专利名称：采用hsq工艺制作位相型二元衍射光学元件的方法
技术领域：
本发明属于衍射光学元件技术领域，尤其涉及一种采用HSQ工艺制作位相型二元衍射光学元件的方法。
背景技术：
二元衍射光学元件最先由麻省理工学院在80年代末提出的。二元光学元件中对位相的控制是通过产生多台阶的方法来逼近理想值，其逻辑衍射效率比平面振幅型衍射光学元件高。例如位相台阶是2 π，可以按L = 2，4，8，...，2m等分的方法来划分。在现有的制作工艺中，这种二进制位相台阶很容易由微电子技术完成。用一个掩模版曝光和刻蚀能产生两个等级的台阶，使用m块掩模版重复进行套刻曝光和刻蚀，就可以得到2m个等级的台阶。由二元光学理论，通过台阶数的增加，衍射光学元件可以获得更高的衍射效率。例如当台阶数为2时，衍射效率为40%;台阶数为4时，衍射效率为85%;当台阶数为8时，衍射效率为95 %。因此，相对于普通振幅型二元衍射光学元件，位相型二元衍射光学元件有着更高的衍射效率，因而在成像和聚焦领域得到普遍采用。由于在位相型衍射光学元件的制作过程中所要进行的套刻和刻蚀工艺较为复杂， 一般采用2台阶和4台阶位相型衍射光学元件。位相型二元衍射光学元件的制作通常采用刻蚀方法，该方法存在着使用成本高，效率低的缺点。尤其对于有凸起型的位相型二元衍射光学元件，普通采用的等离子刻蚀设备刻蚀会将基片上大部分面积的衬底刻蚀掉而仅留有图形部分，这种方法不仅使用成本高昂，耗费时间长，而且得到的结果也难以保证大面积的平整性，影响产品质量，生产效率低。
发明内容
(一)要解决的技术问题针对上述采用刻蚀的方法制作位相型二元衍射光学元件存在的不足，本发明的主要目的在于提供一种制造工艺简单、制造成本低、生产效率高，并能提供更高的分辨率的采用HSQ工艺制作位相型二元衍射光学元件的方法。( 二 )技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种采用HSQ工艺制作位相型二元衍射光学元件的方法，该方法包括A、制作二元衍射光学元件掩模版；B、在基片上涂HSQ胶，用所述掩模版对基片进行光刻，并烘干，蒸金属膜；C、采用电化学腐蚀法选择性去除基片上的金属膜；D、对基片进行烘干，得到位相型二元衍射光学元件。上述方案中，步骤A中所述掩模版和步骤B中所述基片，其介质均是石英。上述方案中，步骤A中所述掩模版，其结构为二元衍射光学元件，位相型二元衍射光学元件通过在在相邻区域产生额外η的相位差，使衍射光具有相同的位相，从而相互叠加，提高衍射效率。上述方案中，所述二元衍射光学元件为光栅、波带片或光子筛。上述方案中，步骤B中所述HSQ胶胶厚H= λ/(η-1)，其中λ是光刻波长，η为石英的折射率。上述方案中，步骤B中所述金属膜为金属铬膜，其厚度范围在40至200nm。上述方案中，步骤C中所述电化学腐蚀法采用铜片来保护基片上的金属铬膜，而未与铜片接触的金属铬膜被去铬液腐蚀掉。上述方案中，步骤D中所述位相型二元衍射光学元件，其部分透光区域凸起，凸起高度H= λ/(η-1)，其中λ是光刻波长，η为石英的折射率，其他区域为平面透光部分。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果1、相对于振幅型二元衍射光学元件，位相型二元衍射光学元件具有更高的衍射效率，具有更大的应用前景。2、利用本发明，可以高效率地实现凸起台阶型位相型二元衍射光学元件的制作。3、本发明采用的HSQ胶具有很高的分辨率，采用HSQ工艺制作方法可以极大的简化工艺制程，降低制作成本，生产效率高，提高极限分辨率，从而有着更加广泛的应用前景。
图1为振幅型光子筛示意图；图2为本发明所述凸起二台阶位相型光子筛示意图；图3为本发明采用HSQ工艺制作位相型二元衍射光学元件的方法流程图；图4-1为石英基片及HSQ胶层示意图；图4-2为使用掩模版A对石英基片进行光刻示意图；图4-3为光刻后对石英基片蒸金属铬膜示意图；图4-4为用电化学腐蚀法去除HSQ上的金属铬膜示意图；图4-5为石英基片涂上ZEP正胶，再用掩模版B对其进行光刻示意图；图4-6为光刻后对暴露出来的部分去金属铬膜示意图；图4-7为去ZEP胶后得到位相型光子筛示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。如图2所示，本发明所使用的位相型二元衍射光学元件为凸起二台阶位相型光子筛，它由Α、石英基片，石英基片直径为6. 25cm,厚度3mm ；B、石英基片上镀有金属铬膜，厚度约60nm;C、金属铬膜上随机分布平面透光小孔和凸起透光小孔组成。设计参数为光子筛直径20mm，设计波长355nm，焦距0. Im,最外环孔直径2. 7 μ m。所述的随机分布的透光小孔分布在中心半径为r，宽度为w的一系列环带上，透光小孔之间不重叠，其中偶数环上的小孔是平面透光孔，满足
