（光学专业论文）曲面激光直接写入技术.pdf

长春光学精密机械与物理瓣究矫 博士学位论文藤剖性声嚷 本人郑重声踞：所呈交韵学位论文，是本人在指 导教师的指导下，独立进行研究工傣所取得的成果。 除文中已经注明写l 用的内容岁| 、，本论文不包含任衙其 穗个人或集体已经发表或撰霉过盼作品成粱。对本文 的研究做出重要贡献的个人糊集体，均已在文中以明 确方式标鲷。本文完全意误到零声明的法律结暴由本 人承担。 攀位论文作者签名： 2 0 0 3 颦周国 摘要 在曲面上制作衍射光学元件有很多重要的应用。含有曲面衍射光 学元件的光学系统结构更加简化，重量更轻，体积更小，因此在航天成 像系统、军事领域、光学表面检测、光谱分析等领域具有重要的应用价 值。 本文在国家自然科学基金( 6 0 0 7 8 0 0 6 ) 和中科院创新基金 ( 2 0 0 2 l q 4 ) ，以及中科院应用光学国家重点实验室的资助和支持下，开 展了利用光刻技术在大口径凹球面玻璃基底上制作衍射光学元件的相 关工作： 1 对激光直写光刻的曝光量分布和线宽控制进行了相关理论分析 和实验。 2 利用对线条端部数据进行优化的方法解决了激光直写线条对接 技术。 3 通过选择合适的涂胶参数，在凹透镜表面上进行了薄光刻胶胶层 的均匀涂布。 4 利用激光直写光刻技术在大口径凹透镜表面上制作衍射光学元 件。 5 采用两次曝光的方法在凹透镜表面上厚光刻胶中制作衍射光学 元件。 6 在凹透镜表面上制作出了用于凸非球面检测的曲面全息图。 最后给出了下一步的工作和该技7 k 的发展前景。 a b s t r a c t i tisu s e f u li nm a n ya p p l i c a t i o n st of a b r i c a t el a r g ec o m p u t e r - g e n e r a t e d d i f f r a c t i v e o p t i c a le l e m e n t s ( d o e s ) o n c u r v e d s u r f a c es t h e r e f r a c t i v e d i f f r a c t i v eh y b r i d o p t i c a ls y s t e m i sm o r es i m p l e ，l i g h t ，a n d c o m p a c t t h e r ea r em a n ya p p l i c a t i o n sf o ru s e i nt h em e a s u r e m e n to f c o n v e x s e c o n d a r y m i r r o r s ， u l t r a v i o l e t s p e c t r o s c o p i c i n s t r u m e n t s ， a r m a m e n t ，a n ds p a c eo p t i c a ls y s t e m i n t h is p a p e r ， s e r i e so fw o r ka b o u tt h ef a b r i c a t i o no f l a r g e c o m p u t e r g e n e r a t e dd i f f r a c t i v eo p t i c a le l e m e n t s o nc u r v e ds u r f a c e si s c a r r i e do u t s u p p o r t e db y t h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( 6 0 0 7 8 0 0 6 ) a n ds t a t ek e yl a b o r a t o r yo fa p p l i e do p t i cso ft h ec h i n e s e a c a d e m yo fs c i e n c e 1 t h ee x p os u r ed o s ed i s t r i b u t i o na n dl i n ew i d t hc o n t r o lf o rt h el a s e r d i r e c tw r i t i n gs y s t e ma r ea n a l y z e d s o m ee x p e r i m e n t sa r ea l s oc a r r i e d o u t 2 w ep r es e n tan e wm e t h o dt oc o r r e c tt h ej o i n te r r o ro fl a s e rw r i t e r w i t h o u tt h er e d u c t i o no ft h r o u g h p u t b yd i g i t i z a t i o n ，w eo p t i m i z et h e i n t e n s i t yd a t ao ft h ei n c i d e n c eb