专利名称：一种高精度灰度掩模制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高精度灰度掩模制作方法，采用该掩模可在抗蚀剂表面一步成形任意面形的表面光滑的微浮雕结构。
背景技术：
表面光洁度高的连续浮雕微透镜阵列的制作方法一直是研究的热点。1992年出版的《物理》杂志21卷4期197页公开的旋转照相法对此进行了探讨。目前用于连续微浮雕结构成形的方法主要有“光刻热融法”、“移动掩模法”、“激光直写法”、“半色调掩模法”等。前两种方法只能制作具有某些结构特征的微浮雕元件。激光直写可用于任意面形微结构成形，但该方法属于单件加工，因此加工周期以及加工效率严重限制了该方法的应用。半色调掩模也可实现任意面形微结构成形，但半色调掩模技术需要高精度的电子束直写掩模，并且曝光过程中还需要采用投影系统、滤波系统。这不仅使微加工工艺变得非常复杂，而且还大大提高了加工成本。美国CANYON公司申请了采用光能束敏玻璃制作高精度灰度掩模方法的专利，专利号4670366。采用该高精度灰度掩模可制作出表面光洁度很好的微浮雕结构，但该光能束敏玻璃掩模的价格及其昂贵，且属于垄断经营。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的滞，提供一种高精度灰度掩模制作方法，该方法提出的掩模制作途径与现有微光刻工艺相兼容，可实现高精度灰度掩模的制作。
本发明技术解决方案是高精度灰度掩模制作方法，其特点在于通过以下步骤完成
(1)选择掩模基底材料，并在掩模基底材料表面涂敷衰减光材料；(2)采用现有加工方法，如光刻、激光直写、金刚石车削等手段，将掩模基底表面的衰减光材料加工成所设计的浮雕结构，该衰减光浮雕结构与成形微结构需要的抗蚀剂表面曝光量分布存在指数对应关系T(x)＝Q0×e-α×f(x)(1)T(x)为抗蚀剂表面曝光量分布，f(x)为衰减光材料浮雕结构，α为衰减光材料吸收系数，Q0为入射掩模的曝光量。
(3)在衰减光浮雕结构表面涂敷保护层，利用不同区域衰减光材料(厚度不同)对光的衰减能力不同，对通光量进行调制，调制式为T(x)＝Q0×e-[α×f(x)+β×(h-f(x))](2)T(x)为抗蚀剂表面曝光量分布，f(x)为衰减光材料浮雕结构，α为衰减光材料吸收系数，β为保护层材料吸收系数，Q0为入射掩模的曝光量。
(4)将掩模直接放置在光刻胶上，进行曝光，显影；此外，制作过程中也可选择制作的浮雕结构不具有衰减光作用，而利用保护层进行衰减光调制。
其中，衰减光材料为具有强吸收光能力的任意材料，如光刻胶、或黑漆等，其涂敷厚度取决于衰减光材料吸收系数，涂敷厚度需要满足h>-ln(0.1)α]]>h为涂敷厚度，α为光刻材料吸收系数所述的保护层为吸收系数很小的高分子材料，如厚层抗蚀剂AZ9260等，其涂敷厚度大于衰减光材料涂敷厚度h。
本发明与现有技术相比有以下优点(1)与传统的二元多台阶结构成形工艺相比，采用该方法制做的掩模可一步成形任意面形微浮雕结构。该方法制作微结构不需要进行对准，因此也不存在对准误差。
(2)该掩模主要利用衰减光涂敷层微结构面形(涂敷层厚度)对通过掩模的光能分布进行调制。因此元件可获得与涂敷层微结构近似相同的表面光洁度和保真度。由于采用激光直写及金刚刀车削可使掩模涂敷层获得很好的表面光洁度，因此采用这种掩模曝光之后，元件也可以获得很高的表面光洁度和保真度。
(3)采用该方法可制作陡直度很好的折叠类型(如菲涅尔透镜)元件，通过将元件进行折叠，可实现大数值孔径微光学元件的制作。