rn2 = 2nf λ+η2λ2 ；η = 1,2,3,...对应rn上的平面式透光小孔的直径为dn = Wn = λ f/2rn ；偶数环上的小孔是凸起透光孔，满足rm2 = (2m+l)f A+(2m+l)2A2 ；m = 1,2,3,...对应rm上的平面式透光小孔的直径为dffl = Wffl = λ f/2rffl ；其中，凸起高度H = λ/(η-1)，λ是设计波长，η为石英的折射率，r是光子筛径向半径，f是焦距，d是小孔直径。其最外环小孔直径为2. 7 μ m。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下参照附图，对本发明进一步详细说明。图3为本发明采用HSQ工艺制作位相型二元衍射光学元件的方法流程图；首先按照上述参数设计两块掩模版A和B，其中掩模版A中的透光小孔随机分布在奇数环带上，这些小孔在光刻后即为基片上的凸起小孔，掩模版B中的透光小孔随机分布在偶数环带上， 这些小孔在光刻后即为基片上的平面小孔。小孔之间不重叠。两块掩模版做好对准标记。 若间隔环带上的透光小孔都是平面小孔，则光源透过这两种间隔分布的小孔，彼此之间产生η的相位差，从而相互抵消，然而按上述设计，在奇数环透光小孔有凸起，从而额外产生
的相位差，从而使透射光产生叠加的效果，达到提高衍射效率的作用。这是位相型光子筛的设计原理。如图4-1所示，本实例的光子筛衬底为石英基片，直径为6. 25cm，厚度为3mm，在衬底上涂一层 HSQ 胶，厚度为 646nm(H = λ /(n_l) = 355nm/(l. 55-1) = 646nm)。如图4-2所示，用掩模版A对上述基片进行光刻，因为HSQ胶是负胶，光刻后图形透光小孔部分存留下来。然后将基片烘干，HSQ胶凝固成固体石英，即得到有凸起的石英基片。如图4-3所示，再将基片蒸一层金属铬膜，厚度约60nm。如图4-4所示，采用电化学腐蚀法去除凸起部分石英表面的金属铬膜。具体的方法是使用Fulton-Dolan夹具夹住衬底，Fulton-Dolan夹具上采用铜片仅与基片平面部分的金属铬膜接触，将夹具和衬底一同放入去铬液中。由于铜的金属活泼型大于铬，与铜片接触的金属铬膜受到铜片的保护而存留下来，而基片上凸起小孔部分的金属铬膜由于未接触到铜片而被腐蚀掉。这样得到的基片具有透光的凸起小孔和镀有金属铬膜的其他平面部分。如图4-5所示，将基片上再涂一层1 μ m厚的ZEP正胶，用掩模版B对其进行光刻， 光刻结果为透光部分的胶被刻掉，其他部分仍被ZEP胶覆盖。如图4-6所示，用去铬液将基片上的暴露部分的金属铬膜腐蚀掉，从而使第二次光刻后的小孔也全部透光。如图4-7所示，将基片上的^P正胶去除，即得到所需的位相型光子筛。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种采用HSQ工艺制作位相型二元衍射光学元件的方法，其特征在于，该方法包括A、制作二元衍射光学元件掩模版；B、在基片上涂HSQ胶，用所述掩模版对基片进行光刻，并烘干，蒸金属膜；C、采用电化学腐蚀法选择性去除基片上的金属膜；D、对基片进行烘干，得到位相型二元衍射光学元件。
2.根据权利要求1所述的采用HSQ工艺制作位相型二元衍射光学元件的方法，其特征在于，步骤A中所述掩模版和步骤B中所述基片，其介质均是石英。
3.根据权利要求1所述的采用HSQ工艺制作位相型二元衍射光学元件的方法，其特征在于，步骤A中所述掩模版，其结构为二元衍射光学元件，该位相型二元衍射光学元件通过在在相邻区域产生额外η的相位差，使衍射光具有相同的位相，从而相互叠加，提高衍射效率。
4.根据权利要求3所述的采用HSQ工艺制作位相型二元衍射光学元件的方法，其特征在于，所述二元衍射光学元件为光栅、波带片或光子筛。
5.根据权利要求1所述的采用HSQ工艺制作位相型二元衍射光学元件的方法，其特征在于，步骤B中所述HSQ胶胶厚H= λ/(η-1)，其中λ是光刻波长，η为石英的折射率。
6.根据权利要求1所述的采用HSQ工艺制作位相型二元衍射光学元件的方法，其特征在于，步骤B中所述金属膜为金属铬膜，其厚度范围在40至200nm。
7.根据权利要求1所述的采用HSQ工艺制作位相型二元衍射光学元件的方法，其特征在于，步骤C中所述电化学腐蚀法采用铜片来保护基片上的金属铬膜，而未与铜片接触的金属铬膜被去铬液腐蚀掉。
8.根据权利要求1所述的采用HSQ工艺制作位相型二元衍射光学元件的方法，其特征在于，步骤D中所述位相型二元衍射光学元件，其部分透光区域凸起，凸起高度H = λ / (η-1)，其中λ是光刻波长，η为石英的折射率，其他区域为平面透光部分。
全文摘要
本发明公开了一种采用HSQ工艺制作位相型二元衍射光学元件的方法，该方法包括A、制作二元衍射光学元件掩模版；B、在基片上涂HSQ胶，用所述掩模版对基片进行光刻，并烘干，蒸金属膜；C、采用电化学腐蚀法选择性去除基片上的金属膜；D、对基片进行烘干，得到位相型二元衍射光学元件。相对于传统的刻蚀法，本发明具有制造工艺简单，成本低，稳定性好，并能能达到更高的分辨率等特性，有利于本发明的广泛推广和应用。
文档编号G02B5/18GK102313917SQ20101022258
公开日2012年1月11日 申请日期2010年6月30日 优先权日2010年6月30日
发明者刘明, 朱效立, 潘一鸣, 谢常青 申请人:中国科学院微电子研究所