（光学专业论文）八阶二元光学器件的光刻技术研究.pdf

摘要 本文介绍了二元光学的发展状况以及制作二元光学器件的主要方 法，特别是对激光直写制作掩模、光刻和蚀刻成型技术进行了详细的分 析与研究。 首先针对红外折，衍混合光学系统中八台阶二元光学器件以及光刻 制作的特点，对光刻掩模进行了结构参数的优化设计，并采用激光直写 方法制作出了掩模。同时解决了相应的掩模对准问题。 详细论述了光刻工艺过程，并对抗蚀剂涂布、曝光及显影等关键技 术环节进行了研究，分析了各环节不同工艺参数对光刻图形质量的影 响，并提出了相应的控制方法。 研究了纯化学蚀刻与离子蚀刻对器件成型过程的影响，重点讨论了 反应离子束蚀刻过程中蚀刻速率、蚀刻深度和离子束流密度等工艺参数 对硅基片蚀刻效果及质量的影响。同时提出了蚀刻深度偏差的修正方 法。 本文还针对加工过程中所存在的深度误差、线宽误差和对准误差等 进行了分析，并依据研究结果对制作过程提出了改进意见。 关键词：二元光学器件光刻掩模反应离子束蚀刻衍射效率 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h e d e v e m p m e ma n df a b r i c a t i n gm e t h o do fb i n a r y o p t i c a le l e m e n t sa r ei n t r u d c e d e s p e c i a l l y , m a n u f a c t u r i n gm a s ku t i l i z i n g l a s e rd i r e c t w r i t i n g ，p h o t o l i t h o g r a p h ya n dr e a c t i v ei o ne t c h i n ga r e a n a l y s e s e da n ds t u e i e d i tm a k e st h em a s kd e s i g n 、o p t i m i z es t r u c t u r a lp a r a m e t e r 、c o m p u t er i n g r a d i u so fm a s ku t i l i z i n gz e m xt or e f r a c t i v e d i f f r a c t i v e s y s t e m 1 r i l e n m a n u f a c t u r i n ge i g h t - s t e pb i n a r yo p t i c a le l e m e n t su t i l i z i n gl a s e rd i r e c t w r i t i n gs y s t e m ，b a s e do nt h e o r y 、s t r u c t u r ea n dc o n t r o lp a r a m e t e ro fl a s e r d i r e c tw r i t i n gs y s t e m p r i m a r l ys t u d y o nt h e t e c l l l l o l o 百c a lp a r a m e t e ro fb i n a r yo p t i c a l e l e m e n t sm u l t i m a s k p h o t o l i t h o g r a p h ya n de t c h i n g t oa n a l y z et h ee f f e c to f s t e pp r e c i s i o n ，i n c l u d et h i c k n e s s 、v i s c o s i t ya n dg e l a t i n i z er o t a t er a t e ， q u a n t i z i n gt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r ； t od i s c u s sr e l a t i o n s h i pb e t w e e ns o l l r c e 、e x p o s u r et i m ea n dr e s i s t 、 e x p o s u r es t r e n g t h t oa n a l y z et h ee f f e c to fb i n a r yo p t i c a le l e m e n t s ，i n c l u d e e t c h i n gr a t e 、e t c h i n gd e p t ha n di o nb e a md e n s i 够c o n t r l i n gm e n t h o d sa r e i n t r o d u c e d t h et h e s i sa l s oi n t r o d u c es o m er e s e a r c ho nv e r t i