專利名稱：移動灰階掩模微納結(jié)構(gòu)成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微納浮雕結(jié)構(gòu)成形方法，特別是移動灰階掩模微納結(jié)構(gòu)成形方法背景技術(shù)微陣列光學(xué)元件由于具有重量輕、體積小、設(shè)計靈活、可陣列化等優(yōu)點，無論在軍事、科研領(lǐng)域，還是在民用領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。連續(xù)浮雕微透鏡陣列的制作方法一直是研究的熱點?，F(xiàn)有的微陣列光學(xué)元件成形方法主要有灰度掩模法、電子束、激光束直寫法、光刻熱熔法、移動掩模法等。但這些方法都存在不同程度的缺陷。
灰度掩模法主要利用二元編碼掩模，對抗蝕劑表面的光強實行調(diào)制，顯影后即可獲得一定的微浮雕結(jié)構(gòu)。該技術(shù)不僅需要加工高精度的掩模圖形(通常需要采用電子束直寫技術(shù)置備掩模)，而且曝光過程需要采用縮小投影系統(tǒng)對掩模圖形進行縮小成像，還需要采用濾波系統(tǒng)消去半色調(diào)光點圖。這就決定了該技術(shù)具有以下缺點(1)不能用于制作大面積的元件電子束直寫只能制作幾百微米見方的圖形，再加上縮小系統(tǒng)縮小成像，可制作的元件面積非常小。
(2)制作工藝復(fù)雜，成本高電子束直寫掩模以及高能束敏玻璃(HEBSG)掩模非常昂貴，隨著灰階數(shù)的增加，制作成本急劇上升，由于曝光過程既采用了投影系統(tǒng)又采用了濾波系統(tǒng)，因此操作過程非常復(fù)雜。
(3)微結(jié)構(gòu)制作的浮雕深度受到限制由于曝光系統(tǒng)采用投影系統(tǒng)，因此受到投影系統(tǒng)焦深的限制，微結(jié)構(gòu)加工深度很小。電子束和激光束直寫的工作原理相似。兩種系統(tǒng)首先將電子束或激光束聚焦，對光刻材料進行逐點曝光，由抗蝕劑上某點獲得的能量多少來最終決定該點的浮雕深淺。該方法所需設(shè)備復(fù)雜，制作效率低。對于3寸見方的二元圖形大概需要十幾個小時，制作立體型深浮雕器件時加工時間會更長。另外，激光直寫系統(tǒng)價格昂貴，整機需要近百萬美元；激光直寫分辨率和焦深決定了它不能制作單元尺寸小于10um以及浮雕深度大于5μm的連續(xù)浮雕元件。光刻熱熔法是一種比較成熟的微浮雕成形方法，這種方法首先采用二元掩模圖形在抗蝕劑表面進行靜止曝光，形成孤島狀的微浮雕結(jié)構(gòu)。然后利用高溫熔融狀態(tài)的抗蝕劑材料將受到表面張力作用收縮形成球狀的特點成形微透鏡陣列。這種方法僅適合于制作數(shù)值孔徑相對較大的凸微透鏡陣列，由于受到熱熔臨界角等因素的限制，該方法很難用于制作小數(shù)值孔徑微透鏡陣列以及凹微透鏡陣列和微棱鏡等其它微光學(xué)元件。移動掩模法是一種新的微浮雕成形方法，與其它方法相比，它具有光強調(diào)制能力強、工藝過程簡單以及掩模制備容易等優(yōu)點，但由于該方法采用單一的灰度單元圖形對曝光過程進行調(diào)制，因此該方法只能獲得具有某些特定特征的曝光量分布。因此該方法不僅對于球面、雙曲面微透鏡陣列，光學(xué)位相片，菲涅爾透鏡陣列等不具備其特征的元件，無法加工。而且受到抗蝕劑非線性的影響，移動掩模法的加工深度以及面形控制精度也嚴(yán)重受限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有微陣列光學(xué)元件成形方法的缺點，提供一種可以快速、有效的制作各種微納陣列光學(xué)元件的方法——移動灰階掩模微納結(jié)構(gòu)成形方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是移動灰階掩模微納結(jié)構(gòu)成形方法，其特點在于由以下步驟完成