e a ma tt h ev i c i n i t yo fs t a r tp o i n ta n d e n dp o i n t 3 w eo b t a i n e dp h o t o r e s i s tf i l m w i t hu n i f o r mt h i c k n es so nt h e l a r g e concaves u b s t r a t eb ys e l e c t i n gp r o p e rs p i n c o a t i n gp a r a m e t e r s ，w h i c h m a i n l y i n v o l v e s p i nr a t e ，s p i na c c e l e r a t i o n ，a n dv i s c o s i t y o ft h e p h o t o r e s i s t 一 4 w ed e m o n s t r a t ee x p e r i m e n t a l l yt h el i t h o g r a p h yt e c h n i q u et of a b r i c a t e a l a r g ec o m p u t e r g e n e r a t e dd i f f r a c t i v eo p t i c a le l e m e n t ( d o e ) p a t t e r n o n ac o n c a v el e n ss u r f a c ew i t hp r e c i s ea l i g n m e n tb yu s i n gal a s e r d i r e c tw r i t e r 5 w ed e m o n s t r a t ee x p e r i m e n t a l l yt h et e c h n i q u et of a b r i c a t el a r g ed o e s i nt h et h i c kf i l mo naconcavel e n s ( m i r r o r s ) s u r f a c ew i t hp r e c i s e a l i g n m e n tb yu s i n gt h es t r a t e g yo fe x p o s u r et w i c e 6 w ef a b r i c a t e dal a r g ec o m p u t e r g e n e r a t e dh o l o g r a p h yo naconcave 1 e l i ss u r f a c et ot e s tt h econvexs e c o n d a r ym i r r o r ss u r f a c e a tt h ee n do ft h i sp a p e r ，t h ep r o s p e c to ft h i sw o r ka n dt e c h n i q u ei sg i v e n 中国科学院博士论文 第一章绪论 在髓面上制作衍射光学元件或微图形有报多重要的应用p 。3 。恕衍射光学 元件制作在传统光学元件的表面上，形成折衍混合光学系统，在改善系统像 质、减小体积和降低成本等方厩表现出传统光学系统无可比拟的优麴 3 。在 篷嚣上锈作衍射竞学元传还可以瘸于； 球面检测，特别是凸菲塔鬣梭涮p5 。 在仿生方面，嚣甩兹萄上徽瑟形蒂l 作技术还嚣以在传统光学元件表繇瓤作出类 似蜻蜒复眼式的众多微凸透镜。曲面上微图形制作技术在航空航天设备的超轻 量化、微光机电系统、光谱分析设备等方面都有潜在的应用。 到露前为止，关于蘧殛綦底上衍射光学元件静制作技术的缀邋，主要有金 刚石车秘、软刻蚀、激毙鑫写金属热氧化和激光囊写光亥l p7 ，8 3 。金嚣石车澍 技术只能在诸如金属铝、铜等软的金属上制作，荩基底材料有限。以哈佛大学 w h i t e s i d e s 教授研究组为主的多个研究集体发展了“软刻蚀”的相关技术。 软刻饿一般是通过表西复制有微细结构的弹性印鬻( e p 摸) 来转穆图形。软刻 淫可以在鑫囊疆上转移图形，精细程度可戳迭l o o n m 以下。软刻馁方法原列土可 以在任意形状的曲面基底上制作衍射光学元件。但是利用这种技术转移图形 时，欲转移图形和基底之间的对准精度却无法保证。激光直写金属热氧化可以 在球面上制作衍射光学元件而且还可以保证欲转移图形和基底之阚的对准精 度，但是这秘方法无法锈佟融三维连续浮髓结构。激光毫写和光塞g 技术槌结合 既可以在秘面上加工衍射光学元件，又可以保证写入图形和曲面基底的对准精 度，同时还可以制作出三维连续浮雕结构 q 1 ”，“ 。 l 。l 鑫雕石车刳 。，”t “ 美国怒开展金剐石擎削技术研究最单的国家，也是迄今处予擞界领先地位 的国家。