a le r r o r sa n dl a t e r a l e r r o r si n v o l v e di nf a b r i c a t i o np r o c e s s e s b a s e do nt h e a n a l y s i s s o m e s u g g e s t i o n sa r eo f f e r e dt oi m p r o v et h ef a b r i c a t i o np r o c e d u r e k e yw o r d s ：b i n a r yo p t i c a le l e m e n t s ，p h o t o i i t h o g r a p h y ；m a s k ，r e a c t i v e i o ne t c h i n g ，d i f f r a c t i v ee f f i c e n c y 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，八阶二元光学器件的光 刻技术研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的 成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果 由本人承担。 作者签名：月卫e t 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学 位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：三兰聋址一丝孕 年月旦日 指导导师签名：萋耋壶：翌之年上月瑚 第一章绪论 1 1 论文研究背景及意义 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。 在光学系统中两个消色差波长的像点校正重合后，与参考波长的像 点仍有一定偏离，这种偏差称为二级光谱。二级光谱一直是制约其成像 质量的一个严重障碍。多年来，人们为克服这一问题作了多方面努力。 光学材料工作者制造出具有特殊色散的光学玻璃，但使用特殊光学玻璃 一般也只能在一定程度上减小二级光谱，而不能使其得到完全的校正。 光学设计工作者为了克服二级光谱的影响，采用了使光学系统复杂化的 方法，但由于能够显著降低二级光谱的系统往往过于复杂，而且体积、 重量、成本、累积误差和透过率等种种问题随之而来，以致于这种方法 难以在实践上普遍应用。近年来随着微电子制造技术的发展，二元光学 技术日趋成熟，利用二元光学器件的衍射作用而形成的特殊色散性质， 可以使用最普通的光学材料，用相当简单的结构来校正二级光谱，实现 复消色差。 此外，随着近代光学和光电子技术的迅速发展，光电子仪器及其器 件都发生了深刻而巨大的变化。传统的透镜、棱镜以及光全息器件等不 仅制造工艺显得复杂，而且器件体积及重量较大，与当前的光电子仪器 及其零部件小型化、阵列化和集成化的发展趋势相比，使它们显得极不 匹配。因此，研制小型、高效，阵列化光学器件己成为光学制造界刻不 容缓的任务。 二元光学器件与传统光学器件相比，除了体积小、重量轻等特点外， 还具有其它几大优点：( 1 ) 高衍射效率。阶数越多，衍射效率越高，当 台阶数n = 1 6 时，理论衍射效率可达9 9 左右。如台阶数更多时，其衍 射效率也会相应提高；( 2 ) 独特的色散性能。二元光学器件具有不同于 常规光学器件的色散特性，故在折射光学系统中能够同时校正球差和色 差，构成混合光学系统，以常规折射器件的曲面提供大部分的聚焦功能， 再利用表面上的浮雕二元波带结构校正像差；( 3 ) 具有更多的设计自由 度。传统的折射光学系统只能通过改变曲面的曲率或使用彳i 同的光学材 料校正像差，而在多阶光学器件中，可以通过改变槽宽、槽深和槽形结 构产生任意波面，大大增加了设计的自由度，从而设计出全新功能的光 学器件；( 4 ) 制作材料的多样性。由于二元光学器件是将浮雕表面结构 转移至玻璃、电解质或金属基底上，可用材料范围大，并可将一些原有 光学特性不理想的材料用多阶技术重新加以使用：( 5 ) 特殊的光学功能。 二元光学器件可产生一般传统光学器件不能实现的光学波面，并可集成 得到多功能器件；( 6 ) 易于复制。由于大部分二元光学器件的母板制作 成本较高，运用母板进行复制技术是降低二元光学器件成本、推广应用 的关键。“一i 。 1 2 二元光学器件的研究及发展概况 1 2 1 二元光学器件的发展历程 8 0 年代中期，m i t 林肯实验室提出“二元光学”的概念。随着微 细加工技术的发展，以及为了得到高衍射效率的二元光学器件，其浮雕 结构从两个台阶发展到多个台阶，直至近似连续分布。二元光学器件的 发展主要经历了三个历史阶段。 第一阶段，人们采用二元光学技术来改进传统的折射光学器件，以 提高它们的常规性能，并实现普通光学器件无法实现的特殊功能。这类 器件主要用于像差校正和消色差。通常是在球面折射透镜的一个面上蚀 刻衍射图案，实现折衍复合消色差和较宽波段上的消色差。