥等工序后，即可得到一张灰度掩模。

上述装置中，空间光调制器6是型号为SVGA的透射型空间光调制器，采用扭曲向列相(TN)模式的液晶材料，并由多晶硅薄膜晶体管(TFT)驱动，以获得较好的温度稳定性和快速响应特性。该空间光调制器6的分辨率高、图像清晰、对比度好，且体积小、重量轻，利于集成。该装置也可采用VGA、XGA等其它各种形式的透射型空间光调制器。

对空间光调制器6而言，除了空间分辨率、像素间距和单个像素尺寸等参数外，图像灰阶数和图像对比度亦是两个关键性的指标。所采用的SVGA空间光调制器的灰阶数可达256，其轴向对比度超过100∶1，因此利用该系统可制作16个甚至更多灰阶的灰度掩模版。

分辨力和焦深是精缩投影物镜9的主要性能指标，由瑞利公式知：

$R=k_1\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}---\left(1\right)$

$\mathrm{DOF}=k_2\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{NA}}^2}---\left(2\right)$

上两式中，R为使用分辨力，DOF为焦深，λ为光波长，NA为像方数值孔径，k₁和k₂为条件因子，为简单起见，令k₁＝k₂＝1。上述装置中，若取λ＝0.436μm，精缩投影物镜9的NA＝0.5，根据瑞利公式可得R＝0.87μm，DOF＝1.7μm。由此可知，精缩投影物镜9的像方分辨力小于1μm，是完全能够满足系统总体要求的，即可使灰度掩模及其制作的二元光学器件的最小特征尺寸达到微米量级。若采用更高数值孔径和精缩倍率的投影物镜，可使灰度掩模及其制作的二元光学器件的最小特征尺寸达到亚微米量级。为保证曝光质量，保证光学系统的倍率不变，特采用像方远心光学结构形式。成像质量包括波像差、光学调制传递函数MTF、像面弯曲、像散和畸变等在设计中均须考虑。

感光版11类型的选择主要考虑以下因素：感色范围要同光源和滤光片相适应，感光晶体颗粒要求细且均匀，感光度适中，反差系数较大，灰雾度较小，感光特性曲线直线部分长。另外，显影液和定影液配方，显影和定影时间，环境温度等因素，对能否加工出高质量的灰度掩模也有着直接的关系。

光源1采用光强稳定性较好、具有一定发光强度的点光源(比如点光源溴钨灯、球形超高压贡灯、球形超高压短弧氙灯等)，其光谱范围要同感光胶的光谱范围及窄带滤光片的通光带相适应。

本发明可利用灰度掩模在掩模平面不同位置处提供可变的透过率，一次光刻即在光刻胶上形成所需要的三维轮廓图形。光刻过程中多台阶或连续变化的浮雕结构的面形控制精度和光刻工艺参数有着直接的关系。主要的光刻工艺参数包括：前烘温度(比如60～120摄氏度)和时间(比如10～40分钟)、光照强度和曝光时间(比如20～100秒)、显影液类型和浓度(比如稀碱液)和显影时间(比如20～100秒)等参数。利用现有超大规模集成电路用的光刻胶及相应显影液，并使其工作状态处于有利于控制连续面形的线性空间，以获得较高的感光灵敏度和较大的线性动态范围。多台阶或连续轮廓浮雕结构二元光学器件在光刻胶上的面形控制实质上就是将浮雕深度与曝光量、刻蚀剂浓度、刻蚀时间等控制在一个多维的线性空间，某些工艺参数的变动可以通过适当调节另外一些工艺参数来进行补偿，以保证多台阶或连续轮廓浮雕结构二元光学器件良好的面形控制精度。