早在5 0 年代末，由于航天等尖端技术发展的需要，美国酋先发展了 金刚石刀具的超精密切削技术，称为“s p d t 技术”( s i n g l ep o i n td i a m o n d 曲面激光直接写入技术 t u r n i n g ) 或“微英寸技术”( 1 微英寸= 0 0 2 5 删) ，并发展了相应的空气轴 承主轴的超精密机床，用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球 面非球面大型零件等等。如美国劳伦斯利沃莫尔实验室( l l l ) 实验室和y 1 2 工厂在美国能源部支持下，于1 9 8 3 年7 月研制成功大型超精密金刚石车床 d t m 一3 型，该机床可加工最大零件0 2 1 0 0 m m 、重量4 5 0 0 k g 的激光核聚变用的 各种金属反射镜、红外装置用零件、大型天体望远镜( 包括x 光天体望远镜) 等。该机床的加工精度可达到形状误差为0 0 2 8 胛( 半径) ，圆度和平面度为 0 0 1 2 5 朋，加工表面粗糙度为r a o 0 0 4 2 胛。该机床与该实验室1 9 8 4 年研制 的l o d t m 大型超精密车床仍是现在世界上公认的技术水平最高、精度最高的大 型金刚石超精密车床。 单晶金刚石刀具几乎是唯一得到实用的刀具。金刚石摩擦系数低，导热率 高，这对切削过程很有利：它还有很高的硬度和可加工出接近原子尺寸级的锋 利刃口，而制作锋利的刃口是微细切削领域中必须解决的关键技术。一个用亚 微米级的锋利刃口加工出的元件，其表面粗糙度可达几纳米。锋利的刃口及很 低的摩擦系数，可大大减小切削力，这有利于提高微细切削加工的精度，也降 低了对超精加工机床刚性的要求。 金刚石刀具适合加工铝、纯铜、黄铜以及铜镍合金等。铜镍合金有很高的 硬度，在加工时可获得极佳的表面质量。金刚石不适合加工黑色金属，为了使 金刚石能够加工钢，可以把一个超声振动叠加在刀具的运动上，切削时使刀具 的接触时间大大减少，从而降低了切削温度，抑制金刚石向石墨的转化。 中国科学院博士论文 图t ，l ( a ) 单点金刚石霉廉原瑾示意图 ( 8 ) 车削刀其 f i g 1 。1 ( a ) r e p r e s e n t a t i o no f ag e n e r i cs i n g t e - p o i md i a m o n dm r i n g m a c h i n e ( b ) t y p i c a lc u t t i n gt 0 0 1 图1 2 曲面上刻划线条的金刚石车床 f i g 。1 ，2d i a m o n d m a c h i n et or u l lc u r v el i n eo r lc u - v es u r f a c e 图1 1 是金刚石车床的原理示意图和众刚石刀具的结构示意图。金刚石车 床可以接铡车削深度到1 辙英寸( 0 0 2 5 黼) 。 图1 2 是月本日立公司中心研究室研制的在曲面上刻划线条的金刚石车 曲面激光直接写入技术 床。这台车床主要是为制作凹面聚焦光栅而研制的。在图1 2 中，作为导轨平 面的光学平面玻璃表面相对于垂直平面倾斜成口角。金刚石刀具的夹具靠两个 聚四氟乙烯滑动触头在导轨平面上滑动，同时靠一对枢轴使金刚石刀具在凹面 上运动。枢轴的轴线垂直于导轨平面，从而保证金刚石刀具的往复运动始终平 行于导轨平面。在整个刻划过程中，金刚石刀具始终保持在一个平面中运动， 待加工表面在螺杆螺母机构的驱动下作连续运动，所以这种车床又称为牛头刨 床式刻划机器。用这种车床已经制作出了三种凹面光栅。这三种光栅的平均线 数是6 0 0 线毫米，刻划面积是5 0 3 0 r a m 2 ，曲率半径是l m 。第一种光栅是普 通的凹面光栅，第二和第三种光栅是凹面聚焦光栅，用作在0 5 4 6 朋波段进 行共心成像。该中心声称，用这种车床可以制作用在各种波段进行共心成像的 凹面光栅。 金刚石车削技术在制作大口径的光学元件方面具有明显的优势；但这种技 术的缺点是加工的材料有限，只能是一些相对较软的金属或者其它材料，如铜， 铝等。 1 2 软刻蚀 对于在微制造领域中占主导地位的光刻工艺而言，它采用光刻胶、掩模和 紫外光进行微制作。其工艺成熟，能批量生产特征尺寸小至2 5 0 n m 的微制品， 若采用深紫外光( 1 9 3 n m 或1 5 7 r i m ) 能够制作l o o n m 级的微图形。然而，这种 工艺需要昂贵的设备，而且很难制作特征尺寸为l o o n m 以下的图形，同时，它 无法在曲面上制作图形。以哈佛大学w h i t e s i d e s 教授研究组为主的多个研究 集体发展了软刻蚀的相关技术。其总的思路是利用传统光刻工艺生成的微图 形，通过中间介质进行简便而又精确的复制。软刻蚀不仅可以在平面上制作图 形，还可以在曲面上转移图形，还可以制作三维的连通结构，其精细程度可以 达到0 1 加以下 “，” 。 软刻蚀技术的核心是用来转移图形的弹性印章，制作弹性印章的最佳材料 中国科学院博士论文 是聚合物聚二甲基硅氧烷，英文缩写为p d m s 。先用传统光刻的方法在基片上 得到微细图形，然后在基片上浇铸? d m s ，p d m s 固化后，剥离，就得到了复制 有微细图形的弹性印章。它化学性能稳定、柔软，与其它材料不粘连，能在曲 面上印刷图形。 