CN1731225B - 制作衍射光学器件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于制作衍射光学元件(DOE)的方法，包括：形成暴露衬底的一部分的第一掩模，在衬底上沉积第一薄膜，去除第一掩模以在衬底上形成第一光学元件，形成暴露第一光学元件的一部分的第二掩模，在衬底上沉积第二薄膜，以及去除第二掩模以形成第二光学元件。本发明还公开了一种用于制作DOE的方法，包括：对第一材料图案化以暴露衬底的一部分，在衬底上沉积第一薄膜，对第一薄膜和第一材料平坦化以形成第一光学元件，对第二材料图案化以暴露第一光学元件的一部分，在衬底上沉积第二薄膜，以及对第二薄膜和第二材料平坦化以形成第二光学元件。
Description
技术领域
本发明涉及制作光学元件的方法，更具体地说，涉及制作具有多级结构的诸如透射光栅和反射光栅等的衍射光学元件的方法。
背景技术
美国专利No.5,218,471(“Swanson等人”)描述了一种用于制作衍射光学元件(DOE)的方法。具体地说，Swanson等人描述了在施加掩模后的连续刻蚀。每层掩模的刻蚀深度是二进制加权的。利用该方法，可利用仅仅N层掩模实现2N的相位级别。
发明内容
在本发明的一个实施例中，一种用于制作衍射光学元件(DOE)的方法包括：形成暴露衬底的一部分的第一掩模，在衬底上沉积第一薄膜，去除第一掩模以在衬底上形成第一光学元件，形成暴露第一光学元件的一部分的第二掩模，在衬底上沉积第二薄膜，以及去除第二掩模以形成第二光学元件。
在本发明的另一个实施例中，一种用于制作DOE的方法包括：对第一材料图案化以暴露衬底的一部分，在衬底上沉积第一薄膜，对第一薄膜和第一材料平坦化以形成第一光学元件，对第二材料图案化以暴露第一光学元件的一部分，在衬底上沉积第二薄膜，以及对第二薄膜和第二材料平坦化以形成第二光学元件。
附图说明
图1A、1B、1C、1D、1E和1F图示了以本发明一个实施例中的制作衍射光学元件的方法形成的结构的横截面。
图1G、1H、1I和1J图示了以本发明一个实施例中的图1A-1F的后续方法形成的结构的横截面。
图2A、2B、2C、2D、2E和2F图示了以本发明一个实施例中的制作衍射光学元件的方法形成的结构的横截面。
图2G、2H、2I和2J图示了以本发明一个实施例中的图2A-2F的后续方法形成的结构的横截面。
图3A、3B、3C、3D、3E、3F和3G图示了以本发明一个实施例中的制作衍射光学元件的方法形成的结构的横截面。
图3H、3I、3J和3K图示了以本发明的一个实施例中的图3A-3E的后续方法形成的结构的横截面。
在不同的图中使用相同的标号指示类似或同样的元件。图并没有按比例绘出，而只是用于说明目的。
具体实施方式
图1A-1E图示了在本发明的一个实施例中用于制作衍射光学元件(DOE)的剥离(lift-off)方法。
在图1A中，在衬底104上形成剥离掩模102。掩模102可具有内凹外形(re-entry profile)的侧壁106。侧壁106定义了暴露衬底104的一部分的窗口108。衬底104可以是硅衬底，掩模102可以是经旋涂、曝光和显影的光刻胶。
在图1B中，在衬底104上沉积薄膜110。结果，薄膜110聚集在掩模102和衬底104的暴露部分上。薄膜110可以是通过电子束(e-beam)蒸发或溅射沉积上去的电介质(例如，Si、SiO2或TiO2)。当通过蒸发沉积薄膜时，通过在蒸发设备内使用现场(in-situ)厚度监视仪，可以高精度地控制厚度(例如，在目标厚度的10％误差内)。
在图1C中，去除掩模102以剥离掉聚集在其上的薄膜，并留下聚集在衬底104上的薄膜。余下的薄膜形成了光学元件110A。掩模102可由光刻胶剥离器化学地去除。
在图1D中，在衬底104上形成剥离掩模112。掩模112可具有内凹外形的侧壁116。侧壁116定义了暴露光学元件110A的一部分的窗口118。掩模112还覆盖了光学元件110A的侧壁115，以为形成在光学元件110A顶部的另一个光学元件提供合适的偏移量。
