专利名称：基于移动编码掩模原理制备多层浮雕结构复合膜层的方法
技术领域：
本发明涉及一种非均匀厚度薄膜的制作方法，尤其涉及一种基于移动编码掩模原
理来制备微/纳尺度的多层浮雕结构复合膜层的方法。
背景技术：
微/纳元件尤其是微/纳光学元件，在科研、军事、民用等领域都具有巨大的应用 潜力，例如，应用于制作各种SPPs元器件、光学数据存储、超分辨成像、SPPs纳米光刻等方 面。包含多层浮雕结构复合膜层的微/纳元件的制备是研究的难点。现有的制作方法能够 刻蚀出单层浮雕结构的膜层或沉积多层均匀厚度的膜层，不过很难制备多层非均匀厚度的 浮雕结构复合膜层。若能够制作多层非均匀厚度的浮雕结构复合膜层，就可以制作出许多 目前难以制作的复杂结构的微/纳光学元件。 微/纳元件的制备方法主要分为两类，第一类是超精密机械加工技术，主要是利 用刀具切削材料表层使其达到所要求的形状。如金刚石车床等，适合加工单层浮雕结构，但 其缺点是只能制备一些对称回转表面；目前只能制备单层浮雕结构；能加工的材料种类局 限于一些机械性能好的材料。第二类是电子束/粒子束/激光直写技术、光刻技术、刻蚀技 术等光学加工方法。光学加工方法的优点是可以加工不规则的结构，缺点是加工工艺步骤 繁多、刻蚀引起的膜层厚度误差较大、难以制备多层非均匀厚度的微/纳结构。
例如采用二元光学技术、移动灰阶掩模光刻技术等方式均可以制作微米或亚微米 尺度的单层微/纳浮雕结构；但这些掩模光刻方法需要进行镀膜、涂胶、曝光、显影、刻蚀等 繁杂步骤，尤其是需要通过刻蚀才能将图形转移到基底上，很难精确控制较薄的膜层的刻 蚀深度。电子束直写技术、激光束直写技术、聚焦粒子束加工等直写技术可直接或间接在材 料表面刻蚀出微/纳浮雕结构。若用这些技术来制备多层多层浮雕结构复合膜层，加工成 本很高且加工效率低下；多次进行镀膜、曝光和刻蚀等工艺，尤其是在已有的浮雕结构膜层 上进行以上工艺，其下层膜层的形貌结构会严重影响后续膜层的涂胶、曝光的质量，无疑会 给后续膜层的制备带来非常大的厚度误差，多次重复刻蚀则会进一步放大这种误差。
—些微/纳元件尤其是微/纳光学元件，需要叠加多层非均匀厚度的膜层，而目前 制备多层非均匀厚度的膜层仍然是一个难题。因此，多层非均匀厚度薄膜的制作方法拥有 很大的应用价信。 综上所述，到目前为止，还没有一种工艺简单、适合在基底上直接沉积多层非均匀 厚度的浮雕结构复合膜层的加工方法。
发明内容
本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种基于移动编码掩模原理 制备多层浮雕结构复合膜层的方法， 本发明的技术解决方案基于移动编码掩模原理制备多层浮雕结构复合膜层的方 法，包括以下步骤
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(1)根据所制作的微/纳元件的各层膜层的界面函数，得到各层膜层的厚度分布 函数，即各层膜层的各个区域的厚度；所述的微/纳元件的各层膜层为具有连续浮雕结构、 或多台阶浮雕结构、或均匀厚度的膜层； (2)根据具体的各膜层的厚度分布函数，确定该膜层所用的掩模开孔的形状和几 何尺寸，沿掩模移动的方向周期性地制备此形状和几何尺寸的掩模开孔；所述的掩模开孔 为能通过沉积粒子的通孔；所述膜层在平行于掩模移动方向的直线上的各点的膜层厚度相 同； (3)将掩模与基片平行放置，使掩模可相对基片匀速平移； (4)通过掩模开孔以稳定的速率向基片定向沉积膜料，并在沉积过程中匀速平移
掩模，且掩模匀速平移的距离为掩模开孔周期的整数倍；通过掩模开孔的形状和几何尺寸
调制基片上各个区域沉积的膜厚，获得预定厚度分布的单层浮雕结构膜层； (5)重复步骤(1)-(4)，在基片上连续沉积若干层预定膜料种类和厚度分布的单
层浮雕结构膜层，就可以获得多层浮雕结构复合膜层。 所述步骤(1)中的各层膜层的厚度分布函数为该微/纳元件的各层膜层在垂直于
基底平面的方向上的厚度分布函数，数值为各层膜层的上下界面之差值若设第i层膜层