图1 3 在硅基片上浇铸p d m s f i g 1 3m o u l dp d m so nt h es i l i c o ns u b s t r a t e 软刻蚀的方法包括：微接触印刷、微模塑、近场光刻蚀等。 微接触印刷利用自组装单分子层技术和弹性印章在基底上制作微细图形。 首先，在弹性印章表面涂一层烷基硫醇墨水，然后在金、银、铜或者二氧化硅 表面转移微图形。烷基硫醇分子在基底表面自动排列成规整的结构，以求自由 能最小，形成自组装单分予层。印刷后的表面用化学腐蚀或者化学显影的方法 使图形显影。微接触印刷可以在玻璃管内壁印刷图形、在光纤表面制作金光栅， 还可以制作核磁共振用微线圈等。微接触印刷在微制作、生物传感器、表面性 质控制方面有很大的应用前景卜”，” 。 从四面压缩弹性印章，然后把聚氨脂等高分子材料直接浇铸到弹性印章 上，图形特征尺寸可以从2 5 胛压缩到0 2 胛。通过变形，可以把圆形的微 结构变成椭圆形，把普通光栅变成连续结构的光栅 2 0 。弹性印章和基片贴合 在一起时，弹性印章上的微细图形和基片表面之间形成了毛细网络结构，当把 液体滴到网络的入口处时，通过毛细作用，可以把液体吸入到毛细网络结构中， 固化印章上的微细图形就转移到了基底上，这种技术称为毛细微模塑。毛细微 模塑技术的特点是可以采用多种材料来制作微细图形。用溶胶一凝胶可毗制作 曲面激光直接写入技术 陶瓷、玻璃图形，用微颗粒悬浮液可以得到颗粒排列规整的微细图形卜” ，。 毛细微模塑技术还可以制作光电子器件的纳米管微结构 ” 。 在弹性印章上涂层辅助溶剂，然后把弹性印章印到高分子基底上，在溶 剂的作用下，高分子基底开始溶解，等溶剂挥发后，移去弹性印章，在高分子 基底上就得到了弹性印章上的微细图形，这种技术称为溶剂辅助微模塑。溶剂 辅助微模塑可以复制小至5 0 n m 的微细结构，可以在聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸 甲脂、聚对苯乙炔等高分子平面或益面基底上制作微结构。用溶剂辅助微模塑 技术可以方便的制作有机发光器件。在导电玻璃基底上涂一层5 0 1 0 0 n m 厚的 聚对苯乙炔薄膜，然后在弹性印章上涂一层甲醇，把弹性印章印在聚对苯乙炔 薄膜上，在甲醇溶剂的作用下，在导电玻璃基底上得到了弹性印章上的微细图 形，然后，用真空镀膜镀上铝电极。由于非线性发光效应，控制合适的电压， 可得到发光图形 “ 。 透明的弹性印章适用于用高分子光固化材料和近场光刻蚀进行微制作。透 明的弹性印章用作掩模时，由于本身柔软，不损伤基片，而且与基片接触良好， 减少了由于间隙引起的光的衍射，发展成为弹性掩模近场光刻技术。 ”，2 6 图1 4 是利用软刻蚀技术制作三维圆柱形微结构的原理示意图。它的具体 制作过程如下： 1 利用电子束蒸发技术，在直径为2 r n m 的圆柱形玻璃毛细管( a ) 外表面 均匀的蒸镀一层钛( 2 5 埃) 和银( 5 0 0 埃) ( b ) 。 2 用电子束或激光束光刻方法在硅片上刻出c 图所示的二维微图形，然后 在其上浇注聚二甲基硅氧烷( p d m s ) ，固化后剥离，得到表面复制有精细微结 构的弹性印章( c ) 。 3 在p d m s 弹性印章的表面涂上一层烷基硫醇墨水，然后在镀有钛和银的 毛细玻璃管的表面上复制出印章上的微图形。烷基硫醇在银表面上形成自组装 单分子层，烷基硫醇分子自动排列成规整的结构以求自由能最小，从而保证了 复制的清晰度。 中国科学院博士论文 图1 4 在拉力下形成的三维圆柱形结构的原理示意图 f i g1 4t of o r m3 dg r i dc y l i n d e rb yp u l l i n g 图l - 5 无约束三维圆柱形微网格结构 f i g1 5t h e f i n a lc u b ef o r m e d 4 把表面复制有微图形的玻璃毛细管浸入氰化铁溶液池中 ( o 0 0 1 m k 。凡( c - ) 。，0 0 1 m k 3 f e ( c n ) o ，0 1 9 n a 2 最d 3 ) ，时间为1 5 3 0 s ，- 2 掉没有被保护的银。然后浸入1 的h f 溶液中，大约1 0 s 后，去掉露出来的钛。 曲面激光直接写入技术 于是得到了一个导电的和弹性印章一样的金属图形，如d 所示， 5 在形成的金属图形上再电镀一层厚度大约为2 0 , u r n 的银，加强结构的强 度。 6 浸入h f 溶液中，溶解掉玻璃毛细管基底，得到无约束的金属网格结构。 如e 所示。 7 给此无约束的金属网格结构施加外力，方向如e 所示，此结构在外力下 形成f 所示的封闭圆柱结构，在保持外力的情况下进行电镀( 焊接) ，从而形成 坚固的圆柱体封闭网格结构，撤去外力，得到f 所示的圆柱体封闭网格结构。 图1 5 是e 到f 变化的放大图。a 是未施加外力前的三维微结构，b 是在 外力下三维微结构的变形，c 是三维微结构的扫描电镜图片。 用类似的方法，该研究组还制作出了三维可活动的连通结构：微金属环链。 该微金属环链直径大约是8 0 0 m ，厚度大约是5 0 胛，如图1 6 所示。图1 7 所示为采用软刻蚀技术制作的圆柱形显示器件。 