此外二元 光学器件能产生任意波面以实现许多特殊功能，而具有重要的应用价 值。如材料加工和表面热处理中的光束整形器件、光聚焦校正器、光学 并行处理系统中的光互联器件以及辐射聚焦器等。 第二阶段，主要应用于微光学器件和微光学阵列。8 0 年代末，二 元光学进入微光学领域，向微型化、阵列化发展，器件大小从微米量级 至毫米量级，用二元光学方法制作的高密度微透镜阵列的衍射效率很 高，且可实现衍射受限成像。另外，当蚀刻深度超过几个波长时，微透 镜阵列表现出普通的折射器件特性，并具有独特的优点。例如，阵列结 构比较灵活，能产生各种轮廓形状的透镜表面等。这类高质量的衍射或 折射微透镜阵列，在光通信、光学信息处理、光存储和激光束扫描等许 多领域中有重要的应用。 第三阶段，是目前正在发展的二元光学器件。二元光学器件瞄准了 多层或三维集成微光学，在成像和复杂的光互连中变化和控制。多层微 光学能够将光的变换、探n - t j 处理集成在一体，构成一种多功能的集成 化光电处理器，这一进展将使一种能按照不同光强进行适应性调整、探 洲出目标的运动并自动确定目标在背景中的位置的图像传感器成为可 2 能。 纵观国内外研究，目前二元光学的研究重担集中在三个领域：超精 细衍射结构的分析理论与设计：激光束或电子束直写技术及高分辨率蚀 刻技术；二元光学器件在国防、工业及消费领域的应用。其中二元光学 的c a d 、掩模技术、蚀刻技术是核心技术。 1 2 2 二元光学器件的研究现状 目前，二元光学器件已经在设计理论、制作工艺方面取得了突破性 的进展一“。 ( 一) 在设计理论方面 二元光学器件的设计问题十分类似于光学变换系统中的二元恢复 问题：已知成像系统中入射场和输出平面上光场分布，如何计算输入平 面上二元调制器件的二元分布，使得它正确地调制入射波场，高精度地 给出预期输出图样，实现所需功能。近几年来，随着制作工艺水平的发 展和衍射器件应用领域的扩展，二元光学器件特征尺寸进一步缩小，其 设计理论已逐渐从标量衍射理论向矢量衍射理论发展。 ( 1 ) 基于标量衍射理论的设计方法 当二元光学器件的衍射特征尺寸远大于光波波长，且输出平面距离 衍射器件足够远时，可采用标量衍射理论对其衍射场进行足够精度的分 析。即只考虑电磁场一个横向分量的复振幅，而假定其它分量可用类似 方式独立地进行处理。在此范围内，将二元光学器件的设计看作是一个 优化设计问题，根据事先给定的入射光场和所期望的输出光场等己知条 件，构造设计目标函数，利用一种或多种优化算法，求解二元光学器件 的二元结构。目前，基于这一思想的优化设计方法主要有：盖师贝格一 撒克斯通算法、模拟退火算法和遗传算法等。 ( 2 ) 基于矢量衍射理论的设计方法 当二元光学器件的衍射特征尺寸和光波波长相当，甚至为亚波长量 级时，标量衍射理论的近似条件便不再成立。此时，必须采用矢量衍射 理论来分析不同电磁场分量在衍射器件中的相互耦合作用。矢量衍射理 论基于严格的电磁场理论，在适当的边界条件上、适当地使用一些数学 工具来严格地求解麦克斯韦( m a x w e l l ) 方程组。遗憾的是，对于大多 数较为复杂的实际衍射问题，很难得到封闭形式的解析解。目前，常见 的矢量衍射理论有：积分法、微分法、等效媒质理论、时域有限差分法 等。 ( 二) 制作工艺方面 最早的二元光学制作工艺是用图形发生器和v l s i 技术制作多阶二 元二元型衍射光学器件。它的基本制作工艺是超大规模集成电路中的微 电子加工技术。但是，微电子加工属薄膜图形加工，主要需控制的是二 维的薄膜图形；而二元光学器件则是一种表面三维浮雕结构，需要同时 控制平面图形的精细尺寸和纵向深度，其加工难度更大。近几年来，在 v l s i 加工技术、电子、离子蚀刻技术发展的推动下，二元光学制作工 艺方面取得的进展集中表现在：从二值化二元光学器件向多阶二元光学 器件，甚至连续分布二元光学器件发展；从掩模套刻技术向无掩模直写 技术发展。无掩模直写技术较适于制作单件的多阶二元光学器件，或简 单的连续轮廓，而利用激光直写制作掩模和套刻制作则更适合于复杂轮 廓和成批生产。 目前，制作二元光学器件的方法分两大类，即加法工艺和减法工艺。 ( 1 ) 加法工艺 加法工艺一般指薄膜沉积法 薄膜沉积法则是将掩模板图形转移到基片表面的抗蚀剂涂层上，经 曝光显影后去除被曝光部分感光抗蚀剂层，之后沉积上一层薄膜，最后 去除其余部分的感光抗蚀剂层及其上边的薄膜，得到薄膜台阶结构。由 于可以采用膜厚控制技术，每一层的沉积厚度误差要比蚀刻深度误差小 得多。薄膜沉积法并不是一种新的制作工艺，只不过是这种工艺刚刚开 始用于多阶光学器件的制作之中，其中还存在许多问题，如膜厚的均匀 性、薄膜沉积的速率、膜间干涉问题、膜层对基片的附着力以及膜层的 内应力等还有待进一步研究。图1 1 为采用薄膜沉积法制作二元光学器 件的一般过程。显然，要获得相同形状的二元光学器件，对于相同性质 的抗蚀剂，需采用互补的掩模，对于相同的掩模，则需采用性质相反的 抗蚀剂。 e 三! ! 三三三三! 鸟 = ! ! 兰= = = ! ! 兰j 高墨垒! 当 ( a ) 两个台阶 ( b ) 四个台阶 图i 1 薄膜沉积法制作二元光学器件 ( 2 ) 减法工艺 减法工艺制作二元光学器件如图1 2 所示。