二元光学器件光刻掩模的设计与制作

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1、二元光学器件光刻掩模的设计与制作二元光学器件是指基于光波衍射理论，利用计算机辅助设计，并用超大规模集成电路制作工艺，在片基或传统的光学器件表面上蚀刻产生多个台阶深度的浮雕结构，形成纯相位、同轴再现、具有极高衍射效率的一类衍射光学器件。二元光学器件能实现传统光学器件许多难以达到的目的和功能。制作二元光学器件的方法很多，如灰阶掩模板法、激光热敏加工法、金刚石车削法、准分子激光加工法等。除这些方法外，采用光学逐层套刻的方法（光刻法）仍是目前最经典有效制作二元光学器件的方法。在这种方法制作二元器件中，光刻掩模是必不可少的。掩模是采用某些材料制成（通常是在光学玻璃表面镀金属膜），然后通过相

2、应工艺方法使其产生透光和不透光的图形分布。掩模的作用是在光线照射其上时使光线选择性的透射和截止，而使其相向的基片感光层选择性的曝光。套刻制作八台阶二元光学器件需要三块掩模，三块掩模图案不同，每块掩模光刻一层台阶，掩模的效果对二元器件的制作精度起着至关重要的作用，掩模是套刻曝光过程的前提和基础。1光刻掩模的设计二元光学器件掩模设计主要有三个过程，即首先确定系统所需的相位分布函数，然后根据此函数进行相位压缩和量化得到二元光学器件的相位分布图，最后将得到的数据进行转换及输出。1．1相位分布函数的确定相位分布函数的确定这一过程是通过ZEMAX光学设计软件进行的。对于所研究二元光学器件来说

3、都有两个二元面，每个二元相位面由两部分组成：基底面形和相位分布，两个二元面的基底面形都等同于一个偶次非球面，面形高度可以表示为（1）式中，r是二元光学器件半径，c是二元面基底的曲率，k是基底的圆锥系数。对于实际使用的二元光学器件来说，基底通常是平面或球面。由软件设计得二元面相位分布函数为Φ=（2）(3)式中，是按某种方式排列的关于x,y的多项式，是器件的归一化半径，是归一化后的半径。对于折衍射系统的设计来说，二元光学器件的相位分布函数是对整个系统进行不断优化后得到的结果。这里得到的相位分布函数不适合所有波段，只是针对系统的中心波长。1．2相位转化相位转化是将初始的相位分布函数转化

4、为二元光学器件的相位分布。转化过程依据标量衍射理论。通常二元光学器件引入的相位分布被压缩到［0，2m，］内。m是一整数，对于经典的二元光学器件，m=1；随着加工技术的发展，为提高衍射效率，出现了m＞1的二元光学器件。根据制作工艺的需要，这种相位分布必须经过量化，以适应多台阶二元光学器件的需要。量化有两种方法：（1）离散化表示，就是选择一个适当的分割方法将二元光学器件所在曲面网格化，用每个格点上引入的光程差来描述二元光学器件。对于采用连续的光程分布描述比较困难或在优化设计时采用离散相位分布的二元光学器件，这种方法比较适合；（2）连续函数变换法，即对未经压缩的相位分布函数作用一个变换

5、函数T（Φ），得到最终的相位分布。实际运用中，通常是将二元光学器件的相位分布压缩到［0，2m，］中，量化时采用连续函数变换法。变换的函数只和相关值有关。常用的变换函数有：(4)(5)式中int(x)取整函数，得到小于x的最大整数；q为深度比例因子，当q不等于1时，表示因加工误差或设计波长和使用波长的偏差，二元光学器件含深度误差。连续相位分布函数经2m压缩函数Tk(Φ)变化后，即成为连续型衍射光学器件；连续相位分布经N台阶量化函数变换后，成为N台阶二元光学器件，见图1。（a）初始相位（b）压缩相位（c）量化相位图1相位分布函数处理过程Fig.1dealwithprocessofph

6、asedistributionfunction1．3数据输出根据量化后的结果，求出各转折点处的半径值，即得到最后的掩模数据。图2为与掩模数据表1对应的掩模图案。表1掩模数据表（mm）Tab.1maskdatetable（mm）18.6471一次套刻掩模套刻掩模半径0.000016.561317.969719.6703二次套刻掩模00.000009.906215.568316.561317.305917.959818.647119.6703三次套刻掩模00.000009.906215.568316.561317.305917.959818.647119.670300.000009.

7、906215.568316.561317.305917.959818.647119.6703图2掩模图案Fig.2maskfigure2掩模的激光直写实验中掩模制作选用的基片材料是石英玻璃，首先在其表面镀铬膜。铬膜表面涂覆正型光致抗蚀剂，经激光辐照曝光部分的抗蚀剂发生分解反应并在显影液中被溶解去除，而未曝光部分被保留而形成抗蚀保护层，经后续的对铬膜腐蚀等处理后形成铬膜的掩模图案图3制作掩模工艺流程Fig.3processoffabricatingmask掩模制作具体工艺流程如图3