的厚度分布函数为f (x)，第i层膜层的上界面函数为Zi (x) ， (i = 1， 2， 3，…，n) (n为多层
浮雕结构的膜层数量)，基底的上界面的函数为z。(x) = O，第i层膜层的下界面就是第i-l
层膜层的上界面，则f(x) 二Zi(x)-ZH(x)，即第i层膜层的厚度分布函数f(x)的数值等于
第i层膜层的上界面函数Zi (x)减去第i-l层膜层的上界面函数Zi—i (x)。 所述步骤(2)中沿掩模移动方向周期分布的掩模开孔的形状和几何尺寸均相同，
掩模开孔的周期大于掩模移动方向上单个开孔的最大高度。 所述步骤(3)中的基片为紫外光材料、可见光材料或红外材料。 所述步骤(3)中的掩模在静止和移动时均不与基片上的浮雕结构接触，掩模与基
片的距离为500纳米到500微米。 所述步骤(3)中的掩模相对于基片的匀速移动为一维移动，沿预定的掩模移动方
向即掩模开孔排列的方向匀速移动掩模、或反方向匀速移动基片。 所述步骤(4)中定向沉积的方法为电子束蒸镀、热蒸镀、或激光沉积。 所述步骤(4)中定向沉积的膜料为银、铜、铝、铬、金、二氧化硅、硅、玻璃、砷化镓、
氮化镓或氧化铝。 所述步骤(4)中基片上各平行于Y方向的直线上沉积的膜层厚度与掩模上正对该 直线的开孔高度g(Xi)成正比，即f(x) 二kg(x)，其中k为一常数。 所述步骤(5)中各层浮雕结构膜层的厚度分布相同或成比例时，采用的掩模具有
相同的掩模开孔或掩模开孔在Y方向的高度成比例；不同膜层的厚度分布不相同且不成比
例时，则使用不同开孔的掩模。 本发明与现有技术相比的优点在于 (1)本发明是结合了移动掩模技术和定向沉积技术，在沉积膜料时匀速移动掩模 来对沉积的膜层的厚度分布进行调制，制备过程为直接在基底上沉积得到想要的浮雕结构 膜层而不需要涂胶、光刻、显影、刻蚀等繁多的步骤，从而大大减小了膜层的厚度误差、提高 了元件的制备速度；且具有直接沉积结构膜层、加工周期短、加工图形误差小等优点，有利于微/纳元件的实际推广和工程应用。
(2)本发明不需要经过涂胶、曝光、刻蚀等工艺步骤，从而避免了下层浮雕结构膜
层的不平整表面对涂胶、曝光、刻蚀等后续工艺步骤的不利影响，减少了后续浮雕结构膜层
的厚度和厚度分布方面的误差，这降低了制备多层浮雕结构复合膜层的难度。
(3)本发明沉积的方法为热蒸镀、电子束蒸镀或激光沉积，可以较方便地沉积多种
金属、非金属材料。
图1是本发明中所要制备的多层浮雕结构复合膜层及其中一层膜层的截面图；
图2是本发明中由任意一层膜层的上下界面函数推导出该膜层的厚度分布和对 应掩模的开孔轮廓，其中图上部分为该膜层XZ平面的截面图，图中间部分为该膜层在XZ平 面的厚度分布，图下部分为沉积该膜层所用的掩模在XY平面上的开孔轮廓；
图3是本发明中根据掩模开孔函数制作的周期掩模，其中白色区域表示掩模开 孔，黑色区域表示掩模基片，图中箭头所指方向为掩模移动方向； 图4是本发明中掩模移动系统的示意图，掩模置于平行于基底的掩模移动平台 上，可相对基底平行移动； 图5本发明中掩模移动沉积示意图及其制备的一层非均匀厚度的浮雕结构膜层， 图中白色箭头所指方向为掩模移动方向，黑色箭头为蒸发粒子束沉积方向；
图6本发明中制作的多层浮雕结构复合膜层的结构示意图； 图中1为欲制备的多层非均匀厚度膜层；2为一非均匀厚度膜层；3为表面抛光 的基底；4为移动掩模；5为掩模开孔；6为沉积粒子束；7为沉积的单层浮雕结构膜层；8为 沉积的多层浮雕结构复合膜层。
具体实施例方式
在详细阐述本发明之前，先对本发明中掩模开孔与沉积膜层的厚度分布之间的关 系进行说明。 掩模开孔的高度指开孔在移动方向即Y方向的高度g(Xi);基片上的各点只有处 于掩模开孔的正下方时才能沉积粒子，因此基片上各点的有效沉积时间是该点暴露于掩模 开孔的时间(以下简称暴露时间)；当掩模沿Y方向匀速移动开孔周期(lp)的整数倍(N lp)距离时，基片平面上任意一条平行于Y方向的直线(如x = Xi)上的各点相对掩模移动 的路程为N个周期即N lp，其中暴露于掩模开孔的路程均为N个对应的开孔高度即Ng(Xi)， 该直线上各点暴露时间均为暴露于开孔的路程除以掩模移动速率即Ng(Xi)/v，该直线上各 点沉积的膜厚为暴露时间乘以膜料沉积速率，即为Ng(Xi)u/v。因此，基片上各条平行于Y 方向的直线上沉积的膜厚与掩模上正对该直线的开孔高度g(Xi)成正比。
