灰度狭缝扫描制作多台阶光栅的工艺研究

　　1　引　言

　　传统的二元光学元件制作方法需要多次重复掩模图形的转印和刻蚀过程,制作周期长、加工成本高。另外,多次套刻带来的对准误差降低了光学元件的衍射效率,使这种技术的发展受到了一定的限制[1]。灰度掩模技术[2~6]是先在掩模板上提供不同的透过率,经过一次光刻刻蚀得到所需的光学元件。该方法制作周期短、方法简便、成本低、不存在对准误差,是一种目前正在探索的光学元件制作方法。

　　本文介绍了一种利用灰度狭缝扫描制作色分离光栅[7~9](Color separation grating)的方法。带有灰度变化的狭缝实质上就是一面积很小的灰度掩模板。为了克服在利用灰度掩模技术制作二元光学元件时对大视场成像质量要求较高的缺陷,使光束沿着垂直狭缝的方向进行矢量化扫描,从而获得具有浮雕结构的光学元件,能刻蚀大面积的二元光学元件,其制作过程如图2所示。该方法同传统的多次重复掩模图形转印法相比,可以避免多次套刻带来的对准误差,可降低光学元件对衍射效率的影响,且制作周期短、成本低。

　　编写了与DXF文件一致的接口程序,用它获得了一种矢量图形交换文件(*.LDW)。设计了色分离光栅的具体结构,计算了其衍射效率,并对实验可能带来的误差作了模拟。最后给出了实验结果。

　　2　实现灰度狭缝扫描的光学系统

　　图1是激光直写系统的结构示意图。在如图1所示的光路中增加了一个如图2(a)所示的具有灰阶变化的狭缝。激光经过准直后受狭缝调制,把经投影物镜缩小的狭缝像成像在光刻胶板上。狭缝灰度用点的疏密来表示。制作时首先在计算机图像处理软件中生成一灰度狭缝图样的位图,然后经过激光照排机转移到软片上,再然后把软片缩小到所需要的大小,最后得到如图2(a)所示的灰度狭缝。灰度狭缝把经5倍投影物镜精缩成的像成像在光刻胶板上,得到如图2(b)所示的缩小的狭缝像。控制平台沿着垂直狭缝像的方向进行连续扫描,得到如图2(c)所示的具有台阶高度变化的光栅。狭缝像的长度由光栅的周期决定。为了控制方便,设计了周期为120μm的色分离光栅,它对投影物镜的视场要求低,通过矢量化扫描的方式可以制作大面积的光学元件。由于光栅周期的可视尺寸不大,所以在制作灰度狭缝时可同时设计多个周期,这样可以提高扫描刻蚀的速度。由于光栅是三台阶结构,狭缝中的不透光部分确定了未曝光区域,台阶高度与光刻胶的厚度对应,狭缝透光部分是将光刻胶刻透,台阶高度为0,所以仅需要控制中间台阶的曝光量或显影时间。图2中,中间台阶曝光量取决于狭缝中的透光面积与不透光面积的比例。