在衬底104上沉积薄膜120。结果，薄膜120聚集在掩模112和光学元件110A的暴露部分上。去除掩模112以剥离掉聚集在其上的薄膜，并留下聚集在光学元件110A上的薄膜。余下的薄膜120形成了光学元件120A(图1E)。
在图1E中，在衬底104上形成剥离掩模122。掩模122可具有内凹外形的侧壁126。侧壁126定义了暴露光学元件120A的一部分的窗口128。掩模122还覆盖了光学元件120A的侧壁125，以为形成在光学元件120A顶部的另一个光学元件提供合适的偏移量。
在衬底104上沉积薄膜130。结果，薄膜130聚集在掩模122和光学元件120A的暴露部分上。去除掩模122以剥离掉聚集在其上的薄膜，并留下聚集在光学元件120A上的薄膜。余下的薄膜130形成了光学元件130A(图1F)。
如上所述，可多次重复同样的过程，以创建具有期望厚度和形状的光学元件栈。
图1F图示了具有从上述过程形成的光学元件110A、120A、130A和140A的结构100。在一个实施例中，结构100是诸如透射光栅(grating)的DOE。当然如果使用反射薄膜，也可制备反射光栅。
在另一个实施例中，结构100是利用传统紫外(UV)复制工艺制作DOE的模子。
在另一个实施例中，一个或多个结构100形成了利用传统注入成模工艺制作DOE的模子142。在该实施例中，衬底104是金属衬底，光学元件110A、120A、130A和140A由金属薄膜(例如Ni)形成。
在另一个实施例中，结构100形成了利用传统分步闪光(step andflash)压印印刷法来制作DOE的压印掩模(imprint mask)。在该实施例中，衬底104是金属衬底，光学元件110A、120A、130A和140A由金属薄膜(例如Ni)形成。
在图1G-1J所示的另一个实施例中，结构100是用来制作DOE的模子的模型。在该实施例中，衬底104是金属衬底，光学元件110A、120A、130A和140A由金属薄膜(例如Cu、Au或W)形成。在图1G中，通过以金属150(例如Ni)对模型100电镀，在模型100上形成金属层150。
在图1H中，去除模型100和衬底104以形成模子150A。模子150A定义了具有DOE外形的腔152。模型100和衬底104可通过化学湿法刻蚀去除。在图1I中，在模子150A中沉积材料以形成DOE 160。在图1J中，DOE 160与模子150A分离并且准备使用。取决于其材料，DOE 160可以是透射或反射光栅。
图2A-2F图示了在本发明的一个实施例中利用二进制加权掩模制作DOE的剥离方法。
在图2A中，在衬底204上形成剥离掩模202。掩模202定义了暴露衬底204的一部分的窗口208。衬底204可以是硅衬底，掩模202可以是经旋涂、曝光和显影的光刻胶。尽管未示出，但是应当理解掩模202可以具有内凹外形的侧壁。
在衬底204上沉积薄膜210。结果，薄膜210聚集在掩模202和衬底204的暴露部分上。薄膜210可以是通过e-beam蒸发或溅射沉积的电介质(例如，Si、SiO2或TiO2)。
在图2B中，去除掩模202以剥离掉聚集在其上的薄膜，并留下聚集在衬底204上的薄膜。余下的薄膜形成光学元件210A。掩模202可由光刻胶剥离器化学地去除。
在图2C中，在衬底204上形成剥离掩模212。为了实现二进制加权方案，掩模212定义了暴露光学元件210A的一部分和衬底204的一部分的窗口218A。掩模212还定义了暴露衬底204的另一部分的窗口218B。尽管未示出，但是应当理解掩模212可以具有内凹外形的侧壁。
在衬底204上沉积薄膜220，薄膜220聚集在掩模212以及光学元件210A和衬底204的暴露部分上。为了实现二进制加权方案，薄膜220的厚度为薄膜210的一半。
在图2D中，去除掩模212以剥离掉聚集在其上的薄膜，并留下聚集在光学元件210A和衬底204上的薄膜。余下的薄膜形成了光学元件220A、220B和220C。在利用两次掩模后，形成了四级结构。
在图2E中，在衬底204上形成剥离掩模222。为了实现二进制加权方案，掩模222定义了窗口228A、228B、228C和228D。窗口228A暴露了光学元件220A的一部分。窗口228B暴露了光学元件210A的一部分。窗口228C暴露了光学元件220B的一部分。窗口228D暴露了光学元件220C的一部分和衬底204的一部分。尽管未示出，但是应当理解掩模222具有内凹外形的侧壁。