掩模以速度v沿Y方向相对基片匀速平移，经时间t后移动的距离为N个周期lp， 在这段时间内膜料的沉积速率恒定，则基片上任意一平行于Y方向的一维区域上任意一点 沉积的膜料厚度f(x)为 /(x) = |udt= A^^=A^，^=A^(，*=A^ f XW=A^x-
利用以上公式，还可以由膜层厚度分布函数f(x) 二Ng(x)u/v反推出掩模开孔函 数g (X): g (x) = vf (x) / (Nu) 若N、u、 v均已知，设v/(Nu) 二k(为常数)，则掩模开孔函数g(x)与膜层厚度分 布函数f(x)的关系可以简化为
g(x) = kf (x) 其中g(x):掩模开孔函数；f (X):膜层厚度函数；V :掩模移动速度；11 :膜料沉积
速度；N:沉积时移动的周期数(正整数)；lp:移动方向的周期长度；t:移动时间。 下面结合附图及具体实施方式
详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发
明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对本领域的技术
人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。 实施例1，制作一个微米级尺寸的超级透镜，其宽度8微米、长度200微米，由第1、 3层银和第2层二氧化硅浮雕结构膜层组成，其制作过程如下 (1)如图1所示，根据要制备的超级透镜的结构确定其每一膜层的界面函数；设第 i层膜层的上界面函数为Zi (x) ， (i = 1 ， 2， 3， 4)，基底上界面的函数为z。 (x) = 0 ;第i层膜 层的下界面就是第i-1层膜层的上界面，因此第i层膜层的下界面函数与第i-1层膜层的 上界面函数z卜Jx)是相等的； 则第i层膜层的厚度分布函数fi(X)为第i层膜层的上界面函数Zi(X)减去第 i-l层膜层的上界面函数ZH(X)，即fi(x) = Zi(X)_Zi—Jx); 若Zl(x) = 0. 01 (4+x) (4-x) ， (_4《x《4， x与Zl(x)的单位均为微米)，z2(x) =0. 01 (5+x) (5-x) ， (-4《x《4， x与z2 (x)的单位均为微米)，z3 (x) = 0. 01 (6+x) (6_x)， (-4《x《4， x与z3(x)的单位均为微米)； 则第 一 层膜的厚度分布函数^ (x) = Zl (x) -z。 (x) = 0. 01 (4+x) (4_x) _0 = 0. 01 (4+x) (4-x) (-4《x《4， x与Zl (x)的单位均为微米)。 (2)如图2所示，根据任意膜层的界面函数计算得到该膜层的厚度分布函数f (x) 和用于制备该膜层的移动掩模的开孔函数g(x)，其中厚度分布函数f (x)为该膜层上下界 面之差值在基底平面上的分布函数，掩模开孔函数通过公式g(x) =vf(x)/(Nu)计算得到， 从而确定了该掩模开孔的形状和几何尺寸；其中v = 0. 1微米/秒，N = 5，u = 0. 001微米/ 秒，可得gjx) =20f(x) =0.2 (4+x) (4-x)，其中该掩模开孔的最大高度g^(x) = glmax(0) =3. 2微米。 (3)如图3所示，在掩模上沿掩模移动方向即Y方向周期性地制备步骤2所设计的 掩模开孔，掩模开孔的周期为6微米，掩模移动方向为箭头所指方向； (4)如图4所示，将掩模置于平行于基底的掩模移动平台上，掩模距离基底的距离 为10微米，可相对基底匀速平移； (5)用电子束蒸镀方法以恒定的速率u = 0. 001微米/秒垂直于基底定向沉积银 或二氧化硅，掩模在膜料沉积过程中沿Y方向匀速移动，移动距离为5个掩模开孔周期即30 微米；通过掩模开孔的几何尺寸来控制基片上各个区域沉积的膜厚，得到厚度分布函数为 fjx)的第一层银膜层；图5中白色箭头所指方向为掩模移动方向，黑色箭头为蒸发粒子束 得沉积方向；