通过掩模板对涂有感光 层的基片曝光，把掩模图形转印到涂有感光层的基片上，显影处理后将 曝光部分感光层去除，最后通过蚀刻去除基片部分得到台阶肜二元光学 4 器件。 v _ a - - - - - ，、i 图1 2 蚀刻法制作二兀光学器件 ( a ) 两个台阶( b ) 四个台阶 ( 3 ) 二元光学器件的其它制作方法”一 1 ) 灰阶掩模板法 灰阶掩模板法是制作一种光学透射率可变的掩模，掩模的平面上不 同处存在不同的透射率分布，再利用它对抗蚀剂进行一次性曝光，从而 在抗蚀剂表面一次形成所需图形结构。如图1 3 整个工艺过程具有成本 低、周期短、方法简便的特点。但是，灰阶掩模法中一个关键的问题是 灰阶掩模板的制作，目前还存在加工精度不高的问题，有待进一步的解 决。 图1 3 灰阶掩模原理 2 ) 激光热敏加工 激光热敏加工是利用激光的热敏氧化效果在平面或曲面表面制作 台阶式浮雕轮廓，整个过程类似于激光直写。这方法的最大优点是可 以制作大面积的曲面衍射器件，扩大了衍射器件的运用范围，但仍存在 设备庞大、工艺复杂的问题。 3 ) 金刚石车削法 。金刚石车削法是利用高精度机床的机械运动车削金属、晶体等材 料，使其形成具有一定形状和精度的表面轮廓。和其它加工方法相比最 终的加工表面精度较低，因此比较适合于红外系统中的衍射器件。但是 适于红外的晶体材料都有较大的脆性，给加工带来困难。总的来说，金 刚石车削法由于精度和材料方面的限制，此技术仍需进一步的研究和提 高。 4 ) 准分子激光加工法 准分子激光器也可用于二元光学器件的制作，它通过投影系统使掩 模成像在基片上，然后直接对基片进行加工。由于它是通过控制脉冲数 目来控制激光切割的深度，因而深度误差较小。对于短脉冲远紫外激光 器而言，激光束切割的深度分辨率为o 1 弘m ，空间分辨率可达到li lm 或更小，加工速度非常快。准分子加工对掩模材料的要求与掩模面上的 光通量有密切关系，掩模的材料通常是铜、黄铜或不锈钢，当掩模面上 的光通量不超过1 0 0l m c m 2 时，铬一硅材料的掩模板也可满足要求， 一般情况下掩模的最大面积为1 c m 2 。 1 2 3 二元光学器件的发展趋势 二元光学是建立在衍射理论、计算机辅助设计和微细加工技术基础 上的光学领域的前沿科学之一，二元光学的发展不仅使光学系统的设计 和加工工艺发生深刻的变革，而且其总体发展趋势是未来微光学、微电 子学和微机械的集成技术和高性能的集成系统。今后二元光学器件的研 究将可能在以下方面得到发展。 ( 一) 具有亚波长结构的二元光学器件的研究( 包括设计理论与制 作技术) 。这类器件的特征尺寸比波长还要小，其反射率、透射率、偏 振特性和光谱特性等都显示出与常规二元光学器件截然不同的特征，因 而具有许多独特的应用潜力，如可以作为抗反射器件、偏振器件、窄带 滤波器和二元板。研究重点包括：建立正确和有效的理论模型设计超精 细结构衍射器件；特殊波面变换的算法研究；发展波前工程学，以制作 逼近临界尺寸的微小器件及开拓亚波长结构衍射器件的应用，推动微光 学的发展。 ( 二) 二元光学的c a d 软件包的开发至今尚未找到适合于不同浮 雕衍射结构的简单而有效的理论模型，二元光学器件的设计仍缺乏像普 通光学设计程序那样，可以求出任意面形、传递函数及系统像差、具有 友好界面的通用软件包。但随着通用设计工具的发展，二元光学器件有 可能成为通用的标准光学器件，而得到广泛的应用，并与常规光学结合， 6 形成一代崭新的光学系统。 图1 4 微电子学、微光学与微机械的交叉学科 ( 三) 微型光机电集成系统是二元光学研究的总趋势。微光电子学、 微光学、微电子学描述了微工程技术的三个学科相互交叉相互影响形成 的交叉学科( 如图1 4 ) 。在微光学取得令人瞩目进展的同时，另一门前 沿科学微电子机械( m e m ) 学取得了飞速的发展，这种结合三维集成 电路处理技术的微机械方法已成功地用于改善传感器和执行器的性能， 降低费用。基于这种新技术设计的微传感器和微机械执行器，至少在一 个维数上的尺寸已达到微米量级，其它维数也小于几个毫米，对军用、 工业和消费产品都有潜在的应用市场。 1 3 论文研究的目的和内容 由于二元光学技术在许多高技术领域有着非常重要和广阔的应用 前景，己成为国际上现代光学领域的研究热点之一。我国在这方面的理 论与设计研究开展于二十世纪九十年代初期，目前已有比较多的单位致 力于这一领域的研究，而有关二元光学器件制造技术的研究与先进国家 相比还存在有一定差距。随着二元光学应用和研究的深入，如何制作高 精度的二元光学器件，缓解设计和制作之间的矛盾，已成为迫切需要解 决的课题。 本论文结合“红外成像折衍混合光学系统”中所应用的八阶二元光 学器件，着重对光刻掩模设计及激光直写制作、多掩模光刻、离子蚀刻 成型等关键技术与工艺问题进行研究。 主要研究内容为： ( 一) 掩模的设计和制作。根据器件及光刻技术特点，利用z e m a x 软件对掩模进行设计。通过对极坐标激光直写系统在直写过程中的激光 功率、扫描速度等工艺参数的分析与合理控制，完成掩模的制作。并解 决掩模的套刻对准问题。 ( 二) 多掩模光刻技术研究。分析光刻原理，制定光刻工艺流程， 分析基片预处理、抗蚀剂涂布、曝光、显影等各主要环节的操作和工艺 参数对图形质量与精度的影响，并提出改善措施。 ( 三) 离子蚀刻技术研究。分析反应离子束蚀刻过程中离子束流密 度、离子入射能量、离子入射角、反应气体等影响因素，确定合理工艺 参数，并完成器件的蚀刻。 ( 四) 制作误差研究。分析器件制作工艺过程中的主要误差，并以 衍射效率作为评价的标准，讨论误差对衍射效率的影响及程度。 8 第二章光刻掩模的设计与制作 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投射和截止，而使其背面的基片 感光层选择性的曝光。掩模是下一步套刻曝光过程的前提和基础。目 前，制作二元光学器件掩模的方法主要是直写法，它包括电子束直接 写入和激光直接写入“。 电子束直写是通过控制电子束能量和运行速率，使电子束焦斑按 照所设计好的图形在光刻基片上对光致抗蚀剂进行曝光，然后对曝光 显影后的基片表面金属层作腐蚀处理，曝光部分光致抗蚀剂被显影液 除去，经腐蚀金属层被去除，而未曝光部分由于受到光致抗蚀剂的保 护使基片表面金属层不受损失，这样就形成了表面金属层图形的分布。 电子束制作精度高，适合亚微米特征尺寸的掩模刻制。但电子束直写 技术的设备复杂、昂贵，单片写入时间较长，少则十几个小时，多则 几天，因此电子束直写适合高精度单件生产。 激光直写是利用抗蚀剂的曝光显影特性，将曝光量的空间分布转 化为抗蚀剂层表面的图形分布。然后对曝光显影后的基片表面金属层 作腐蚀处理，未经曝光的表面抗蚀剂显影后被保留，在腐蚀过程中基 片表面金属层不受损失，而曝光部分光致抗蚀剂被显影液除去，经腐 蚀该表面金属层被去除，由基片表面的金属层图形分布。 激光直写技术是微光学制造中一项非常重要的技术，相对于电子 束直写设备，造价低、工作效率高，因此得到广泛发展和应用。本章 将着重介绍掩模的设计和利用激光直写技术制作八台阶二元光学器件 的掩模。 2 1 光刻掩模的设计 2 1 1 基本设计过程 二元光学器件掩模设计主要有个过程，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。 ( 一) 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z e m a x 光学设计软件进行的。 对于我们所研究二元光学器件来说，二元相位面由两部分组成，即基 9 底面形和相位分布，两者的基底面形都等同于一个偶次非球面，面形 高度表示如下式 z = 1 + 1 一( 1 + 七k 2 ，2 + 瑾l ，2 ( 2 1 ) 其中r 是半径，c 是基底的曲率，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 n = a ，e ( x ，j ，) ( 2 2 ) i f f i 0 nn 一 妒= 4 p “= 4 ，( ，) 2 i f 0i f f i 0 ( 2 3 ) 式中e ( x ，y ) 是按某种方式排列的关于x 、y 的多项式，r 是二元光学器 件的半径，是器件的归一化半径，p 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。我们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。 ( 二) 相位转化 相位转化是将初始的相位分布函数转化为二元光学器件的相位分 布。转化过程依据标量衍射理论，讨论的二元光学器件均为纯相位型， 由此得到器件无吸收，衍射效率高，也易于加工。 通常二元光学器件引入的光程差分布被压缩到i o ，2 m ，y i 内。m 是一 整数，对于经典的二元光学器件，m = l ( 如图2 1 ) ；随着加工技术的发 展，为提高衍射效率，出现了m l 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。有两种量化方法：( 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函数t ( 妒) ， 得到最终的相位分布。 1 0 i 1 1 刁 鼗 讣 一” 一o “ 图2 2 相位压缩 r ) r ) uu 0115 22 5 3 半径 x 1 0 4 图2 3 相位分布函数处理过程 实际运用中，通常是将二元光学器件的相位分布压缩到 o ，2 m ，丌】 中，量化时我们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： t k ) = 眵一i n t ( # 2 m n ) 2 m ，r q ( 2 4 ) t b ) 础( 警) 警q ( 2 5 ) 式中i n t ( x ) 取整函数，得n d , 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2 m 石压缩函数t k 够) 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 t b ) 变换后，成为n 台阶二元光学器件。