（光学专业论文）曲面基底衍射光学元件加工工艺研究.pdf

摘要 曲面基底上衍射元件的加工 研究生部康福增 导师卢振武 摘要 本文根据衍射元件在光学系统中的特殊应用，利用本实验室的实验条件， 进行了平凸型折衍混合透镜的制作研究。在制作过程中分析和研究了几何成像和 利用衍射进行对准的两类方法。最后采用几何成像的方法，实现了偏心误差小于 1 0 u m 的对准，完成了1 6 台阶的平凸型衍射器件的加工工作。本文同时分析了衍 射器件轴外点成像时候衍射效率随着入射角变化的变化情况。分析的过程中我们 采用了相对简单的标量衍射的方法，得出了如何改进衍射效率的方法。 第一部分文章主要是通过总结衍射光学器件制作工艺的发展，得出了衍射 器件的发展的方向。我们发现衍射器件向亚微米发展是一种必然的趋势，而发展 的进程很大程度上取决于光机电的联合发展状况。 第二部分文章在介绍菲涅耳透镜设计原理和衍射效率计算的基础上，重点 分析了存在各种加工误差时候的衍射效率的计算情况。通过模拟分析得出了存在 刻蚀深度误差、对准误差以及工作波长误差的时候衍射效率的变化情况和相关的 计算方法。同时，文章采用了标量衍射方法，通过两种不同的途径，计算了衍射 器件的轴外点衍射效率。 第三部分实验加工。文章主要是通过比较两种不同的对心方法，完成了平 凸型衍射器件的加工。加工过程中，采用的是几何成像的对心方法( 精度为 lo u m ) ，然后采用离子束刻蚀完成图形转移。 关键词：衍射光学；加工制作；对心 曲面基底上衍射元件的加工 t h ef a b r i c a t i o no f t h ed i f f r a c t i v eo p t i c sw i t has p h e r i c a ls u r f a c e m a s t e rd e p a r t m e n t k a n gf u z e n g d i r e c t e db yl uz b e n - w u a b s t r a c t i nt h i sa r t i c l e ih a v er e s e a r c h e dt h ef a b r i c a t i o no ft h ed i f f r a c t i v ee l e m e n t sw i t ha s p h e r i c a ls u r f a c e a n dih a v er e s e a r c h e dt h et w om e t h o do fa l i g n m e n t - - t h ei m a g i n g m e t h o da n dt h ed i f f r a c t i v em e t h o d a n dw i t ht h ei m a g i a gm e t h o d ，w ef a b r i c a t e da 1 6 s t e dd i f h a c t i v ee l e m e n tw i t has p h e r i c a ls u r f a c ew h o s ea l i g n m e n ti sb e l o w l o u m a n dih a v ea n a l y s e d 也er e l m i o nb e t w e e nt h ed i f f r a c t i v ee f f i c i e n c ya n dt h e a n g l eo ft h ei n c i d e n tl i g h t if i n dt h a tt h ed i 衢a c t i v ee 衢c i e n c yi n c r e a s e sw h e nt h e p e r i o do f t h ed i f i r a c t i v ee l e m e n ti sd e c r e a s e da tac o n s t a n ta n g l eo f t h ei n c i d e n tl i g h t i nt h ef i r s tc h a p t e r t h r o