(1)根據(jù)微光學(xué)元件的浮雕結(jié)構(gòu)，確定所需要的連續(xù)的曝光量分布，并對該曝光量分布進行量化；在抗蝕劑種類及其它工藝條件確定的條件下，抗蝕劑的浮雕深度與曝光量成一一對應(yīng)關(guān)系，因此首先需要將浮雕深度轉(zhuǎn)化為所需要的曝光量分布；其次將施加曝光量分布的區(qū)域進行兩維或者一維分割，每個分割區(qū)域內(nèi)的曝光量由該區(qū)域內(nèi)的總曝光量代替。連續(xù)的曝光量分布采用多臺階曝光量分布進行逼近，當(dāng)臺階數(shù)很大時，二者相差很小。
(2)在每一個量化單元內(nèi)對光刻圖形進行設(shè)計，每一個單元內(nèi)的圖形結(jié)構(gòu)以及通光面積均不相同，掩模單元通光面積與該單元區(qū)域需要施加的曝光量成比例，并采用相應(yīng)的直寫設(shè)備制作掩模；對曝光量分布進行分割量化后，根據(jù)每個分割單元內(nèi)的曝光量進行編碼。編碼后，每個分割單元內(nèi)的通光密度(通光面積/分割單元面積)與該單元內(nèi)的曝光量成正比。
(3)將曝光掩模與光致抗蝕劑層間隔幾微米平行放置，進行接近式或投影式曝光；(4)在曝光過程中移動掩模，移動方式可為二維移動也可一維移動，通過移動掩模使每個灰度單元對其覆蓋的面積及周圍面積內(nèi)的曝光量分布進行勻滑調(diào)制；移動過程相當(dāng)于將掩模圖形與單個編碼單元移動所得的曝光量分布進行卷積。由于卷積具有濾波、平滑細微結(jié)構(gòu)的作用，因此通過移動掩?？色@得非常光滑的表面光潔度。移動過程中，移動方式可以為兩維移動，也可為一維移動，其目的主要使每個編碼單元內(nèi)的通光區(qū)域能夠覆蓋整個編碼單元面積。即使編碼單元內(nèi)不同區(qū)域的能量分布盡可能的一致；每個編碼單元內(nèi)的總光能量與步驟1中該單元量化后的能量一致。
(5)對曝光后的抗蝕劑進行顯影，獲得微浮雕結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點
(1)本發(fā)明不需要采用投影系統(tǒng)和濾波系統(tǒng)，因此元件的加工工藝大大簡化；(2)本發(fā)明不受加工面積以及加工深度的限制，采用現(xiàn)有激光直寫制作掩模，可實現(xiàn)口徑幾微米到幾十厘米、矢高從幾微米到近百微米微陣列光學(xué)元件的成形；(3)該方法通過設(shè)計掩模圖形，可獲得任意曝光量分布，因此可用于制作微透鏡陣列、微棱鏡以及任意面形分布的微光學(xué)元件。同時微結(jié)構(gòu)的加工深度不再受限；(4)本發(fā)明采用移動二元掩模的方法對光強實行調(diào)制，大大降低了掩模的加工難度；(5)本發(fā)明提高了掩模對光強的調(diào)制能力。掩模的灰階分布調(diào)制了元件不同區(qū)域曝光量的分布，掩模的移動又使每個灰度單元在其覆蓋范圍內(nèi)對光強進行進一步調(diào)制；(6)該方法采用激光束直寫掩模就可獲得良好的表面光潔度，大大降低了掩模加工成本以及元件的制作范圍；(7)該方法制作的微陣列光學(xué)元件單元結(jié)構(gòu)之間無死區(qū)，填充因子可接近100％。通過設(shè)計掩模圖形和控制曝光條件可有效的減小微結(jié)構(gòu)的面形畸變。