软刻蚀技术的优缺点： 软刻蚀技术不需要复杂的设备，在普通的实验室下就可以迸行制作：可以 在曲面上刻蚀图形，制作三维微结构；软刻蚀在复制图形时可以对图形进行缩 小，因此可以制作特征尺寸lo o n m 以下的图形。软刻蚀技术在图形的精确定位、 印刷质量方面和平面光刻还有一定的距离。 图1 6 三维连通微金属镍链环 f i g16o p t i c a lm i c r o g r a p ho f af r e e - j o i n t e dn i c k e lc h a i nf o r m e d 中国科学院博十论文 图1 7 圆柱形微显示器件的扫描电镜 f i g 1 7s e m o f t h ec y l i n d e rd i s p l a y 1 3 激光直接写入技术 掘我们所查到的资料，有关激光直接写入技术的报道最早出现在1 9 8 3 年。 苏黎世r c a 实验室的g a e 和k n o p 在二维直角坐标系下利用激光束在光刻胶 上制作出了系列微光学元件”，2 。 。前苏联自动化电工研究所于1 9 8 4 年研制 出激光直接写入设备r 。美国t e x a s 公司和德国h e i d e l b e r g 大学在19 8 9 年 报道了研制成功的激光直接写入设备一“ 。 进入9 0 年代后，激光直接写入技术受到各国的重视，有关激光直写技术 的文章大量出现。除了不断研制精度更高，功能更多的直写设备外，还不断探 索新的写入工艺。i 9 9 4 年美国a r iz o n a 大学发展了金属热氧化写入技术：4 。 1 9 9 7 年美国b r o w n 大学利用a r + 激光在掺有半导体的玻璃上直接写入衍射光学 元件p 。1 9 9 6 年美国m i a m j 大学利用激光束直接在高能束感玻璃上直接制作 扶度掩模或者直接制作连续浮雕衍射光学元件 ”，“ 。另外，日本大阪大学和 富士山大学 3 吖”，。1 瑞士p a u ls c h e r r e r 研究所 ”，”，” 、加拿大国家 光学研究所 “ 、法国电信c n e t ” 、芬兰o u l u 大学 ”4 1 西班牙s a n t i a g o 大学 ” 、新加坡南洋理工大学等都展开了激光直接写入技术的研究 r ”i 。 曲面激光直接笃入技术 图1 ，8 激光直写制作平面连续浮雕微光学元件的工艺步骤 f i g i 8t h ep r o c e s so f f a b r i c a t i o no fc o n t i n u o u sr e l i e fo p t i c a le l e m e n t 国内有关激光直写技术的研究是从1 9 9 8 年j 干始的，浙江大学现代光学仪 器国家重点实验室首先报道研制成功了一台具有极坐标系的激光直接写入设 备 ”，一，i 6 ，在光刻胶中得到了0 6 i n ，的线条。2 0 0 0 年中国科学院长春光机所 中鬻霉 学院媾士论文 研制出了同时具有极坐标和畿角出标的激光直接写入设备r 。2 0 0 1 年兰州物 理研究所展开了利用激光热化学反应原理直接写入掩模的研究。 露l 。9 佼瑶精密x ，y 扫绉工作台的激光煮按写入系统 f i g 。l 。9t h el a s e rw r i t e rs y s e mw i t hx yc o o r d i n a t es c a n n e r 豳1 8 为用激光直接写入系统制作平面连续浮雕微光学元件的工艺步骤 示意图。欲制怍的微结构出光学设计程序所提供的面浮雕数掇来确定。通过标 定可以确定光刻胶曝光量和曼影藤对应的浮雕高度，所以可以把蕊浮雕数据转 换为激光京麓强度数据。在写入过程中，耀计算辊精确控铡工作台的运动和激 光象酌强度，聚焦后的激光震扫描涂有光刻胶的基片使光刻胶曝光，然后，对 曝光后的光刻胶进行有控制的显影，就会得到设计的面浮雕结构。 图1 9 是苏黎世r c a 实验奎的g a e 知k n o p 报道的实际使用的激光直接 写入系统。聚焦的h e c d 激光束，波长为4 4 2r i m ，以x ，y 栅格的方式扫描涂在 基片上的光妻4 胶，对荚曝光。x ，￥工作台是一个由线性马达驱动的空气轴承工 曲面激光崩接写入技术 謦台，并装各育干涉仪定位涮量装置。动态位置精发为1 5 0 r i m 。澈光募豹强度 由一个南光调制器控制，可以达到2 5 6 个强度等级。声光调制器所需的数据由 p c 机的总线通过d a 数据转换模块转换后送到声光调制器的驱动和控制电路。 在写入过程中，色动聚焦系统能够使笃入光束在写入区域内动态地保持聚焦。 图1 1 0 用激光赢接写入系统翩作的n a 为0 5 的菲涅耳透镜 f i g 1 10t h ef r e s n e ll e n s ( n a 2 0 ，5 ) f a b r i c a t e db yl a s e rw r i t e r 鬻1 1 0 为设计波长为0 6 3 2 8 埘，罔激光直接写入系统制作的黼为0 5 的菲涅耳透镜。它的尺寸为2 5 0 , “mx 3 0 0 删，衍射效率为6 0 。 阁1 11 是用激光嶷接写入系统制作的微光学元件的电子扫描显微镜和原 予力缓徽镶扫描鹜8 】。