数字掩模灰度细分技术研究

　　1　引　言

　　衍射微光学元件(diffraction optical elemen,tDOE)使得光学器件微型化、阵列化和集成化成为可能。目前,国内外对DOE的制作技术研究相对滞后于设计理论,限制了DOE的发展和应用。总结起来,DOE制作技术主要有:二元光学技术、直写技术和灰度掩模技术[1]。其中,灰度掩模技术最有发展前途,其关键是制作一张高精度的灰度掩模板,以实现曝光量的精细控制。数字掩模技术是在传统的灰度掩模技术基础上发展起来的,其核心器件是空间光调制器(spatial lightmodulator, SLM)。由于SLM输出的光场信息是受计算机输出的二进制数字掩模控制的,故取名为数字掩模技术。由于在整个曝光过程中没有真实存在的灰度掩模板,所以又称为虚拟掩模技术。

　　制作衍射微光元件的感光材料大部分具有感光非线性,实际所能够利用的灰度(即线性区)等级远小于256。即使256灰度等级全部可用,也无法满足一般的制作误差要求。为了能精确地控制曝光量,必须采用一定的方法来实现灰度的细分,从而大大增加可利用等效灰度的数目。文中提出了2种解决的措施,分别是多SLM组合调制技术和彩色等效灰度技术,从理论上分析了两种方法实现灰度细分的可行性,对衍射微光学元件或高精度灰度掩模板的制作均具有重要的参考价值。

　　2　数字掩模技术原理

　　图1是数字掩模技术实现原理图[2]。图中采用的SLM为数字微镜(digital micro-mirror device,DMD),也可以替换为硅基液晶(liquid crystalon sili-con,LCOS)。DMD和LCOS均为反射式SLM,在设计系统光路时,一般要将光源经过多个反射镜的反射再以一定的入射角射到DMD芯片上,光路较复杂。而如果采用液晶( liquid crystal display,LCD)作为系统中的SLM,则光路设计要简单的多,因为LCD为透射式SLM。但由于DMD具有比LCD更高的开口率、较快的响应速度和较宽的带宽[3],在数字掩模应用领域具有更好的发展前景。

　　数字掩模技术实现原理可简述如下:计算机输出的二进制数字掩模信息控制SLM的输出,实现对曝光光源(强度均匀分布的平行光束)的调制。因此从SLM输出的光场分布就是掩模信息,这种掩模信息存在于空间且在空间自由传播,入射到高倍精缩投影系统,经过缩微后在涂有光刻胶的基板上成像。后续经过显影蚀刻即可得到所需要的衍射微光学元件。

　　3　灰度细分的必要性

　　制作DOE一般选择光刻胶来完成浮雕图形的传递,而光刻胶具有感光非线性。若选择正性光刻胶,如国产型号BP213,掩模图形灰度值越大的地方,光透过率越大,曝光深度也越大。为了使台阶具有线性等高分步,要求曝光区落在感光曲线的线性区。图2是正性光刻胶的感光曲线图。D1左侧包含非线性区和微量曝光不响应的截止区,D2右侧包含非线性区和过量曝光不响应的饱和区,D1-D2之间为线性区。