總之，本發(fā)明根據(jù)所制作的微浮雕結(jié)構(gòu)進行編碼設(shè)計光刻掩模，利用編碼掩模對所有通光面積內(nèi)的曝光量分布進行調(diào)制，其次需要在曝光過程中移動掩模，使每個灰度單元對其覆蓋的面積及周邊面積進行局部曝光量勻滑調(diào)制，從而使元件達到理想的表面光潔度，它不需要采用投影系統(tǒng)和濾波系統(tǒng)，因此元件的加工工藝大大簡化，另外不受加工面積以及加工深度的限制，采用現(xiàn)有激光直寫制作掩模，可實現(xiàn)口徑幾微米到幾十厘米、矢高從幾微米到近百微米微陣列光學(xué)元件的成形，通過設(shè)計掩模圖形，可獲得任意曝光量分布，因此可用于制作微透鏡陣列、微棱鏡以及任意面形分布的微光學(xué)元件。由于本發(fā)明具有以上優(yōu)點，所以可用于成形各種高質(zhì)量的微陣列光學(xué)元件。


圖1為本發(fā)明實施例1制作的口徑2000微米的菲涅爾微透鏡陣列剖面圖，圖中縱坐標(biāo)表示微透鏡陣列單元的浮雕深度，每刻度單位1微米；橫坐標(biāo)表示微透鏡陣列單元的口徑，每刻度單位500微米；圖2為本發(fā)明實施例1由菲涅爾微透鏡陣列浮雕結(jié)構(gòu)確定的歸一化曝光量分布及局部放大圖，圖中橫坐標(biāo)表示微透鏡陣列單元的口徑，每刻度單位500微米；圖3為本發(fā)明實施例1菲涅爾微透鏡陣列歸一化曝光量分布經(jīng)量化后的局部圖形，圖中橫坐標(biāo)表示微透鏡陣列單元的口徑，每刻度單位500微米；圖4為本發(fā)明實施例1菲涅爾微透鏡陣列放大局部設(shè)計的掩模圖形，圖中黑色區(qū)域代表透光區(qū)域，箭頭所指方向為掩模移動方向；圖5為本發(fā)明實施例1制作的抗蝕劑浮雕輪廓，圖中縱坐標(biāo)表示微透鏡陣列單元的浮雕深度，每刻度單位1微米；橫坐標(biāo)表示微透鏡陣列單元的口徑，每刻度單位500微米；圖6為本發(fā)明實施例2制作的口徑6000微米的光學(xué)位相元件剖面圖，圖中橫坐標(biāo)表示微透鏡陣列單元的口徑，每刻度單位500微米；圖7為本發(fā)明實施例2光學(xué)位相元件剖面設(shè)計的移動灰度單元掩模圖形，圖中橫坐標(biāo)表示微透鏡陣列單元的口徑，每刻度單位500微米，圖中黑色區(qū)域代表透光區(qū)域，箭頭所指方向為移動方向；圖8為本發(fā)明實施例2制作的抗蝕劑浮雕輪廓，圖中縱坐標(biāo)表示微透鏡陣列單元的浮雕深度，每刻度單位1微米；橫坐標(biāo)表示微透鏡陣列單元的口徑，每刻度單位500微米。
具體實施例方式
實施例1制作的口徑φ＝2000μm，刻蝕深度h＝2μm的連續(xù)菲涅爾微透鏡陣列。采用正性光刻膠為光刻材料，其制作過程如下(1)根據(jù)圖1目標(biāo)菲涅爾透鏡確定所需要施加的曝光量分布圖2；在其它工藝條件固定的條件下，抗蝕劑深度與曝光量成一一對應(yīng)關(guān)系，首先根據(jù)其對應(yīng)關(guān)系將菲涅爾透鏡轉(zhuǎn)換為所需要的曝光量分布。
(2)對需要施加的曝光量分布進行量化圖3；該方法采用多臺階結(jié)構(gòu)來逼近連續(xù)結(jié)構(gòu)，因此，首先需要將曝光區(qū)域進行分割，可以按照直角坐標(biāo)分割(分割單元矩形)也可按照極坐標(biāo)分割(本例為直角坐標(biāo)矩形分割)，計算每個份個單元內(nèi)的曝光總量。
(3)根據(jù)量化的曝光量分布設(shè)計掩模圖形。掩模單元的通光密度(份個單元內(nèi)通光面積/分割單元總面積)與該單元內(nèi)的曝光總量成正比，掩模圖形如圖4，黑色區(qū)域代表透光區(qū)域，并采用直寫設(shè)備制作掩模；(4)將掩模與抗蝕劑接近式間隔2-8微米放置、曝光，并在曝光過程中相對移動掩模和抗蝕劑層，使灰度單元覆蓋面積及其周邊區(qū)域獲得盡可能平滑的曝光量分布；移動過程相當(dāng)于將掩模圖形與單個編碼單元移動所得的曝光量分布進行卷積。由于卷積具有濾波、平滑細微結(jié)構(gòu)的作用，因此通過移動掩?？色@得非常光滑的表面光潔度。移動過程中，移動方式可以為兩維移動，也可為一維移動，其目的主要使每個編碼單元內(nèi)的通光區(qū)域能夠覆蓋整個編碼單元面積。即使編碼單元內(nèi)不同區(qū)域的能量分布盡可能的一致；每個編碼單元內(nèi)的總光能量與步驟1中該單元量化后的能量一致。