图2 3 表示了相位分布函数 的处理过程。 表2 - 1 掩模数据表( m ) 根基量化后的结果，求出各转折点处的半径值，即得到最后的掩 模数据( 见表2 1 ) 。由于已确定了台阶数为8 ，共需3 块掩模( 见图 2 4 ) 。 图2 4 掩模图案 1 2 2 1 2 对准标记 在对掩模设计的过程中，还有一个不可忽视的对准标记问题，因 为在通过掩模对二元光学器件的图形转移过程中，影响器件制作精度 的一个主要因素来自套刻过程中的对准问题。根据器件的制作流程， 当进行第二次的掩模套刻时，第二块掩模的某些环带边缘必然与第一 次蚀刻成型的器件的台阶边缘重合，如图2 5 ( a ) 所示。这样才能保证 准确的二元划分，从而获得良好的器件性能。否则会产生图2 5 ( b ) 所 示的不对准情况。对于随后的每次套刻过程，掩模与器件的对准问题 总是存在。每次的对准误差累积，将严重影响器件的制作精度。 ( a ) 对准状态( b ) 不对准状态 图2 5 套刻中的掩模对准 在大规模集成电路的制作过程中，通常是在硅基片的空白处刻划 出一个十字标记，以后的每次套刻中都以掩模上的十字标记与硅基片 对准。但是在二元光学器件中，基片的实际口径通常是根据有效口径 留出3 4 m m 的余量，在如此狭小的空余边缘地带划上清晰的十字标记 并非易事。因此根据实际情况，我们设计了两种类型的对准标记来进 行有效的套准。 第一种对准方式是利用器件硅基片的外圆边界进行对准的。需要 相应改进的是器件的掩模，即在实际的掩模环带之外再刻划两个用于 对准的环带，它们的外圆与内圆分别与硅基片的外圆边界实现双丝夹 单线的对准方式如图2 6 。 图2 6 硅基片外圆对准法 设备。1 9 9 5 年美国a r i z o n a 光学中心报道了他们研制成功的四轴联动 激光直接写入设备，器件的写入口径范围中1 5 0 m m 巾3 0 0 m m 。国内激光 直写设备的研制起步较晚，浙江大学现代光学仪器国家重点实验室自行 研制的激光直写系统，可用于二元光学器件及掩模的制作；中科院长春 光学精密机械与物理研究所也研制了用于二元光学器件制作集直角坐 标与极坐标于一体的激光直写系统，达到了上世纪9 0 年代国际先进水 平。 2 2 2 激光直接写入系统分类 激光直写系统主要有三大类，即直角坐标激光直写系统、极坐标激 光直写系统和直角坐标与极坐标结合方式的直写系统。 其中直角坐标方式的激光直写系统，是将表面涂有抗蚀剂的基片置 于x y 平台上，被聚焦的h e c d 激光束( = 4 4 2 n m ) 对其进行扫描并曝 光。x y 平台置于4 个气垫支柱支撑的平台上，由线性马达驱动，并 由激光干涉仪精确定位。用声光调制器控制h e - c d 激光束的强度，经物 镜聚焦于基片上，对抗蚀剂进行变剂量曝光。c c d 摄像头可检测物镜聚 焦情况，并由压电陶瓷控制实现自动聚焦。实现x y 直角坐标的直写。 这种设备可完成非旋转对称或渐进趋于圆的光学器件的直写。 直角坐标和极坐标结合的激光直写系统，是在同一系统中可实现直 角坐标和极坐标两种激光直写方式。它不但能够完成直角坐标系统非旋 转对称的光学器件的直写，又能完成旋转对称的光学器件的直写。 从以上的介绍中可以知道，极坐标激光直写系统的主要作用是完成 旋转对称光学器件的直写。我们实验中制作的八阶二元光学器件是旋转 对称光学器件，因此我们选用的是加拿大i s i - 2 8 0 2 型的极坐标激光直 写系统。此激光直写系统是将激光蚀刻、声光调制、气轴转镜扫描、c c d 显微摄像、气浮精密工作台、激光精密干涉仪精密定位、自动调焦、以 及计算机控制和数据处理等许多高新技术融为一体的产物。该系统的主 要性能如下：直写范围1 5 0 m m 1 5 0 m m ；最小线宽lum ；线条均匀性 0 1pm ；系统适用标准c i f 格式的图形文件。i s i - 2 8 0 2 型极坐标激光 直写系统既可用于一次曝光制作光刻掩模，又可用于多次曝光制作二元 光学器件。 2 3 极坐标激光直接写入系统原理与构成 2 3 1 极坐标激光直接写入系统工作原理 极坐标激光直接写入系统工作原理如图2 8 所示。基片、基片吸附 机构及基片整平机构等放置在高精度旋转平台上。光刻物镜、自动调焦 机构放置在精密平动工作台上。把h e c d 激光经扩束、准直滤波后会 聚在涂有抗蚀剂的基片表面上，通过转台回转、工作台的直线微进给， 以极坐标的方式实现微细图案的刻写。 图2 8 极坐标激光直接写入原理图 应用真空吸附装置使基片固定在转台上，基片整平机构使基片的抗 蚀剂表面与光轴垂直。主物镜和自动调焦系统安置在直线运动的工作台 上，工作台的移动即可实现曝光光束在基片上的径向移动。工作台的可 移动范围决定了系统能加工的器件的最大尺寸。直线进给装置由同频皮 带轮、高精度蜗轮蜗杆副、高精度丝杠、平动工作台、精密导轨、步进 电机、压电陶瓷等组成。由于系统使用的h e c d 激光器受温度、气流 等因素的影响比较严重，输出功率约有2 0 - 3 0 的波动对于直接写入的 精度来说是十分不利的。