CN1797199A - 移动灰阶掩模微纳结构成形方法 - Google Patents

Abstract

移动灰阶掩模微纳结构成形方法，根据所制作的微浮雕结构进行编码设计光刻掩模，利用编码掩模对所有通光面积内的曝光量分布进行调制，其次需要在曝光过程中移动掩模，使每个灰度单元对其覆盖的面积及周边面积进行局部曝光量匀滑调制，从而使元件达到理想的表面光洁度。本发明不需要采用投影系统和滤波系统，因此元件的加工工艺大大简化，另外不受加工面积以及加工深度的限制，采用现有激光直写制作掩模，可实现口径几微米到几十厘米、矢高从几微米到近百微米微阵列光学元件的成形，通过设计掩模图形，可获得任意曝光量分布，因此可用于制作微透镜阵列、微棱镜以及任意面形分布的微光学元件。

Description

移动灰阶掩模微纳结构成形方法

所属技术领域

本发明涉及一种微纳浮雕结构成形方法，特别是移动灰阶掩模微纳结构成形方法

背景技术

微阵列光学元件由于具有重量轻、体积小、设计灵活、可阵列化等优点，无论在军事、科研领域，还是在民用领域都获得了广泛的应用。连续浮雕微透镜阵列的制作方法一直是研究的热点。现有的微阵列光学元件成形方法主要有灰度掩模法、电子束、激光束直写法、光刻热熔法、移动掩模法等。但这些方法都存在不同程度的缺陷。

灰度掩模法主要利用二元编码掩模，对抗蚀剂表面的光强实行调制，显影后即可获得一定的微浮雕结构。该技术不仅需要加工高精度的掩模图形(通常需要采用电子束直写技术置备掩模)，而且曝光过程需要采用缩小投影系统对掩模图形进行缩小成像，还需要采用滤波系统消去半色调光点图。这就决定了该技术具有以下缺点：

(1)不能用于制作大面积的元件

电子束直写只能制作几百微米见方的图形，再加上缩小系统缩小成像，可制作的元件面积非常小。

(2)制作工艺复杂，成本高

电子束直写掩模以及高能束敏玻璃(HEBSG)掩模非常昂贵，随着灰阶数的增加，制作成本急剧上升，由于曝光过程既采用了投影系统又采用了滤波系统，因此操作过程非常复杂。

(3)微结构制作的浮雕深度受到限制

由于曝光系统采用投影系统，因此受到投影系统焦深的限制，微结构加工深度很小。电子束和激光束直写的工作原理相似。两种系统首先将电子束或激光束聚焦，对光刻材料进行逐点曝光，由抗蚀剂上某点获得的能量多少来最终决定该点的浮雕深浅。该方法所需设备复杂，制作效率低。对于3寸见方的二元图形大概需要十几个小时，制作立体型深浮雕器件时加工时间会更长。另外，激光直写系统价格昂贵，整机需要近百万美元；激光直写分辨率和焦深决定了它不能制作单元尺寸小于10um以及浮雕深度大于5μm的连续浮雕元件。光刻热熔法是一种比较成熟的微浮雕成形方法，这种方法首先采用二元掩模图形在抗蚀剂表面进行静止曝光，形成孤岛状的微浮雕结构。然后利用高温熔融状态的抗蚀剂材料将受到表面张力作用收缩形成球状的特点成形微透镜阵列。这种方法仅适合于制作数值孔径相对较大的凸微透镜阵列，由于受到热熔临界角等因素的限制，该方法很难用于制作小数值孔径微透镜阵列以及凹微透镜阵列和微棱镜等其它微光学元件。移动掩模法是一种新的微浮雕成形方法，与其它方法相比，它具有光强调制能力强、工艺过程简单以及掩模制备容易等优点，但由于该方法采用单一的灰度单元图形对曝光过程进行调制，因此该方法只能获得具有某些特定特征的曝光量分布。因此该方法不仅对于球面、双曲面微透镜阵列，光学位相片，菲涅尔透镜阵列等不具备其特征的元件，无法加工。而且受到抗蚀剂非线性的影响，移动掩模法的加工深度以及面形控制精度也严重受限。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有微阵列光学元件成形方法的缺点，提供一种可以快速、有效的制作各种微纳阵列光学元件的方法——移动灰阶掩模微纳结构成形方法。

本发明的技术解决方案是：移动灰阶掩模微纳结构成形方法，其特点在于：由以下步骤完成：

(1)根据微光学元件的浮雕结构，确定所需要的连续的曝光量分布，并对该曝光量分布进行量化；在抗蚀剂种类及其它工艺条件确定的条件下，抗蚀剂的浮雕深度与曝光量成一一对应关系，因此首先需要将浮雕深度转化为所需要的曝光量分布；其次将施加曝光量分布的区域进行两维或者一维分割，每个分割区域内的曝光量由该区域内的总曝光量代替。连续的曝光量分布采用多台阶曝光量分布进行逼近，当台阶数很大时，二者相差很小。