(5)對曝光完成后的抗蝕劑進行顯影，清洗，烘干，完成連續(xù)表面微透鏡陣列的浮雕制作，得到口徑2000um的菲涅爾微透鏡陣列。如圖5所示。
實施例2制作一個口徑φ＝6mm的光學(xué)位相片元件。采用正性光刻膠為光刻材料，其制作步驟如下(1)根據(jù)所要刻蝕的位相片浮雕結(jié)構(gòu)計算所需的曝光量分布，并對其進行量化圖6所示；在其它工藝條件固定的條件下，抗蝕劑深度與曝光量成一一對應(yīng)關(guān)系，首先根據(jù)其對應(yīng)關(guān)系將菲涅爾透鏡轉(zhuǎn)換為所需要的曝光量分布。
(2)根據(jù)量化的曝光量分布，設(shè)計移動曝光掩模圖7，掩模的通光面積與所需的曝光量分布成比例；(3)采用上述掩模進行接近曝光，并在曝光過程中移動掩模，使每個灰度單元覆蓋面積及其周邊面積獲得盡可能平滑的曝光量分布。
移動過程相當(dāng)于將掩模圖形與單個編碼單元移動所得的曝光量分布進行卷積。由于卷積具有濾波、平滑細微結(jié)構(gòu)的作用，因此通過移動掩?？色@得非常光滑的表面光潔度。移動過程中，移動方式可以為兩維移動，也可為一維移動，其目的主要使每個編碼單元內(nèi)的通光區(qū)域能夠覆蓋整個編碼單元面積。即使編碼單元內(nèi)不同區(qū)域的能量分布盡可能的一致；每個編碼單元內(nèi)的總光能量與步驟1中該單元量化后的能量一致。
(4)對曝光完成后的抗蝕劑進行顯影即可獲得設(shè)計的浮雕元件如圖8所示。
權(quán)利要求
1.移動灰階掩模微納結(jié)構(gòu)成形方法，其特征在于主要由以下步驟完成(1)根據(jù)微光學(xué)元件的浮雕結(jié)構(gòu)，確定所需要的連續(xù)的曝光量分布，并對該曝光量分布進行量化；(2)在每一個量化單元內(nèi)對光刻圖形進行設(shè)計，每一個單元內(nèi)的圖形結(jié)構(gòu)以及通光面積均不相同，掩模單元通光面積與該單元區(qū)域需要施加的曝光量分布成比例，并采用相應(yīng)的直寫設(shè)備制作掩模；(3)將曝光掩模與光致抗蝕劑層間隔幾微米平行放置，進行接近式或投影式曝光；(4)在曝光過程中移動掩模，移動方式可為二維移動也可一維移動，通過移動掩模使每個灰度單元對其覆蓋的面積及周圍面積內(nèi)的曝光量分布進行勻滑調(diào)制；(5)對曝光后的抗蝕劑進行顯影，獲得微浮雕結(jié)構(gòu)。
全文摘要
移動灰階掩模微納結(jié)構(gòu)成形方法，根據(jù)所制作的微浮雕結(jié)構(gòu)進行編碼設(shè)計光刻掩模，利用編碼掩模對所有通光面積內(nèi)的曝光量分布進行調(diào)制，其次需要在曝光過程中移動掩模，使每個灰度單元對其覆蓋的面積及周邊面積進行局部曝光量勻滑調(diào)制，從而使元件達到理想的表面光潔度。本發(fā)明不需要采用投影系統(tǒng)和濾波系統(tǒng)，因此元件的加工工藝大大簡化，另外不受加工面積以及加工深度的限制，采用現(xiàn)有激光直寫制作掩模，可實現(xiàn)口徑幾微米到幾十厘米、矢高從幾微米到近百微米微陣列光學(xué)元件的成形，通過設(shè)計掩模圖形，可獲得任意曝光量分布，因此可用于制作微透鏡陣列、微棱鏡以及任意面形分布的微光學(xué)元件。
文檔編號G02B5/00GK1797199SQ20041009897
公開日2006年7月5日 申請日期2004年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月22日
發(fā)明者董小春, 杜春雷 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所