因此，必须对光功率加以控制。光功率的控制 将直接影响加工器件的质量。此外，在曝光过程中，光束应始终会聚于 抗蚀剂表面上，离焦将会造成光斑的迅速扩大，这对于制作精细的光学 器件是极为有害的。转台的轴向窜动、基片的倾斜、基片的不平都将造 成离焦，自动调焦的作用是在加工过程中实时的补偿离焦量。 2 3 2 极坐标系统的主要构成 极坐标激光直写系统由四个系统来实现各个环节的控制。分别是： 承载物镜运动的高平动工作台定位控制系统、转台稳速控制系统、自动 调焦系统、光功率控制系统。 ( 一) 转台移速伺服控制系统 二元光学器件加工过程中，当激光光束在某一半径上进行曝光刻划 时若主轴转动速度不稳定，就会使各点的曝光量不等，也就会产生刻划 线宽和抗蚀剂层边缘倾角的误差，因而影响二元光学器件的性能，就必 须对主轴进行稳速控制。根据本系统总体设计，主轴系统的稳速精度要 优于1 。 1 6 对于二元光学器件，要求不同半径上刻划出来的线宽一致，即在各 个半径单位长度上的曝光量要为恒定值。当主轴保持恒定的角速度时， 刻划半径上的线速度与所在半径成反比，t t l n 划半径越大，曝光量越小。 这样，为了保证不同刻划半径上的曝光量为恒定值，可以采用两种方法： 一是调整激光光束的强度，即当在小半径时减小光的强度，在较大半径 时增大光强，使各个半径上的曝光量相等：二是调整主轴的转动速度， 系统在较小半径上刻划时采用较大的转速，而在较大半径上刻划时采用 较小的转速，使曝光量保持恒定。 ( 1 ) 调稳速控制器 图2 9 调速稳速控制器 如图2 9 所示，调稳速控制系统控制器的构成：晶体通过微处理机 控制锁相频率合成器输出信号，构成一高精度频率基准，其频率稳定度 可达1 0 1 ，频率范围可达1 ：1 0 0 0 ，据此可完成大调速比调速；继而通 过高精度集成频压转换器，构成速度给定信号，而电机转速通过高精 度光电码盘，变换为频率与之成正比的脉冲信号，通过高精集成频压 转换器，速度微分环节，构成速度反馈信号。再经过比例积分控制器， 脉宽调制放大器，驱动放大器，驱动直流伺服力矩电机，带动转动台转 动。速度通道上的微分反馈环节，使得在速度范围中的低速情况下也能 达到稳速高精度要求。 ( 2 ) 测速及圈数控制回路 在工作过程中微处理要实时监测系统，当转速达到要求后，要立即 向上位机报告，使后续工序得以进行。此外，在曝光过程中，当转过所 要求的圈数时，要求立刻切断曝光光源，否则会在被加工器件下留下瑕 疵，影响到后续器件的制作质量，本系统中采用m t 法实现了高精度测 速，通过对码盘脉冲同步计数实现了与曝光圈数相对应声光调制器开 关状态的高速切换。 1 ) m t 法测速 所谓m t 法，是指综合测量检测时间所对应的基准脉冲m 。以及此 1 7 时问内的测速脉冲数m 。这种方法兼有m 法与t 法的优点，在不同转速 下都具有较高的测速精度和分辨能力。所测得转速的表达式为： n u ：6 0 f t m , ( r m i n l ( 2 6 ) p m 2 其中p 为光电码盘每转输出测速脉冲数；f c 为基准脉冲频率，此方 法的分辨率q 为： q = 2 匕( r m i n ) m ，一1 测速精度e 为： ( 2 7 ) e ：( 上+ 上1 1 0 0 ( 2 8 ) 1 0 0 0 m 。m ，一l 7 此处，光电码盘的p 值为2 5 0 0 ，f c 为2 m h z ，若m 。为2 5 ，i i l 2 为4 0 0 0 0 ， 以转速为3 0 r m i n ，测量结果的分辨率为9 l o ，测速精度小于0 1 o ， 较好的满足了直写工艺对转速测量精度的要求。 2 ) 曝光圈数的控制 在此系统中，通过检测光电码盘的输出脉冲实现对曝光圈数的精密 控制。用于测量电机转速的光电码盘，每随电机转动一圈，发出p 个方 波脉冲信号，若曝光圈数为n ，则所对应的码盘脉冲个数为n p 。因此， 若对码盘脉冲信号的计数与声光调制器的开关完全同步，即可精密控 制曝光圈数。而同步计数器的具体实现，可采用定时器与触发器相配合， 用光电码盘的输出脉冲启动和关闭计数过程，以保证精确的计数，并使 计数与声光调制器的开关同步。由于声光调制器的打开与关闭及计数 过程完全由光点码盘脉冲信号触发，理想情况下二者将完全同步，实践 中，切换滞后时间仅取决于数字电路的延迟时间，如小于1 微秒，可以 忽略不计，从而保证了器件的制作质量。 ( 3 ) 调稳速系统的工作流程 稳调速自动控制系统的工作流程如图2 1 0 所示。通过稳调速系统 的控制，使转台精确度达到1 以下，已经满足激光直写的要求。 图2 1 0 调稳速系统工作流程 ( 二) 平动工作台定位控制系统 系统中要求微动工作台具有较大的位移量( 5 0 m m ) 和较大的定位精 度( 0 2 微米) 。由粗动工作台完成高速大行程的动作，微动工作台完 成精密定位相结合系统的结构如图2 1 1 所示。 