a 为相位匹配棼渥写元 孛，凇为0 1 ，焦距5 0 0 卿， 直径为1 0 0 倒；b 为光纤耦台器件，尺寸为2 5 0 , u r nx 3 0 0 ，。c 为用于波前测 量的透镜阵列，直径为5 0 0 胛，焦距为2 5 m m 。d 为菲涅耳透镜阵列，单元亳 经为1 5 0 炒；，焦距为2 5 0 芦：。e 为9 x 9 扇出的相息图，尺寸为4 0 0 _ m 。f 为 5 x l 聚焦囊出的荸涅耳元件，焦距1 0 r a m ，尺寸为1 0 0 删。 中国科学院博士论文 图1 1 l 用激光直接写入系统制作的微光学元件 图1 1 2 为用激光直接写入系统制作的微透镜阵列放大5 0 0 倍的电子扫描 图像。 曲面激光直接写入 支术 图1 1 2 用激光直接写入系统制作的微透镜阵列的电子扫描图像 f i g 1 12s e mo f t h em i c r o 一1 e n sa r r a yf a b r i c a t e db yl a s e rd i r e c tv v t i t i n g s y s t e m l a s e rw r i t e d o ep a t t e l t n c h e a 缸c a l e t c h 图i 1 3 热氧化写入技术原理图 f i g1 13t h e r m o c h e m i c a lw r i t i n gt e c h n i q u e 据我们所知，有关曲面激光直接写入技术的研究，只有美国亚里桑那大学 光学中心进行了利用金属热氧化技术在曲面上制作衍射光学元件的相关研究 中国科学院博士论文 4 。基本原理是利用热氧化原理在涂有金属铬的基底上直接写入图形。该中 心用这种技术在球面上制作了衍射光学元件，用于二次非球面的检测。 图1 1 3 是激光直写金属热氧化技术的原理图。控制入射到基底上的激光 束的功率对金属铬进行加热，但不能融化金属铬。金属铬吸收热后，和空气中 的氧进行化学反应，生成三氧化二铬( c 一0 3 ) ，从而在受熟区域的金属铬上形 成一层三氧化二铬保护层。但是，在进行化学处理以前，人眼是观察不到此保 护层的。在化学处理过程中，没有写入的区域，由于没有三氧化二铬保护层的 保护将被腐蚀掉，被加热或者写入的区域被留下，形成了所需的衍射光学元件。 在腐蚀过程中，利用了氧化铬和未氧化的铬的刻蚀速率不一样的特性。 图1 1 4 美国亚里桑那大学光学中心激光直接写入系统原理图 f i g 1 1 4s c h e m a t i co f o p t i c a ls o c i e t yc e n t e rl a s e rw r i t e r 图1 1 4 为亚里桑那大学光学中心激光直接写入系统原理图，它有三大部 分组成：功率为1 2 w 的氩离子激光器( 波长为0 4 8 8 g n ) 、三轴运动控制系 统和光学系统。在金属铬上一次可以写入宽度为0 7 5t a n 到2 0 0 , m 的线条。 该中心在直径为6 英尺的抛物面基底上进行了衍射光学元件制作的实验。 这种技术的优点是避免了曲面上光刻胶的相关处理，如涂布，刻蚀等。但是， 这种技术最大的缺点是不能产生矩形面形，阱及三维浮雕结构，如图1 1 5 。 而且这种技术的写入效率非常低，在加工过程中基底的转速仅为2 转分，写 曲面激光直接写入技术 入一个圆需要大约3 0 秒钟。在利用光刻胶制作衍射光学元件时，基底的转速 在6 06 0 0 转分之间，常用的转速是2 0 0 4 0 0 转分，所以这种技术的制作效 率非常低。 图1 1 5 利用激光直接写入热氧化技术制作的线条的面形 f i g 1 l5t h el i n ep r o f i l e sf a b r i c a t e db yo s cl a s e rw r i t e r 1 4 本文的主要工作 金刚石车削技术不能在诸如玻璃这样的光学材料上制作衍射光学元件；软 刻蚀技术在转移图形时，图形与基底的对准精度难以满足要求；激光直写金属 热氧化技术不能产生三维连续浮雕面形。所以，探讨和发展一种能在曲面玻璃 基底上制作三维连续浮雕结构同时还能保证图形和基底之间对准精度的技术， 对于许多领域都具有重要的意义，如折衍混合光学系统，非球面检测，微光 机电系统等。 本文在国家自然科学基金( 6 0 0 7 8 0 0 6 ) 和中科院创新基金( 2 0 0 2 l 0 4 ) ，以及 中科院应用光学国家重点实验室的资助和支持下，进行了利用光刻技术在大口 径凹球面玻璃基底上制作衍射光学元件的相关工作： 1 对激光直写光刻的曝光量分布和线宽控制进行了相关理论分析和实验。 中国科学院博士论文 2 ，瓤罐对线条端都数据进行税纯的方法解决了激光蠹写线条对接技术。 3 通过选择合适的涂胶参数，在凹透镜表面上进行了薄光刻胶胶层的均匀 涂布。 4 剥嗣激光壹写光刻技术在大口径陵透镜表露上制作衍燕壹光学元 睾。 5 采用两次曝光的方法在凹透镜表谣上厚光刻胶中制作衍射光学元件。 6 在凹透镜表面上制作出了用于凸非球面检测的曲面全息图。 最后给出了下一步的工 乍和该技术的发展前景。 曲面激光直接写入技术 本章小结 金刚石车削技术、软刻蚀技术和激光直接写入技术都具有在曲面上制作衍 射光学元件的能力。