u g ht h ea n a l y s eo ft h ed e v e l o p m e n to ft h ed i f f r a c t i v e e l e m e n t s w ef i n dt h ef u t u r ew a yo ft h ed i f i r a c t i v ee l e m e n t s t h ed i m e n s i o no ft h e d i f i r a c t i v ee l e m e n t s p e r i o dw o u l db eb e l o wm i c r o na n dt h a ti s d e p e n d e do nt h e d e v e l o p m e n to f t h ee l e c t r o n i ca n dt h eo p t i c sa n dt h em e c h a n i c s i nt h es e c o n dc h a p t e r , ic a l c u l a t et h ed i f f r a c t i r ee f f i c i e n c yw h e nt h e r ea r e a l i g n m e n te r r o r , d e p t he r r o ro ft h es t e pa n dt h ew o r kw a e l e n 昏he r r o r , b a s e do nt h e t h e o r yo f t h ef r e s n e ll e n s i nt h et h i r dc h a p t e r , iu s et h es c a l a rt h e o r yt oa n s l y s et h ed i f f r a c t i v ee f f i c i e n c y w h e nt h ei n c i d e n ta n g l ei sn o tz e r o i nt h ef o r t hc h a p t e r , t h ea r t i c l es h o w st h ew o r ko f t h ed i f f r a c t i v ee l e m e n t s f a b r i c a t i o n k e y w o r d s ：d i f f r a c t i v eo p t i c s ；f a b r i c a t i o no ft h ed i f f r a c t i v ee l e m e n t s ；a l i g n m e n t 未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电 子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何 形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用 ( 但纯学术性使用不在此限) 。否则，应承担侵权的法律责任。 学位论文知识产权权属声明 本人郑重声明：所呈交学位论文，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。知识产权归属中国科学院长春光学 精密机械与物理研究所。长春光学精密机械与物理研究所享有以任何 方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离所后 发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名 单位仍然为长春光学精密机械与物理研究所。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 日期：年月日 导师签名： 日期：年月日 第一章引言 第一章引言 1 1 衍射光学发展的概况 基于折反射原理的传统光学元件大多数是以机械的铣、磨、抛光等方法来 制作，不仅制造工艺复杂，而且元件的体积较大。