图2 1 1 微位移系统结构简图 1 9 、 指定一 位移量 圈2 1 2 平动工作台精密定位系统 平动工作台精密定位系统的工作过程如图2 1 2 所示：平动工作台 定位控制系统接受来自上位机的位移量，若所需的位移量超过了压电叠 堆的范围，则首先要进行粗定位，即复位压电叠堆，驱动步进电机，通 过齿轮传动，蜗轮蜗杆减速，再经精密丝杠将电机的角位移输出转换成 工作台的直线进给，同时检测实际位置是否到位，若到位，则粗定位结 束，执行精密微定位程序，精密微定位的执行器是压电叠堆，将目标位 置与光栅测长仪测得的实际位置相减得到所需位移量，并通过d a 及高 压放大产生与之相对应的高压输出，驱动压电叠堆，改变其伸缩量。压 电叠堆的一端与工作台相连接，因此它的伸缩将导致工作台的进退，从 而实现微定位。工作台定位以后为保证其在加工过程中不受振动等干扰 因素的影响，必须不断的检测实际位置与定位位置的偏差，并驱动压电 叠堆进行补偿。 ( 三) 光功率控制系统 系统所使用的激光器是h e c d 激光器。h e c d 激光器是金属离 子激光器。主要机理是通过和亚稳态氦的碰撞而使基态镉产生彭宁电 离，获得镉原子激励作4 4 1 6 n m 激光振荡输出。在转台角速度恒定时， 对于半径为1 0 0 m m 的基片而言，假设最里面的环带半径为l m m ，则最外 边的环带的线速度为最里面环带线速度的1 0 0 倍，这意味着在相同的转 台转速下，即使暴光功率恒定，单位时间内、单位面积上最外边环带上 所接收的暴光量将为最里边环带的1 1 0 0 。另外，由测量可知，h e c d 激光器有过量的噪声输出，其功率输出有2 0 - 3 0 0 $ 的起伏。这对多阶二 元光学掩模及器件的加工是极为不利的。并且h e c d 激光器受温度、 气流等因素的影响比较严重，也导致了输出功率的波动。因此，若要在 整个基片上加工出深度、宽度一致的线条，必须能够动态连续地调节曝 光光强，且在同一环带曝光过程中，保持曝光光强恒定。 为了得到h e c d 激光器稳定的曝光功率，本系统建立一个激光器 输出功率伺服控制系统：即利用非线性物质如电光、磁光、声光调制等 对曝光功率实现闭环反馈控制，以得到稳定、连续可调的曝光光功率。 ( 1 ) 电光强度调制：电光调制的物理基础是电光效应，即是某些 晶体在外加电场作用下，其折射率将发生变化，当光波通过此介质时， 其传输特性将受到影响而改变。若拆射率变化与外加电场成线性关系， 这种变化是线性光电效应；如果晶体折射率变化与外加电场幅度的平方 成反比例，这种变化称为克尔效应。电光调制技术主要应用线性电光效 应。因此，将欲调制的信号电压施加于晶体，就可得到所需要的激光光 功率输出。 ( 2 ) 磁光调制：磁光调制的物理基础是磁光效应。在磁性物质内 部有很多小区，在每个小区域内，所有的原子或离子的磁矩都互相平行 的排列着，把这种小区域称为磁畴；因为各个磁畴的磁矩方向不相同， 因而其作用互相抵消，所以宏观上并不显示出磁性。若沿物体的某一方 向施加一外磁场，那么物体内的各磁畴的磁矩就会从各个不同的方向转 到磁场方向上来，这样对外就显示出磁性。当光波通过这种磁化的物体 时，其传播特性发生变化。只要用调制信号控制磁场强度的变化，即可 得到强度随调制信号变化的调制光。 ( 3 ) 声光调制：声光调制的物理基础是声光效应。由于声波是一 种弹性波，声波在介质中传播会产生弹性应力或应变，从而导致介质的 密度产生疏密交替的变化，从而引起介质折射率周期的变化，并形成折 射率光栅。当光波在介质中传播时，就会发生衍射现象，衍射光的强度、 频率和方向等将随着超声场的变化而变化。声光调制就是基于这种效应 来实现其光调制或偏转的。 声光和电光在光强调制的机制和作用上相似。在驱动功率方面声光 调制要远比电光调制小，例如：在调制带宽为o h z - 1 0 m h z 时，电光调制 的驱动功率需要几十瓦，而声光调制仅需要一瓦左右就可以了。此外声 光调制还有热稳定性高等优点。但电光调制的特点是调制带宽比声光 宽，即响应速度快。在本系统中，由于氦镉激光器输出功率的噪声起 伏频率在1 0 0 m h z 以下，综合考虑各种因素，我们采用声光调制器作为 激光光功率控制的执行器。 由声光调制器实现的激光功率控制系统结构如图2 1 3 所示。输出 的激光经声光衍射后，用光栏取出+ 1 级衍射光用于曝光。+ 1 级衍射光 用分束器取样后，经光电转换、放大、输出的电压信号与曝光光强成正 比，当将在某一级特定半径的圆环上进行光刻时，上位机通过接口总线 发一与所曝光光强相对应的振幅调制电压信号给下位机，下位机接收到 信号后，立即把该信号经d a 转换送出。振荡器、振幅调制电路和高频 功放组成了声光调制器的驱动源。由控制其的输出来控制声光调制器的 驱动功率，从而调节经声光调制器输出的+ l 级衍射光强。当光电探测 器检测到曝光光强偏大时，控制器输出调幅信号下降，即使声光调制器 的驱动功率下降，声光调制器的衍射效率降低，从而形成闭环，通过反 2 l 馈控制使曝光光强得到稳定。当某一半径上的圆环曝光完毕后，需对工 作台微进给，以实现不同半径的圆环上的曝光光刻，在微进给过程中， 要求曝光光功率为零，即关断声光调制器的+ 1 级衍射光。 图2 1 3 光控制系统原理图 ( 四) 自动调焦系统。 物镜对物体成像或对光束会聚都有一个最佳像面位置或最佳焦面 位置，偏离最佳像面位置时将导致像的模糊，偏离最佳焦面位置时会导 致焦斑