在衬底204上沉积薄膜230，薄膜230聚集在掩模222以及衬底204与光学元件210A、220A、220B和220C的暴露部分上。为了实现二进制加权方案，薄膜230的厚度为薄膜220的一半。
在图2F中，去除掩模222以剥离掉聚集在其上的薄膜，并留下聚集在衬底204以及光学元件210A、220A、220B和220C上的薄膜。余下的薄膜形成了光学元件230A、230B、230C、230D和230E。在利用三次掩模后，形成了八级结构200。在一个实施例中，结构200是诸如透射光栅的DOE。当然如果使用反射薄膜，则可形成反射光栅。
如上所述，可多次重复同样的过程，以创建具有期望厚度和形状的光学元件栈。此外，可以厚度增加的顺序，而不是以厚度减少的顺序来沉积薄膜层。通过以厚度增加的顺序沉积薄膜，可以更平整地旋涂光刻胶剥离掩模。
在另一个实施例中，结构200是利用传统UV复制工艺制作DOE的模子。
在另一个实施例中，结构200形成了利用传统注入成模工艺制作DOE的模子。在该实施例中，衬底204是金属衬底，薄膜210、220和230是金属薄膜(例如Ni)。
在另一个实施例中，结构200形成了利用传统分步剥离压印印刷法来制作DOE的压印掩模。在该实施例中，衬底104是金属衬底，薄膜210、220和230是金属薄膜(例如Ni)。
在图2G-2J所示的另一个实施例中，结构200是用来制作DOE的模子的模型。在该实施例中，衬底204是金属衬底，薄膜210、220和230是金属薄膜(例如Cu、Au或W)。在图2G中，通过以金属250(例如Ni)对模型200电镀，在模型200上形成金属层250。
在图2H中，去除模型200和衬底204以形成模子250A。模子250A定义了具有DOE外形的腔252。模型200和衬底204可通过化学湿法刻蚀去除。在图2I中，在模子250A中沉积材料以形成DOE 260。在图2J中，DOE 260与模子250A分离并且准备使用。取决于其材料，DOE 260可以是透射或反射光栅。
图3A-3G图示了在本发明的一个实施例中用于制作DOE的金属镶嵌(Damascene)类似方法。
在图3A中，在衬底304上形成氧化物层302。氧化物层302可以是通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积的SiO2，衬底304可以是硅衬底。然后，在氧化物层302上形成刻蚀掩模305。刻蚀掩模305可以是经旋涂、曝光和显影的光刻胶。刻蚀掩模305定义了暴露氧化物层302的一部分的窗口306。
在图3B中，去除氧化物层302的暴露部分。氧化物层302的暴露部分可通过干法或湿法刻蚀去除。
在图3C中，去除刻蚀掩模305。刻蚀掩模305可由光刻胶剥离器化学地去除。余下的氧化物层302定义了暴露衬底304的一部分的窗口308。
在图3D中，在衬底304上沉积薄膜310。结果，薄膜310聚集在氧化物层302和衬底304的暴露部分上。薄膜310可以是由PECVD沉积的Si。
在图3E中，氧化物层302和薄膜310被平坦化到期望厚度。氧化物302和薄膜310可通过化学机械抛光(CMP)平坦化。余下的薄膜形成了光学元件310A。
如上所述，可多次重复同样的过程，以创建具有期望厚度和形状的光学元件栈。平坦化后的表面提供了用于旋涂光刻胶刻蚀掩模以形成下一个光学元件的光滑表面。由于该过程类似于当前用来在互补金属氧化物半导体(CMOS)中形成铜导线的金属镶嵌工艺，因此可以高精度地控制光学元件的厚度(即，层到层的配准)和形状(即，特征尺寸)，例如分别为0.04微米和0.4微米。
图3F和3G图示了具有以上述工艺形成的光学元件310A、320A、330A、340A和350A的五级结构300。余下的氧化物302、312、322和332可通过干法或湿法刻蚀可选地去除。然而，在某些情况下可能希望保留余下的氧化物。在一个实施例中，结构300是诸如透射光栅的DOE。当然如果使用反射薄膜，也可形成反射光栅。