但是，金刚石车削技术只能在诸如铜、铝等较软的材料上 制作衍射光学元件，其制作材料有限，所以这些光学元件的应用有限，常用来 制作红外波段或者更长波段的光学元件；软刻蚀是基于光刻的原理先在平面上 制作欲在曲面上转移的图形，然后通过弹性印章把平面上的微细图形转移到曲 面上。由于弹性印章本身具有可变形，可伸缩的特性，所以在转移的过程中图 形与基底之间的对准精度基本上无法保证，所以这种技术只能制作图形与基底 无对准精度要求的光学元件，如球面上类似蝇眼的微透镜阵列。美国亚里桑那 大学光学中心进行了利用金属热氧化技术在曲面上制作衍射光学元件的相关 研究，其基本原理是利用热氧化原理在涂有金属铬的基底上直接写入图形。这 种技术的优点是避免了曲面上光刻胶的相关处理，但是，其最大的缺点是不能 产生矩形面形和三维浮雕结构，而且这种技术的写入效率非常低。本文的主 要工作是利用激光直接写入技术和光刻技术相结合在曲面玻璃基底制作三维 连续浮雕结构，同时还能保证图形和基底之间的对准精度。 中国科学院博士论文 第二章：激光直接写入原理 在投影光刻技术中，抗蚀剂中光强的相对分布和曝光量的相对分布是一致 的，所以在分析抗蚀剂中形成的线条面形时，不论用光强分布还是用曝光量分 布，最嚣褥到的线条嚣形是完全一致豹严j 。毽是，在激光矗接写入蔽术中， 抗蚀剂内光强的相对分布和曝光量的相对分布是不一致的。所以，在分祈抗蚀 剂内的线条面形时，如果用光强分布代替曝光量分布，将会带来误差。程本章， 讨论了胶震肉的光振幅分布，光亥胶j 重光强的吸收，基底的反射对胶屡内光强 分布的影响，给出了直角坐标和摄坐标下漾光量的诗算公式，讨论了光刻胶的 显影过程及其数学模型。 2 。t 激光直接写入系统 0 激光束 r 、物镜 、， 讼黼布 国抗蚀剂 e l _ 一 图2 1 激光查缓写入原理示意圈 f i g2 1t h es c h e m a t i co f t h el a s e rd i r e c tw r i t e 激光袁接写入豢瑗示予嚣2 ，1 中。扩束匿的激光束经物镜居，聚焦予涂在 基片上的抗蚀肃上，抗锨剂上焦斑所在彼露被曝光。当霉入焦斑和抗蚀剂在抗 蚀剂表面上作相对运动时，焦斑便在抗蚀剂上写入所需的图案。把抗蚀荆放在 1 9 曲面激光直接写入技术 显影液中显影，对于正性光致抗蚀剂，曝光区域将迅速溶解在显影液中，未曝 光区域的溶解速度较慢，利用它们的溶解速度差，可以在抗蚀剂上得到所需的 图案。对于负性光致抗蚀剂，情况正好相反，未曝光的区域溶解速度较快，曝 光区域溶解速度较慢。本文中不特别说明将指正性光致抗蚀剂。 图2 2 激光直接写入系统原理图 f i g 2 2t h es c h e m a t i co f t h el a s e rd i r e c tw r i t i n gs y s t e m 图2 2 为中科院长春光机所自行研制的激光直接写入系统原理示意图 ” 。它主要由机械系统、电控系统和光学系统组成。和国内外同类设备相比， 它的特点是实现了在同一设备上同时具有直角坐标和极坐标两种写入方式，而 且它还可以在曲面上制作衍射光学元件。 机械系统包括x 、y 、z 和w 四个运动轴，x 轴和y 轴、z 轴形成正交 的三维的直角坐标写入系统，x 轴和z 轴、w 轴形成了三维的极坐标写入系 统 6 。直角坐标的写入范围为2 0 0 m m x 2 0 0 m m 5 0 m m ，极坐标的写入范围为 4 4 0 0 m m 5 0 m m 。x 、y 、z 三轴的运动导轨为空气静压导轨，w 轴采用气浮 轴承，保证了四轴的运动精度。x 、y 、z 三轴采用精密丝杠作为传动方式， 采用步进电机作为驱动装置。 中国科学院博士论文 控制系统主要由主控计算机、d m c l 0 4 0 运动控制器、光栅尺位移检测系 统、光强调制系统组成。光栅尺位移检测系统和运动控制系统形成了对x 、y 、 z 、w 四轴的闭环控制。d a 数据转换卡、5 0 s a 声光调制器和机械光开关组 成了光强调制系统。主控计算机根据光学元件的加工数据控制x 、y 、z 、w 四轴协调运动和精确定位，同时配合光强调制系统完成对光学元件的加工。 光学系统主要由功率为1 5 0 m w ，五= 4 4 2 n m 的h e c d 激光器、5 0 s a 声光 调制器、平行光管、分束棱镜、光刻物镜组成。激光器输出束腰直径为1 5 m m 的激光束，经过声光调制器调制后，进入平行光管，整形后扩束为直径1 5 m m 的光束，经反射镜、棱镜、被引导至光刻物镜。平行光束经物镜汇聚后，形成 所需的写入焦斑。 激光直接写入系统的性能指标如下： 1 写入焦斑直径：1 , m ，2 u m ，5u m ，1 0 u m ； 2 x y z 三轴的重复定位精度：0 2 u r n ； 3 回转轴旋转速度：6 0 - - 3 0 0 r p m ； 2 2 胶层内的光振幅分布 从激光器发出的细光束经扩束后的光振幅分布为： u o ( r ) ：e x p ( ；) 0 6 在光刻物镜的焦平面上的光点振幅分布为 5 4 ： g ( ( 删= 型焉乒幽肚嗍n r d ( 2 m p rl 狲 式中： c o 。