(4)该方法可实现折叠元件的制作，因此可大大降低光刻工艺中ICP或RIE干法刻蚀需要传递的深度。
图1为本发明实施例1的步骤(1)首先将掩模衰减光材料涂敷于石英等基片表面的示意图，图中1为掩模基底石英材料，2为掩模衰减光材料；图2为本发明实施例1的步骤(2)是采用激光直写机以及金刚石铣削设备对衰减光材料加工后得到的微浮雕结构示意图，图中1为掩模基底石英材料，标注2为衰减光材料；图3为本发明实施例1的步骤(3)在刻蚀后的衰减光微浮雕表面涂敷保护层后的示意图，图中1为掩模基底石英材料，2为衰减光材料，3为保护层材料；图4为本发明实施例1的步骤(4)采用该掩模实施微结构加工的原理图，图中1为掩模基底石英材料，2为衰减光材料，3为保护层材料，4为光致抗蚀剂材料，5为元件基底石英材料；图5为本发明实施例1的步骤(5)曝光、显影后得到的微浮雕结构示意图，图中5为元件基底石英材料，4为光致抗蚀材料；图6为本发明实施例2中采用激光直写机以及金刚石铣削设备对衰减光材料加工后得到的微浮雕结构示意图，图中1为掩模基底石英材料，2为衰减光材料；
图7为本发明实施例2在刻蚀后的衰减光微浮雕表面涂敷保护层示意图，图中1为掩模基底石英材料，2为衰减光材料，3为保护层材料；图8为本发明实施例2曝光、显影后得到的闪耀光栅微浮雕结构示意图，图中5为元件基底石英材料，4为光致抗蚀材料。
具体实施例方式
实施例1，是通过本发明的方法制作一个四棱锥结构，采用正性光刻胶为光刻材料，其制作过程如下(1)根据所要制作的四棱锥结构计算出在光致抗蚀剂表面需要的曝光量分布，并将曝光量分布归一化。在浅浮雕情况下，抗蚀剂表面归一化曝光量分布与微结构的归一化分布相同，当浮雕深度比较深时，按照抗蚀剂曝光、显影模型精确求解抗蚀剂表面曝光量分布。
(2)由于衰减光材料需要具有高的吸收光能力，选择黑漆作为衰减光材料，由于黑漆具有非常强的吸收光能力，因此根据(3)式可知，涂敷厚度1微米即可，并在掩模基底表面涂敷该衰减光材料，如图1所示，图1中2代表衰减光材料，1代表掩模基底。
(3)利用现有金刚刀车削、激光烧蚀等设备按照步骤1设计的曝光量分布对衰减光材料进行加工，加工后的微结构如图2所示，图2中2为黑漆衰减光材料经过金刚刀车削后得到的浮雕结构，1为掩模基底。
(4)在加工后的衰减光浮雕材料表面涂敷保护层，保护层材料选择厚层抗蚀剂AZ9260，厚度约1微米；图3为涂敷保护层后的光刻掩模，其中1为掩模基底，2为衰减光材料浮雕结构，3为保护层材料。
(5)将掩模直接放置在光致抗蚀剂表面进行接触曝光，利用衰减光材料厚度对光能分布进行调制，其原理如下由于黑漆和保护层材料对光的吸收能力不同，因此光通过该掩模后的曝光量分布可表示为T(x)＝Q0×e-[α×f(x)+β×(h-f(x))](4)整理后得到
T(x)＝Q0×e-[(α-β)×f(x)+β×h](5)T(x)为抗蚀剂表面曝光量分布，f(x)为衰减光材料浮雕结构，α为衰减光材料吸收系数，β为保护层材料吸收系数，Q0为入射掩模的曝光量。由于不同X点对应的衰减光材料浮雕结构f(x)不同，因此，光通过掩模后，不同X点对应的曝光量也不同，从而实现了对通光量的调制。图4为采用高精度灰度掩模进行光刻的示意图。图4中1为掩模基底，2为衰减光材料浮雕结构，3为保护层材料，4为元件表面的光致抗蚀剂，5为元件基底。
(6)曝光完成后的微浮雕结构如图5。图5中，4为元件表面的光致抗蚀剂，5为元件基底。
