二元光学器件变灰度掩模制作方法及装置制造方法及图纸

一种二元光学器件变灰度掩模制作方法，其特征在于它是将可显示灰阶图像的空间光调制器通过视频驱动器与计算机相连，由计算机控制和输入视频信号，再通过光束垂直照射电寻址的空间光调制器，由精缩物镜将空间光调制器上显示的灰阶图像成像置于二维位移平台上之感光版上，通过移动该平台对感光版进行逐个图形曝光，再经显影等工序后，完成灰度掩模的制作。本发明专利技术装置是将感光版置于二维位移平台上，可接收入射光束的精缩物镜位于空间光调制器和快门之间，快门位于感光版或精缩物镜上方，空间光调制器通过视频驱动器与计算机相连。本发明专利技术由于采用逐个图形进行曝光的方法使其具有内在的并行特性，可大大提高灰度掩模的制作速度和精度，降低生产成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及精密光学仪器领域，具体涉及二元光学器件的制作方法及由该方法所设计的装置。
技术介绍
二元光学是基于光波衍射理论发展起来的一个新兴光学分支，是光学与微电子技术相互渗透、交叉而形成的前沿学科。二元光学器件具有体积小、重量轻、衍射效率极高、易复制、造价低等特点，并能实现传统光学难以完成的微小、阵列、集成及任意波面变换等新功能。如二元光学器件在多通道微型传感系统中可用作望远混合光学系统、光束灵巧控制、多通道处理、探测器阵列和自适应光互连；Veldkamp将二元光学技术与SEED器件、CMOS模拟电子技术结合在一起，提出了“无长突神经细胞电子装置”单元，以模仿视网膜上无长突神经细胞的近距离探测，该集成化光电处理系统具有边缘增强、动态范围压缩和神经网络等功能。可以说，二元光学器件在诸如超精密加工、微型光机电集成系统、计算机技术及信息处理、光纤通信、生物医学及娱乐消费等众多领域中正显示出前所未有的重要作用以及广阔的应用前景；二元光学技术将对以光学元件为基础的信息捕获、抽取、传递、处理、控制、测量等产业产生深远的影响，并将引起光学元件设计和制作技术的重大变革。目前，二元光学器件的制作方法主要有由二元掩模版经多次图形转印、套刻形成台阶式浮雕表面的传统方法(简称套刻法)和无掩模直写法。传统的套刻方法，由于加工环节多、周期长、对准精度难以控制，影响了二元光学器件的制作精度和衍射效率的进一步提高。无掩模直写技术主要包括激光束直写和电子束直写，较适于制作单件多阶相位或结构简单的连续轮廓器件，其最大的问题是不能精确控制轮廓深度和刻蚀图形的轮廓变形，且所需设备比较昂贵、生产周期长、成本高。其中，分辨率较高的电子束直写法，还存在曝光时间长而增加了器件的制作费用，以及由于临近效应的影响，对复杂轮廓器件，其曝光量难以精确控制等实际问题。变灰度掩模法是目前正在积极探索的一种新的二元光学器件制作方法，其基本原理是制作一张带不同灰度等级的掩模版，以精确控制曝光量，从而产生所需的三维浮雕结构。变灰度掩模法可以用来制作任意轮廓的光学元件，单个掩模包含一组二元掩模的全部信息，不但掩模制作简单、成本低，且抗蚀剂处理与掩模制作无关。该方法经一次图形转印即在基片的抗蚀材料上形成多台阶或连续变化的浮雕轮廓，具有成本低、周期短、方法简便之优点，且无套刻对中误差问题。变灰度掩模是一种光掩模，与套刻法中的二元掩模不同之处在于变灰度掩模在掩模平面不同位置处提供可变的透过率，单一灰度掩模可以含有一组二元掩模的位相信息，在经过一次光刻过程和刻蚀后得到所需要的二元光学元件。变灰度掩模根据制作设备及原理可分为直写灰度掩模、模拟灰度掩模及其他灰度掩模。(1)直写灰度掩模是指用激光直写设备或电子束直写设备制作的灰度掩模，国外在此方面的研究工作开展的十分活跃。美国迈哈密大学的Michael R.Wang和Heng Su利用激光直写设备在高能离子束轰击敏感玻璃HEBSG(high energy bean sensitive glass)上制作灰度掩模，再使用稀释氢氟酸直接刻蚀灰度掩模平面。使用该方法研制了16个灰阶的3×3微透镜阵列，衍射效率接近达到94％(16个灰阶的理论衍射效率约为99％)。HEBSG玻璃出色的透过率特性能使其适用于可见光及某些红外波段的衍射光学元件。美国加利福尼亚大学的Walter Daschner和Pin Long等人使用电子束直写设备，在HEBSG上制作灰度掩模，然后利用传统的光学曝光工具，把灰度掩模图形复制到光刻胶上。再通过显影、化学辅助离子束刻蚀转移到基底上。并已制作出2×2球面透镜阵列，其衍射效率达94％，可以与激光直写法制作的透镜阵列相比。