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(6)重复步骤(1)_(5)，通过更换掩模和沉积原料，从基底往上交替沉积预定厚度 分布的银、二氧化硅、银浮雕结构膜层，得到需要的超级透镜。 实施例2，制作一个微米级尺寸的透镜，其宽度16微米、长度1000微米，由第1、3
层银和第2、4层三氧化二铝浮雕结构膜层组成，其制作过程如下 (1)根据要制备的超级透镜的结构确定其每一膜层的界面函数；设第i层膜层的 上界面函数为Zi(X)， (i = 1，2，3，4)，基底上界面的函数为z。(x) = 0 ;第i层膜层的下界 面就是第i-l层膜层的上界面，因此第i层膜层的下界面函数与第i-l层膜层的上界面函 数Zh(x)是相等的； 则第i层膜层的厚度分布函数fi(x)为第i层膜层的上界面函数Zi(x)减去第 i-l层膜层的上界面函数ZH(x)，即fi(x) = Zi(x)-Zi—Jx); 若Zl (x) = 0. 01 (8+x) (8-x) ， (-8《x《8， x与Zl (x)的单位均为微米)，z2 (x)= 0.01(ll+x) (ll-x)， (-8《x《8，x与Z2(x)的单位均为微米)，Z3(x) =0.01(13+x) (13_x)， (-8《x《8， x与z3(x)的单位均为微米)，f4(x) = 1. 8， (-8《x《8， x与f4(x)的单位 均为微米)； 则第 一 层膜的厚度分布函数^ (x) = Zl (x) -z。 (x) = 0. 01 (8+x) (8_x) _0 = 0. 01 (8+x) (8-x) (-8《x《8， x与Zl (x)的单位均为微米)。 (2)根据任意膜层的界面函数计算得到该膜层的厚度分布函数f (x)和用于制备 该膜层的移动掩模的开孔函数g(x)，其中厚度分布函数f (x)为该膜层上下界面之差值在 基底平面上的分布函数，掩模开孔函数通过公式g(x) =vf(x)/(Nu)计算得到，从而确定了 该掩模开孔的形状和几何尺寸，其中v = 0. 2微米/秒，N = lO，u = 0. 002微米/秒，可得 gl(x) = 20f (x) = 0. 2(8+x) (8-x)，其中该掩模开孔的最大高度glmax(x) = glmax(0) = 6. 4 微米。 (3)在掩模上沿掩模移动方向即Y方向周期性地制备步骤2所设计的掩模开孔，掩 模开孔的周期为15微米，掩模移动方向为箭头所指方向； (4)将掩模置于平行于基底的掩模移动平台上，掩模距离基底的距离为10微米， 可相对基底匀速平移； (5)用电子束蒸镀方法以恒定的速率u = 0. 001微米/秒垂直于基底定向沉积银 或二氧化硅，掩模在膜料沉积过程中沿Y方向匀速移动，移动距离为10个掩模开孔周期即 150微米；通过掩模开孔的几何尺寸来控制基片上各个区域沉积的膜厚，得到厚度分布函 数为fjx)的第一层银膜层； (6)重复步骤(1)_(5)，通过更换掩模和沉积原料，从基底往上交替沉积预定厚度 分布的银、三氧化二铝、银、三氧化二铝浮雕结构膜层，得到需要的透镜。
权利要求
基于移动编码掩模原理制备多层浮雕结构复合膜层的方法，其特征在于包括以下步骤(1)根据所制作的微/纳元件的各层膜层的界面函数，得到各层膜层的厚度分布函数，即各层膜层的各个区域的厚度；所述的微/纳元件的各层膜层为具有连续浮雕结构、或多台阶浮雕结构、或均匀厚度的膜层；(2)根据具体的各膜层的厚度分布函数，确定该膜层所用的掩模开孔的形状和几何尺寸，沿掩模移动的方向周期性地制备此形状和几何尺寸的掩模开孔；所述的掩模开孔为能通过沉积粒子的通孔；所述膜层在平行于掩模移动方向的直线上的各点的膜层厚度相同；(3)将掩模与基片平行放置，使掩模可相对基片匀速平移；(4)通过掩模开孔以稳定的速率向基片定向沉积膜料，并在沉积过程中匀速平移掩模，且掩模匀速平移的距离为掩模开孔周期的整数倍；通过掩模开孔的形状和几何尺寸调制基片上各个区域沉积的膜厚，获得预定厚度分布的单层浮雕结构膜层；(5)重复步骤(1)-(4)，在基片上连续沉积若干层预定膜料种类和厚度分布的单层浮雕结构膜层，就可以获得多层浮雕结构复合膜层。