实施例2，是通过本发明的方法制作一个闪耀光栅，同样采用正性光刻胶为光刻材料，其制作过程如下(1)根据所要制作的闪耀光栅结构计算出在光致抗蚀剂表面需要的曝光量分布，并将曝光量分布归一化，在浅浮雕情况下，抗蚀剂表面归一化曝光量分布与微结构的归一化分布相同，当浮雕深度比较深时，按照抗蚀剂曝光、显影模型精确求解抗蚀剂表面曝光量分布。
(2)选择黑漆作为衰减光材料，并在掩模基底表面涂敷衰减光材料，利用现有金刚刀车削、激光烧蚀等设备按照步骤1设计的曝光量分布对衰减光材料进行加工，加工后的微结构如图6所示。图6中2为黑漆衰减光材料经过金刚刀车削后得到的浮雕结构，1为掩模基底。
(3)对加工完成后的掩模表面微结构涂敷透明保护层，如图7所示，保护层材料选择厚层抗蚀剂AZ9260，保护层厚度约1微米，其中1为掩模基底，2为衰减光材料浮雕结构，3为保护层材料。
(4)将掩模直接放置在光致抗蚀剂表面进行接触曝光，利用衰减光材料厚度对光能分布进行调制，调制原理如上述(4)式和(5)式。
(5)曝光、显影完成后的微浮雕结构如图8所示，图8中，4为元件表面的光致抗蚀剂，5为元件基底，该掩模利用不同区域掩模衰减光材料厚度不同，对光的衰减能力不同实现光能分布调制。因此可有效的提高元件表面光洁度和元件保真度。
权利要求
1.一种高精度灰度掩模制作方法，其特征在于通过以下步骤完成(1)选择掩模基底材料，并在掩模基底材料表面涂敷衰减光材料；(2)将掩模基底表面的衰减光材料加工成所要求的浮雕结构；(3)在衰减光浮雕结构表面涂敷保护层，利用不同区域衰减光材料对光的衰减能力不同，对通光量进行调制；(4)将掩模直接放置在光刻胶上，进行曝光，显影。
2.根据权利要求1所述的高精度灰度掩模制作方法，其特征在于所述的衰减光材料为具有强吸收光能力的材料，如光刻胶、或黑漆，其涂敷厚度取决于衰减光材料吸收系数，涂敷厚度需要满足h>-ln(0.1)α]]>h为涂敷厚度，α为光刻材料吸收系数。
3.根据权利要求1所述的高精度灰度掩模制作方法，其特征在于所述的保护层为吸收系数很小的高分子材料，其涂敷厚度大于衰减光材料涂敷厚度h。
4.根据权利要求1所述的高精度灰度掩模制作方法，其特征在于还可以在步骤(1)中不加衰减光材料，直接利用步骤(3)中的保护层进行衰减光调制。
5.根据权利要求1所述的高精度灰度掩模制作方法，其特征在于所述的利用不同区域衰减光材料对光的衰减能力不同，对通光量进行调制过程为T(x)＝Q0×e-[α×f(x)+β×(h-f(x))]T(x)为抗蚀剂表面曝光量分布，f(x)为衰减光材料浮雕结构，α为衰减光材料吸收系数，β为保护层材料吸收系数，Q0为入射掩模的曝光量。
全文摘要
一种高精度灰度掩模制作方法，首先选择掩模基底材料，并在掩模基底材料表面涂敷衰减光材料，再将掩模基底表面的衰减光材料加工成所要求的浮雕结构，然后在衰减光浮雕结构表面涂敷一定的保护层，利用不同区域衰减光材料对光的衰减能力不同，对通光量进行调制，最后将掩模直接放置在光刻胶上，进行曝光，显影。本发明与采用传统半色调掩模制作的微浮雕结构相比，制作的微浮雕结构表面光洁度以及陡直度都有很大程度的提高，采用本发明的掩模可实现折叠元件、折衍混合元件、二元元件等元件的高精度一步成形，与现有二元套刻工艺相比，不仅元件质量大幅度提高，同时加工成本也有大幅下降，并且适合于元件的批量化生产。
文档编号G03F1/00GK1702547SQ20051001149
公开日2005年11月30日 申请日期2005年3月29日 优先权日2005年3月29日
发明者董小春, 杜春雷, 李淑红 申请人:中国科学院光电技术研究所