(2)在每一个量化单元内对光刻图形进行设计，每一个单元内的图形结构以及通光面积均不相同，掩模单元通光面积与该单元区域需要施加的曝光量成比例，并采用相应的直写设备制作掩模；

对曝光量分布进行分割量化后，根据每个分割单元内的曝光量进行编码。编码后，每个分割单元内的通光密度(通光面积/分割单元面积)与该单元内的曝光量成正比。

(3)将曝光掩模与光致抗蚀剂层间隔几微米平行放置，进行接近式或投影式曝光；

(4)在曝光过程中移动掩模，移动方式可为二维移动也可一维移动，通过移动掩模使每个灰度单元对其覆盖的面积及周围面积内的曝光量分布进行匀滑调制；

移动过程相当于将掩模图形与单个编码单元移动所得的曝光量分布进行卷积。由于卷积具有滤波、平滑细微结构的作用，因此通过移动掩模可获得非常光滑的表面光洁度。移动过程中，移动方式可以为两维移动，也可为一维移动，其目的主要使每个编码单元内的通光区域能够覆盖整个编码单元面积。即：使编码单元内不同区域的能量分布尽可能的一致；每个编码单元内的总光能量与步骤1中该单元量化后的能量一致。

(5)对曝光后的抗蚀剂进行显影，获得微浮雕结构。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明不需要采用投影系统和滤波系统，因此元件的加工工艺大大简化；

(2)本发明不受加工面积以及加工深度的限制，采用现有激光直写制作掩模，可实现口径几微米到几十厘米、矢高从几微米到近百微米微阵列光学元件的成形；

(3)该方法通过设计掩模图形，可获得任意曝光量分布，因此可用于制作微透镜阵列、微棱镜以及任意面形分布的微光学元件。同时微结构的加工深度不再受限；

(4)本发明采用移动二元掩模的方法对光强实行调制，大大降低了掩模的加工难度；

(5)本发明提高了掩模对光强的调制能力。掩模的灰阶分布调制了元件不同区域曝光量的分布，掩模的移动又使每个灰度单元在其覆盖范围内对光强进行进一步调制；

(6)该方法采用激光束直写掩模就可获得良好的表面光洁度，大大降低了掩模加工成本以及元件的制作范围；

(7)该方法制作的微阵列光学元件单元结构之间无死区，填充因子可接近100％。通过设计掩模图形和控制曝光条件可有效的减小微结构的面形畸变。

总之，本发明根据所制作的微浮雕结构进行编码设计光刻掩模，利用编码掩模对所有通光面积内的曝光量分布进行调制，其次需要在曝光过程中移动掩模，使每个灰度单元对其覆盖的面积及周边面积进行局部曝光量匀滑调制，从而使元件达到理想的表面光洁度，它不需要采用投影系统和滤波系统，因此元件的加工工艺大大简化，另外不受加工面积以及加工深度的限制，采用现有激光直写制作掩模，可实现口径几微米到几十厘米、矢高从几微米到近百微米微阵列光学元件的成形，通过设计掩模图形，可获得任意曝光量分布，因此可用于制作微透镜阵列、微棱镜以及任意面形分布的微光学元件。由于本发明具有以上优点，所以可用于成形各种高质量的微阵列光学元件。

附图说明

图1为本发明实施例1制作的口径2000微米的菲涅尔微透镜阵列剖面图，图中纵坐标表示微透镜阵列单元的浮雕深度，每刻度单位：1微米；横坐标表示微透镜阵列单元的口径，每刻度单位：500微米；

图2为本发明实施例1由菲涅尔微透镜阵列浮雕结构确定的归一化曝光量分布及局部放大图，图中横坐标表示微透镜阵列单元的口径，每刻度单位：500微米；

图3为本发明实施例1菲涅尔微透镜阵列归一化曝光量分布经量化后的局部图形，图中横坐标表示微透镜阵列单元的口径，每刻度单位：500微米；

图4为本发明实施例1菲涅尔微透镜阵列放大局部设计的掩模图形，图中黑色区域代表透光区域，箭头所指方向为掩模移动方向；

图5为本发明实施例1制作的抗蚀剂浮雕轮廓，图中纵坐标表示微透镜阵列单元的浮雕深度，每刻度单位：1微米；横坐标表示微透镜阵列单元的口径，每刻度单位：500微米；

图6为本发明实施例2制作的口径6000微米的光学位相元件剖面图，图中横坐标表示微透镜阵列单元的口径，每刻度单位：500微米；

图7为本发明实施例2光学位相元件剖面设计的移动灰度单元掩模图形，图中横坐标表示微透镜阵列单元的口径，每刻度单位：500微米，图中黑色区域代表透光区域，箭头所指方向为移动方向；