在当前仪器走向光、机、电一 体化的趋势中，它们已显得极不匹配。研制小型、高效、阵列化光学元件已是光 学界刻不容缓的任务i ”。 8 0 年代中期，由于计算机辅助设计、超大规模集成电路光刻和干法刻蚀 工艺及衍射元件的数学建模三方面工作取得很大进展，人们对衍射光学产生浓厚 的兴趣。在j a s p e r l u p o d e 倡议下，d a r p a ( 美国国防部领先科研项目处) 启动 个称为二元光学的计划。目的是在成熟的大规模集成电路技术基础上，联合各 实验室、大学和工业团体，广泛开展衍射光学技术的研究。同时，美国麻省理工 学院林肯实验室威尔得坎普领导的研究小组在设计新型传感系统中，为了提高激 光雷达的探测效率，首次利用v l s i 技术制作出具有两个台阶的位相光栅，这是 二元光学的开端1 3 刮。衍射光学元件是基于光的衍射原理发展起来的一种新型光 学元件，具有许多卓越的、传统光学元件难以具备的功能。它可应用于常规光学 系统，校正光学系统象差，减小系统的体积，实现轻量化。从而有利于促进光学 系统实现微型化、阵列化和集成化，开辟了光学领域的新视野。其应用广泛，潜 藏着巨大的经济效益。因此，迅速地受到学术界和工业界的青睐，在国际上掀起 股衍射光学的研究热潮p 。) 。 自八十年代中期以来，西方主要的发达国家如美国、英国、法国、德国、 日本、瑞士及俄罗斯等国均投入大量资金对衍射光学元件【7j ( d i 仃r a c t i v eo p t i c a l e l e m e n t ，简称d o e ) 的设计和制作技术进行了广泛的研究，并取得一些可喜的成 果，已有少量产品面世。其中比较重要的研究成果包括【l j ：b e l l c o r e 公司研制成 功微透镜阵列，应用于光学层析处理、光计算、激光扫描和激光光束象面修正： 美国休斯公司将衍射光学元件应用于红外瞄准器中，使系统元件数目减少4 0 ， 系统变轻、成象质量提高并降低了成本。美国柯达公司使用复制手段，大批量地 生产衍射光学元件：p e r k e l e r 公司研制k i n o f o r m 型衍射光学元件作为校正板的 施密特望远镜系统【8 1 ；德国的爱尔根( e r l a n g e n ) 大学研究制作衍射光学元件的 各种工艺方法；俄罗斯西伯利亚电工研究所，已经研制成功氦镉激光直写机床， 制作了各种相息图及衍射光学元件。瑞士、日本等国的一些高校与研究所也相继 开展这一领域的工作。同时，各国之间也合作进行这方面的研究。美国和俄罗斯 科学家于1 9 9 3 年联合研制的用于提高空间太阳能电池转换效率的衍射光学元 件，可使转换效率增3 n n4 1 【9 l 。此外，美国j p l 喷气动力实验室和布朗、杜邦 等公司都有衍射光学研究成果及产品。 在国内，中国科学院物理所、等离子体物理所、微电子研究中心、长春光机 所、光电技术所以及中国科技大学、清华大学、南京大学等研究所和高校均开展 了这方面的研究工作。这些研究主要集中在三个领域：衍射光学元件的理论分析、 曲面基底上衍射元件的加：i ： 设计与制作；激光束或电子束直写技术及高分辨率刻蚀技术；衍射光学元件在国 防、工业及消费领域的应用。其中衍射光学元件的设计、掩模技术、刻蚀技术是 核心技术。 自八十年代末期以来，国内在投资较少的情况下开展衍射光学元件的设计、 制作及应用方面的工作并取得些可喜的研究成果。中科院物理所的顾本源和杨 国桢深入研究光学普遍变换和振幅一相位恢复理论，建立了杨一顾算法，用于若干 衍射光学元件的设计，并完成光束分波传输和聚焦衍射元件的制作和测试；长春 光机所使用薄膜沉积法和离子束刻蚀法制作衍射光学元件并研制成功折衍混合 小型c c d 相机。同时，在中科院的资助下，研制成功激光直写设备，填补国内 空白；中国科技大学将衍射光学元件应用于高功率激光惯性约束核聚变靶面均匀 照明并进行相应的实验工作；成都光电所在大数值孔径衍射光学元件的设计和制 作方面作了许多工作，在菲涅耳透镜的优化设计中采用位相匹配思想，解决了设 计和工艺加工之间的矛盾并成功制作菲涅耳透镜阵列；清华大学探讨衍射光学元 件在半导体激光准直中的应用前景，研制一种二元光学式半导体激光器消像散准 直器件，设计大数值孔径及焦距可调的菲涅耳透镜两种新型器件；浙江大学开展 激光直写技术的研究工作，对光刻胶的曝光显影特性进行详细研究，进行激光直 写实验得到初步实验结果。