利用干法刻蚀工艺将光刻胶上的初始三维轮廓图形传递至基片上，从而形成所需要的多台阶或连续轮廓浮雕结构的二元光学器件。在干法刻蚀过程中二元光学器件的面形控制精度和干法刻蚀工艺参数有着直接的关系。可选择感应耦合等离子体刻蚀、反应离子刻蚀、离子束刻蚀等干法刻蚀方法。针对不同的基片，选择相应的反应气体类型，比如二氧化硅基片，可选择氟利昂CHF₃和氩气Ar。主要工艺参数包括：坚膜温度(比如70～180摄氏度)和时间(比如15～50分钟)、反应气体流量、反应室本底真空度(比如低于5×10^-3Pa)、反应室气体压强(比如0.1Pa～10Pa)、射频功率(比如600W以内)、刻蚀时间(比如100分钟以内)等。同样，多台阶或连续轮廓浮雕结构二元光学器件在基片上的面形控制实质上就是将浮雕深度与以上主要工艺参数控制在一个多维的线性空间，某些工艺参数的变动可以通过适当调节另外一些工艺参数来进行补偿，以保证多台阶或连续轮廓浮雕结构二元光学器件良好的面形控制精度。

本发明具体制作步骤：

1)根据需要制作的二元光学器件具体参数，由计算机8内的图形生成软件自动生成系列图形；

2)将该系列图形依次显示在电寻址、透射式、强度调制型空间光调制器6上，并在空间光调制器6上得到高质量单色灰阶显示图像；

3)二维工作平台12依据计算机8给出的相应指令，在x、y向驱动单元和x、y向测量单元的支持下，在较短时间内平移运动到合适位置；

4)计算机8启动定时控制单元，打开快门10，对感光版11上一小块面积的感光胶进行曝光，同时由定时控制单元控制曝光时间；

5)重复执行2～4步，依次将空间光调制器6上显示的系列图形记录于薄层感光胶的不同位置，以拼接的方式对整块感光版11进行曝光；

6)依据感光版11的类型，选择相应的显影液、定影液配方，同时选择相应的显影、定影时间，并考虑到环境温度的影响，对已曝光感光版11进行显影、定影等冲洗操作，并经干燥处理，得到所需要的灰度掩模；

7)选择光刻工艺参数，利用灰度掩模在掩模平面不同位置处提供可变的透过率，经一次光刻后在光刻胶上形成所需要的初始三维轮廓图形；

8)选择干法刻蚀工艺参数，经一次干法刻蚀即将光刻胶上的初始三维轮廓图形传递至基片上；

9)选择合适的去胶方法(比如丙酮、超声波清洗、等离子去胶等)，清洗掉基片上的残留物体，最终在基片上可得到多台阶或连续轮廓浮雕结构的二元光学器件。

Claims (3)

1、一种二元光学器件变灰度掩模制作方法，其特征在于它是将可显示灰阶图像的空间光调制器通过视频驱动器与计算机相连，由计算机控制显示驱动器向其输入并切换图像信号，再通过点光源经聚光镜、反射镜及滤光片产生平行光束垂直照射电寻址的空间光调制器，由精缩物镜将空间光调制器上显示的灰阶图像成像置于二维位移平台上之感光版上，通过移动该平台采用拼接方式对感光版进行逐个图形曝光，再经显影、定影、水洗、干燥等处理工序后，完成灰度掩模的制作。

2、根据权利要求1所述的二元光学器件变灰度掩模制作方法，其特征在于空间光调制器内输入由计算机内的图形生成软件根据所要制作的二元光学器件的类型和相关性能参数生成的系列图形。

3、一种二元光学器件变灰度掩模制作装置，其特征在于它包括点光源、空间光调制器、精缩物镜、感光版、二维位移平台、视频驱动器和计算机，所述感光版放置在可由计算机控制驱动的二维位移平台上，可接收点光源照射之入射平行光束的精缩物镜位于空间光调制器和由计算机控制的快门之间，快门位于感光版或精缩物镜上方，电寻址、透射式、强度调制型空间光调制器通过视频驱动器与计算机相连。