为高斯光束腰斑半径： ，为物镜焦距； n 为通光孔径半径； ( 2 1 ) ( 2 2 ) 曲面激光直接写入技术 p ，为焦平面上径向坐标； 从上式中可以得出，当通光孔径不变时，入射光束直径越大，对光束的截 断越严重，焦平面上的焦斑尺寸越小，越接近衍射极限的光点尺寸。焦斑直径 d 可以近似描述为： d ：丝卫( 2 3 ) 根据瑞利判据可以得到焦深的公式： d o f ：土尘( 2 4 ) n a 式中n a 为光刻物镜的数值孔径，q 和t ：为与工艺条件有关的参数，对于 平面波入射到矩形孔径k ，= k ：= o 5 ，圆形孔径k ，= k 2 = o 6 1 ，高斯光束圆形孔径 k 1 = k 2 并略大于o 6 1 ，a 为激光波长。 当不考虑光刻胶的吸收和基底反射对胶层内光强分布的影响时，入射到胶 层内的光振幅分布为： 眦) = 婴絮等衄胁巾x p 【一，万南m x p r ) r d r ( 2 - 5 ) 式中：p = 面芳面。占= 6 0 + i z ；岛为焦点到胶层上表面的距离，三为胶层 上表面到胶层内的观察点的深度，a 为通光孔径。 2 3 光刻胶对光强的吸收 入射光束在光刻胶中传播时，光强的变化服从l a m b e r t 定律 6 2 6 3 】： ，( ：) = ，o e 一。 ( 2 - 6 ) 式中：a 为光刻胶的吸收系数；i o 为：= o 处的光强。 吸收系数a 还可以表示为： a ：a m + b ( 2 - 7 ) a = ( 4 c a p ) c o ( 2 8 ) 中国科学院博士论文 b = 口a c r + d p c o m = 上 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 其中：a 。是光刻胶中光敏化合物的光吸收系数；卟是光敏化合物与光 反应后生成的化合物的光吸收系数；c o 为最初光敏化合物的浓度；c 为光敏化 合物曝光后与光反应后生成的化合物的浓度：c 。为光刻胶中不与光反应的物 质的浓度。 在曝光过程中村值将不断变化，可以表示为： m = e 一 ( 2 1 1 ) 式中二r 是曝光时间，c 是d i l l 参数。 当光刻胶充分曝光时，光刻胶中的光敏化合物不在发生反应和生成新的物 质，这时，胶层对光强的吸收趋于恒定。参数abc 可以从表2 1 中或厂家 的参考资料选取： 表2 - 1 光刻胶 爿bc 曝光波长 f s h i p l e y 0 8 50 0 40 ，0 1 6i l i n e a zo 5 6o 0 30 0 1 0 g - l i n e t o k i po 7 50 1 lo 0 1 6i 1 i n e a p e x 0 0 1o 3 6 0 0 1 2 2 4 8 2 4 基底反射对胶层内光强分布的影响 考虑图2 - 3 所示的情况，光入射到涂在基底上的光刻胶层内。首先在光刻 胶和空气的界面处，部分光e 。将被反射，其它的光e v 传播到胶层内。当传播 到胶层内的光到达光刻胶和基底的界面后，又有部分光e 。将再次发生反射， 其余的光e ：。继续传播到基底内。如果基底的反射率比较高，从基底反射回胶 曲面激光直接写入技术 层内的光能量比较多，将导致光刻胶层内的光强的剧烈变化，其主要原因是入 射光和基底的反射光将在光刻胶层内发生干涉。这种现象在光刻工艺中称为驻 波。 jl 且吣 f 1r 毋， 置，j 光刻胶厘 r 如，e 2 , r j 1r 基底 图2 3 基底反射模型 胶层和基底的界面处反射光的强度可以由下式计算 “，6 5 这里 一e l , r ：匦! ! 丝! 型：竺竺! ! ! 型 e l ，j 卜1 p l ，2 p 2 ，3e x p ( 一i 4 , , - , r n 2 d 2 ) j n l n i n 。i 焉 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 2 5 曝光量的计算r6 7 1 抗蚀剂最终形成的图案如何，与光学系统、抗蚀剂性质及其后处理工艺等 多种因素有关，但影响图案的最主要的因素是抗蚀剂中的曝光量分布 6 8 , 6 9 。 考虑图2 3 中所选取的抗蚀剂平面，曝光区域内y 轴上任意一点a ( 0 ，y ) ( y = r ) 的曝光过程可以看作，光强分布为1 ：p j 的激光束沿平行于抗蚀剂表面 的方向运动，抗蚀剂被曝光。，：j 可以由公式2 5 、2 - 6 和1 1 2 计算得出。 中国科学院博士论文 下面我们分析一下抗蚀剂内被曝光的区域各点曝光量的分布情况。选取抗 蚀剂内深度为z 处平行于抗蚀剂表面的一个平面，分析此平面上的所有点的曝 光量的分布，由此可以计算出整个抗蚀剂内所有点的曝光量分布。定义直角坐 标系如图2 4 所示。 图2 4 a ( o ，y ) 曝光过程 f i g 2 4t h ee x p o s u r ep r o c e s so fd o ta ( o ，y ) 当光斑以速度v 沿平行于x 轴的方向扫过a ( o ，y ) 点时，点a ( o ，y ) 的曝光过程相当于在时间t 内有一束光强为，：c o ) 的激光束对a ( o ，y ) 点 进行曝光，所以a ( 0 ，y ) 点的曝光量为： = n = 强( 厢渺 ( 2 1 4