2. 根据权利要求1所述的一种基于移动编码掩模原理制备多层浮雕结构复合膜层的 方法，其特征在于所述步骤(1)中的各层膜层的厚度分布函数为该微/纳元件的各层膜层 在垂直于基底平面的方向上的厚度分布函数，数值为各层膜层的上下界面之差值若设第 i层膜层的厚度分布函数为f(x)，第i层膜层的上界面函数为Zi(x)， i = 1，2，3，…，n， n 为多层浮雕结构的膜层数量，基底的上界面的函数为z。(x) = O，第i层膜层的下界面就是 第i-l层膜层的上界面，则f(x) 二Zi(x)-ZH(x)，即第i层膜层的厚度分布函数f(x)的数 值等于第i层膜层的上界面函数Zi (x)减去第i-l层膜层的上界面函数Zi—i (x)。
3. 根据权利要求1所述的基于移动编码掩模原理制备多层浮雕结构复合膜层的方法， 其特征在于所述步骤(2)中沿掩模移动方向周期分布的掩模开孔的形状和几何尺寸均相 同，掩模开孔的周期大于掩模移动方向上单个开孔的最大高度。
4. 根据权利要求1所述的基于移动编码掩模原理制备多层浮雕结构复合膜层的方法， 其特征在于所述步骤(3)中的基片为紫外光材料、可见光材料或红外材料。
5. 根据权利要求1所述的基于移动编码掩模原理制备多层浮雕结构复合膜层的方法， 其特征在于所述步骤(3)中的掩模在静止和移动时均不与基片上的浮雕结构接触，掩模 与基片的距离为500纳米到500微米。
6. 根据权利要求1所述的基于移动编码掩模原理制备多层浮雕结构复合膜层的方法， 其特征在于所述步骤(3)中的掩模相对于基片的匀速移动为一维移动，沿预定的掩模移 动方向即掩模开孔排列的方向匀速移动掩模、或反方向匀速移动基片。
7. 根据权利要求1所述的基于移动编码掩模原理制备多层浮雕结构复合膜层的方法， 其特征在于所述步骤(4)中定向沉积的方法为电子束蒸镀、热蒸镀、或激光沉积。
8. 根据权利要求1所述的基于移动编码掩模原理制备多层浮雕结构复合膜层的方法，其特征在于所述步骤(4)中定向沉积的膜料为银、铜、铝、铬、金、二氧化硅、硅、玻璃、砷化镓、氮化镓或氧化铝。
9. 根据权利要求1所述的基于移动编码掩模原理制备多层浮雕结构复合膜层的方法，其特征在于所述步骤(4)中基片上各平行于Y方向的直线上沉积的膜层厚度与掩模上正对该直线的开孔高度g(Xi)成正比，即f (x) = kg(x)，其中k为一常数。
10.根据权利要求1所述的基于移动编码掩模原理制备多层浮雕结构复合膜层的方 法，其特征在于所述步骤(5)中各层浮雕结构膜层的厚度分布相同或成比例时，采用的掩模具有相同的掩模开孔或掩模开孔在Y方向的高度成比例；不同膜层的厚度分布不相同且不成比例时，则使用不同开孔的掩模。
全文摘要
一种基于移动编码掩模原理制备多层浮雕结构复合膜层的方法，其特征在于由所制备膜层的厚度分布函数得到对应的掩模开孔函数，确定掩模开孔的形状和几何尺寸；沿掩模移动方向，在掩模上周期性地制备出此开孔；在膜料沉积过程中移动掩模，由掩模开孔的形状和几何尺寸控制此膜层各沉积区域的膜厚分布；重复以上步骤，通过更换掩模和膜料，可连续沉积多层不同材料和厚度分布的浮雕结构膜层。该方法结合了移动掩模技术和定向沉积技术，不需要经过曝光、刻蚀等复杂工艺步骤就可以在基底上直接沉积得到一层或多层预定厚度分布的浮雕结构膜层。
文档编号G03F7/00GK101718952SQ20091024353
公开日2010年6月2日 申请日期2009年12月25日 优先权日2009年12月25日
发明者冯沁, 刘凯鹏, 刘尧, 刘玲, 方亮, 潘丽, 王长涛, 罗先刚, 邢卉 申请人:中国科学院光电技术研究所