同时，浙江大学还开展了衍射光学元件在光通信密集 波分复用系统中的应用研究，研制成功8 通道分立式光栅型密集多载波波分复用 器，降低了对光源波长选择和控制的要求：北京邮电大学开展了衍射光学在光互 连领域的应用研究，采用衍射光学实现两种p s 置换比传统的p s 变换系统有 了重要改善，具有较好的应用前景。总体说来，国内衍射光学研究水平尤其是制 作技术水平同国外的差距较大。差距主要表现在：国内衍射光学的研究工作还仅 局限在实验室，没有实现商品化。对直接写入技术还没进行过实用性研究。 总之，衍射光学作为最具有活力和发展潜力的前沿学科之一，在研究层次 上将不断深入。从仅能制造和常规光学系统相匹配的衍射光学元件技术到目前的 集成阵列技术，以至到将来的微型光机电集成一体化技术，其应用范围将不断拓 宽。 1 2 衍射元件的制作技术【1 o 】 带有闪耀结构的衍射光学元件理论上有1 0 0 的衍射效率，但制作起来比较困 难。最近几年，在大规模集成电路加工工艺的基础上，光刻技术和干法刻蚀技术 日趋成熟，可以采用离散的台阶化表面近似代替理想闪耀结构的二元光学方法制 作衍射光学元件。 第一章引言 1 2 1 传统机械方法 1 刻划衍射光栅 直到现在，衍射光栅仍是应用范围最广的衍射元件。由于大多数刻划机要求 较高的制作和控制精度，光栅的制作对于机械和机械控制工程是个很大的挑战。 闪耀平面光栅的制作首先被w o o d 在1 9 1 0 年完成。常数间隔、相同刻面角的平 面光栅可通过金刚石车床来加工。金刚石车床不适合加工凹面光栅且限制凹面光 栅工作的数值孔径，这导致多层光栅的发展1 。 2 单点金刚石车削 单点金刚石车削早已被用来制作如平面、非球面等光学表面。这种方法也 被用于衍射光学元件的制作2 ”j 。在制作过程中，孔径、刻面角和凹槽的宽度 都是可变的。所以要求较高的控制精度。由于加工表面有凹坑，光发生散射。这 种缺陷限制这种技术只能应用在红外波段。现在，通过研究溶胶收缩，减少车削 痕迹的影响或使用半径小到几个微米的磨头，单点金刚石车削可应用于可见光波 段”】。单点金刚石车床的使用受材料的可塑性、刻面角及线性限制。尽管有 这些限制，对于些特殊的衍射光学元件，仍可得到9 9 的衍射效率【l “。 3 金刚石切入磨削 金刚石切入磨削与光栅刻划相似，它使用刀具代替磨头克服了车削痕迹问 题。尽管用来切入磨削的金刚石车床比单点金刚石车床容易磨损，但在合适的材 料上，使用这种方法可以得到闪耀表面光滑的理想闪耀结构。典型的金刚石车床 是可旋转的，可以得到较多的刻面。在切入磨削中使用车床的相对面切削凹槽的 相对面比较方便，性能好的车床，凹槽的尺寸可以小到几个微米。这种方法在车 床允许误差和图形对称方面存在缺陷，在一定程度上限制三角形和梯形凹槽闪耀 结构的制作。f u t h e y 和f l e m i n g 已经得到衍射效率达9 4 的大环带衍射元件 i o j 。 1 2 2 干涉技术 1 标准波 用干涉方法来制作衍射结构，已经有一个多世纪的历史了。早在1 8 7 5 年， c o m u 拍摄牛顿环产生环带平面。较近一些，1 9 6 8 年，s h e r i d a n 记录标准波在 光刻胶上生成闪耀全息图【1 7 l 。h u t l e y 改进这种技术来制作有分光镜性能的光栅 【1 8 l 。曝光时在抗蚀剂表面产生交替的可溶或不可溶的薄层。在显影之后，由不溶 层确定轮廓的形状。此外，我们能够应用这种技术制作波带片。为了得到较高的 衍射效率，可以通过反应离子刻蚀把这种结构转移到基底上。 这种方法的缺点是刻面间隔受入射波长限制，优点是可以制作具有大面积 ( 超过1 0 0 m m 1 0 0 m m ) 、大数值孔径及良好分光特性的精细元件。 曲面基底上衍射元件的加： 2 傅立叶合成 两光束干涉条纹的振幅具有正弦曲线分布。通过具有适当振幅和位相的正 弦图形傅立叶级数的叠加可以产生任何光强分布。