图8为本发明实施例2制作的抗蚀剂浮雕轮廓，图中纵坐标表示微透镜阵列单元的浮雕深度，每刻度单位：1微米；横坐标表示微透镜阵列单元的口径，每刻度单位：500微米。

具体实施方式

实施例1

制作的口径φ＝2000μm，刻蚀深度h＝2μm的连续菲涅尔微透镜阵列。采用正性光刻胶为光刻材料，其制作过程如下：

(1)根据图1目标菲涅尔透镜确定所需要施加的曝光量分布图2；

在其它工艺条件固定的条件下，抗蚀剂深度与曝光量成一一对应关系，首先根据其对应关系将菲涅尔透镜转换为所需要的曝光量分布。

(2)对需要施加的曝光量分布进行量化图3；

该方法采用多台阶结构来逼近连续结构，因此，首先需要将曝光区域进行分割，可以按照直角坐标分割(分割单元矩形)也可按照极坐标分割(本例为直角坐标矩形分割)，计算每个份个单元内的曝光总量。

(3)根据量化的曝光量分布设计掩模图形。掩模单元的通光密度(份个单元内通光面积/分割单元总面积)与该单元内的曝光总量成正比，掩模图形如图4，黑色区域代表透光区域，并采用直写设备制作掩模；

(4)将掩模与抗蚀剂接近式间隔2-8微米放置、曝光，并在曝光过程中相对移动掩模和抗蚀剂层，使灰度单元覆盖面积及其周边区域获得尽可能平滑的曝光量分布；

移动过程相当于将掩模图形与单个编码单元移动所得的曝光量分布进行卷积。由于卷积具有滤波、平滑细微结构的作用，因此通过移动掩模可获得非常光滑的表面光洁度。移动过程中，移动方式可以为两维移动，也可为一维移动，其目的主要使每个编码单元内的通光区域能够覆盖整个编码单元面积。即：使编码单元内不同区域的能量分布尽可能的一致；每个编码单元内的总光能量与步骤1中该单元量化后的能量一致。

(5)对曝光完成后的抗蚀剂进行显影，清洗，烘干，完成连续表面微透镜阵列的浮雕制作，得到口径2000um的菲涅尔微透镜阵列。如图5所示。

实施例2

制作一个口径φ＝6mm的光学位相片元件。采用正性光刻胶为光刻材料，其制作步骤如下：

(1)根据所要刻蚀的位相片浮雕结构计算所需的曝光量分布，并对其进行量化图6所示；

在其它工艺条件固定的条件下，抗蚀剂深度与曝光量成一一对应关系，首先根据其对应关系将菲涅尔透镜转换为所需要的曝光量分布。

(2)根据量化的曝光量分布，设计移动曝光掩模图7，掩模的通光面积与所需的曝光量分布成比例；

(3)采用上述掩模进行接近曝光，并在曝光过程中移动掩模，使每个灰度单元覆盖面积及其周边面积获得尽可能平滑的曝光量分布。

移动过程相当于将掩模图形与单个编码单元移动所得的曝光量分布进行卷积。由于卷积具有滤波、平滑细微结构的作用，因此通过移动掩模可获得非常光滑的表面光洁度。移动过程中，移动方式可以为两维移动，也可为一维移动，其目的主要使每个编码单元内的通光区域能够覆盖整个编码单元面积。即：使编码单元内不同区域的能量分布尽可能的一致；每个编码单元内的总光能量与步骤1中该单元量化后的能量一致。

(4)对曝光完成后的抗蚀剂进行显影即可获得设计的浮雕元件如图8所示。

Claims (1)

1、移动灰阶掩模微纳结构成形方法，其特征在于：主要由以下步骤完成：

(1)根据微光学元件的浮雕结构，确定所需要的连续的曝光量分布，并对该曝光量分布进行量化；

(2)在每一个量化单元内对光刻图形进行设计，每一个单元内的图形结构以及通光面积均不相同，掩模单元通光面积与该单元区域需要施加的曝光量分布成比例，并采用相应的直写设备制作掩模；

(3)将曝光掩模与光致抗蚀剂层间隔几微米平行放置，进行接近式或投影式曝光；

(4)在曝光过程中移动掩模，移动方式可为二维移动也可一维移动，通过移动掩模使每个灰度单元对其覆盖的面积及周围面积内的曝光量分布进行匀滑调制；

(5)对曝光后的抗蚀剂进行显影，获得微浮雕结构。

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