直写灰度掩模所需设备十分昂贵，且制作灰度掩模的速度慢、成本高。其中，激光直写法能够得到较高的衍射效率和制作精度，最小特征尺寸亦达到微米级，目前应用较多。电子束直写HEBSG，其最小特征尺寸在几十微米数量级，满足不了制作精细结构的二元光学器件的要求，且较少应用于二元光学器件的制作。(2)模拟灰度掩模它是通过改变二元掩模透过部分的数目或面积，利用不同的二元编码方案，通过投影光刻系统进行空间滤波形成准灰度掩模。有两种基本方法可以产生模拟灰度掩模一是对带有方孔的网板光掩模进行空间滤波，二是对特殊的浓淡点图进行空间滤波。德国夫琅和费硅技术研究所的K.Reimer和H.J.Quenzer等人在常规光学曝光装置中使用网板光掩模，调节网孔的大小、调制光强度的变化，产生所需模拟灰度图形，从而在光刻胶表面产生预先确定的曲面轮廓。使用该方法已经制作出棱镜、闪耀光栅、菲涅耳透镜等光学元件。美国佐治亚工业技术研究所的Donald C.O.Shea和Willie S.Rockward使用简单的成像系统，在精缩过程中对特殊的浓淡点图进行空间滤波，产生模拟灰度图形。浓淡点图含有尺寸可变的点图形，光的灰度由白色背景上的黑点阵列提供。使用这种方法研制出的闪耀光栅，衍射效率达71％。模拟灰度掩模可建立在传统光刻工艺、常规设备及材料的基础上，比较简单实用。但由于空间多路传输二元掩模中小孔的衍射引入不必要的杂散光，限制了元件精度的进一步提高，而且网板和浓淡点图的空间频率也限制了最小特征尺寸的进一步缩小。(3)其他灰度掩模美国佐治亚工业技术研究所的Thomas J.Suleski和Donald C.O.Shea利用图片艺术中的做幻灯技术制作灰度掩模，利用桌面排版系统和MATHEMATICA、FREEHAND等软件将设计的灰度连续变化或台阶式变化的掩模图形生成数据文件，然后制成幻灯片。再经过10倍精缩，并转印到黑白胶片中形成灰度掩模，最后经光刻、腐蚀，在抗蚀剂材料上形成连续变化或多台阶的浮雕轮廓。使用该方法可得到衍射效率为85％的闪耀光栅。美国麻省理工学院的V.E.Shrauger等人利用高分辨率彩色打印机在透明片上制作彩色掩模图，彩色打印机能制作黑、蓝、绿、青、红、品红、黄和白八种色彩的图案，每种颜色代表一个灰度。将彩色透明片的图形精缩转印到黑白胶片上，即形成8灰阶掩模图形。美国加利福尼亚大学的Walter Daschner和Pin Long等人利用铬镍铁合金的蒸发和分离过程制作八阶灰度掩模。为了在灰度掩模上产生灰度图形，同传统的二元光学制作方法一样，必须使用二元振幅掩模。先蒸发铬镍铁合金，使其沉积在抗蚀剂上，然后用二元掩模曝光，产生所需的灰度，最后使用丙酮和超声波清洗来消除抗蚀剂表面的铬镍铁合金。重复三次上述蒸发和分离过程，可得到八阶灰度掩模。使用这种方法已制成菲涅耳透镜。图片艺术中的做幻灯技术和打印机打印彩色透明片等方法制作灰度掩模，分辨率较低，其最小特征尺寸为几十微米，远远满足不了制作精细结构的二元光学器件的要求。利用铬镍铁合金的蒸发和分离过程制作灰度掩模，工艺复杂、成本高，不能被大多数人接受。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是怎样快速地制作一张高精度的带不同灰度等级的灰度掩模版，精确控制曝光量，以满足变灰度掩模法制作二元光学器件的要求，加工出多台阶和连续轮廓的高质量二元光学器件。本专利技术的技术问题是通过下面的技术方案解决的。其特征在于它是将可显示灰阶图像的空间光调制器通过视频驱动器与计算机相连，由计算机控制和输入视频信本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二元光学器件变灰度掩模制作方法，其特征在于它是将可显示灰阶图像的空间光调制器通过视频驱动器与计算机相连，由计算机控制和输入视频信号，再通过光束垂直照射电寻址的空间光调制器，由精缩物镜将空间光调制器上显示的灰阶图像成像置于二维位移平台上之感光版上，通过移动该平台对感光版进行逐个图形曝光，再经显影、定影、水洗、干燥等处理工序后，完成灰度掩模的制作。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：颜树华，李圣怡，戴一帆，吕海宝，杨健，陈善勇，杨智，刘宗林，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]