在另一个实施例中，结构300是利用传统UV复制工艺制作DOE的模子。
在另一个实施例中，结构300形成了利用传统注入成模工艺制作DOE的模子。在该实施例中，衬底304是金属衬底，光学元件310A、320A、330A、340A和350A由金属薄膜(例如Ni)形成。
在另一个实施例中，结构300形成了利用传统分步剥离印刷法制作DOE的压印掩模。在该实施例中，衬底304是金属衬底，光学元件310A、320A、330A、340A和350A由金属薄膜(例如Ni)形成。
在图3H-3K所示的另一个实施例中，结构300是用来制作DOE的模子的模型。在该实施例中，光学元件310A、320A、330A、340A和350A是薄金属膜(例如Cu、Au或W)。在图3H中，通过以金属350(例如Ni)对模型300电镀，在模型300上形成了金属层350。
在图3I中，去除模型300和衬底304以形成模子350A。模子350A定义了具有DOE外形的腔352。模型300和衬底304可通过化学湿法刻蚀去除。在图3J中，在模子350A中沉积材料以形成DOE 360。在图3K中，DOE 360与模子350A分离并且准备使用。取决于其材料，DOE 360可以是透射或反射光栅。
上述过程可以在CMOS制造和光电子器件制造中执行。CMOS制造的优点是可以以高精度大量形成DOE。光电子器件制造的优点是可以以相同衬底上的光电子器件形成DOE。
对所公开实施例的特征的各种其他的改动和组合都落在本发明的范围内。权利要求包含了大量的实施例。
Claims (12)
1.一种用于制作衍射光学元件的方法，包括：
形成暴露衬底的一部分的第一剥离掩模；
在所述衬底上沉积第一薄膜；
去除所述第一剥离掩模，以留下在所述衬底暴露部分上的第一光学元件；
形成暴露所述第一光学元件的一部分的第二剥离掩模；
在所述衬底上沉积第二薄膜；以及
去除所述第二剥离掩模，以留下在所述第一光学元件暴露部分上的第二光学元件，
其中，所述第一和所述第二光学元件包括用于制作所述衍射光学元件的模子。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二剥离掩模覆盖了所述第一光学元件的侧壁。
3.如权利要求1所述的方法，其中：
所述第一和所述第二薄膜包括金属薄膜。
4.如权利要求2所述的方法，还包括：
形成暴露所述第二光学元件的一部分的第三剥离掩模；
在所述衬底上沉积第三薄膜；以及
去除所述第三剥离掩模，以留下在所述第二光学元件暴露部分上的第三光学元件，其中，所述第三剥离掩模覆盖了所述第二光学元件的侧壁。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二薄膜的厚度与所述第一薄膜不同。
6.如权利要求5所述的方法，其中：
所述形成第二剥离掩模还暴露了所述衬底的第二部分；以及
所述去除所述第二剥离掩模还留下在所述衬底的第二部分上的第三光学元件。
7.如权利要求6所述的方法，还包括：
形成暴露所述衬底的第三部分、所述第一光学元件的第二部分、所述第二光学元件的一部分和所述第三光学元件的一部分的第三剥离掩模；
在所述衬底上沉积第三薄膜，其中，所述第三薄膜的厚度与所述第一薄膜和所述第二薄膜都不同；以及
去除所述第三剥离掩模，以留下在所述衬底上的第四光学元件、在所述第一光学元件上的第五光学元件、在所述第二光学元件上的第六光学元件以及在所述第三光学元件上的第七光学元件。
8.如权利要求7所述的方法，其中：
所述第一、第二和第三薄膜是金属薄膜。
9.如权利要求7所述的方法，其中，所述第三、第四、第五、第六和所述第七光学元件包括用于制作所述衍射光学元件的模子。
10.如权利要求7所述的方法，其中，所述衬底是金属衬底。
11.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一和所述第二薄膜是金属薄膜，并且所述衬底是金属衬底。
12.如权利要求1所述的方法，还包括：
通过紫外复制工艺或注入成模工艺用所述模子形成所述衍射光学元件。
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