这种方法已经用于平面光栅的 制作，并得到较好的结果i 1 9 l 。这种技术只局限在平面光栅的制作。 3 多光束干涉法 使用多光束干涉可以得到正弦图形之外的其他强度分布。例如，通过精心选 择法布里- 玻罗干涉仪中反射镜的反射比和位相变化，能够产生近似锯齿形的条 纹，直接记录到光刻胶或照相底版上，通过显影和定影产生闪耀波带片1 1 。另一 种方法研究高精度法布里玻罗干涉仪中的对称透射条纹。这种条纹可以认为是 d e l t a 函数，它有与菲涅耳波带近似相同的光谱分布。如果条纹被记录到光刻胶 上，通过扫描平面图形按一定的周期展开，控制曝光可得到锯齿形分布。使用这 种方法，已经得到具有较好的锯齿轮廓及高达8 0 衍射效率的可见波段的透射波 带片叫。 1 2 3 二元光学方法 衍射光学元件可分为二元光学元件和连续浮雕位相衍射光学元件两大类。二 元光学元件的制作是通过微电子加工工艺中的光束或电子柬制版技术及光刻技 术，将计算机设计的图案转移到感光材料料上，再通过镀膜或刻蚀技术，将感光 层上的图案转移到片基上，从而最终形成深度为亚微米量级的表面结构，如图 1 1 ( a ) 所示川。 二元光学元件的制作方法是发展最早、最成熟，也是当前最常用的一种方法。 最早的二元光学制作工艺是使用图形发生器和v l s l 技术制作二阶相位型衍射光 学元件。到8 0 年代后期，随着高分辨率掩模版制作技术的发展( 如电子束制版 分辨率可达到o 1 m 1 ) ，掩模套刻、对准精度的提高，可以制作多阶位相二元光学 元件，大大提高了衍射效率。使用这种方法已得到衍射效率高达9 7 的3 2 阶菲 涅耳透镜【2 0 1 。 二元光学元件制作方法需多次重复掩模图形转印和刻蚀过程，加工环节多、 周期长、成本高且对准精度难以控制。为了得到较高的衍射效率，需使用电子束 光刻或激光直写等昂贵设备制作一套( 多级) 高精度掩模。刻蚀时，需进行套刻。 在套刻过程中，前后两块掩模对准精度必须很高，需达亚微米量级，否则，衍射 光学元件的衍射效率将减少。此外，用台阶轮廓近似代替连续浮雕轮廓，本身就 有一定误差。要想减少这种相位离散误差，必须增加台阶数目。但随着台阶数目 的增加，图形线条变细，对准精度要求更高，加工更困难。实际制作的光学元件 往往不能获得较高的衍射效率。致使这种技术的发展受到一定限制。 第一章引言 由于使用二元光学元件制作方法制作衍射光学元件存在成本高、制作周期 长、不易批量生产的弊病，近年来，研究人员探索一些低成本、短周期的衍射光 学元件制作方法。这些方法包括激光直写、电子束直写、脉冲宽度调制、二元编 码及使用彩色打印机制作位相全息图等方法。使用这些方法可以在抗蚀剂上产生 具有理想轮廓的表面。这些方法可以分为直写技术和灰度掩模技术两大类。 1 2 4 直写技术“2 ” 使用二元光学方法只能得到离散的台阶化表面浮雕结构，连续浮雕位相衍射 光学元件则是采用直写技术及灰度掩模技术来获得。直写技术是一种新兴的衍射 光学元件加工方法，主要包括激光直写和电子束直写两种方法。此外，整形光束 光刻、准分子激光加工也属于直写技术。直写技术利用可变曝光剂量的激光束或 电子束直接对涂在基片表面的抗蚀剂曝光，将光学元件轮廓分布用曝光剂量的大 小表示出来，再用该剂量的激光束或电子束对基片逐点曝光，显影和刻蚀后得到 设计的连续表面轮廓。如图1 1 ( b ) 所示。因其省去掩模制作工作一次成形且具有 制作连续表面结构的功能，器件的衍射效率和制作精度较台阶形器件有较大提 高。直写技术适合制作三维结构，通常有两种方法：一是通过改变光刻胶表面的 曝光强度或曝光时间，d o e 信息被写入附着在基底上的光刻胶层，在写入和显 影之后，形成一定的表面轮廓。通过模压或铸造等方法复制d o e 到聚合物上； 还有一种是在写入和显影后直接利用离子束刻蚀得到所需的d o e 。通过复制方 法可以进行低成本、大批量生产，但元件的稳定性不是很好，且d o e 的材料受 模压材料的限制，d o e 的衍射效率不高。通过离子束刻蚀可以把光刻胶表面的 轮廓转移到基底上，这样得到的d o e 不受复制材料的影响且衍射效率较高。 目前常用的电子束和激光束两种直写技术中，电子束方法制作精度较高，适 于加工最小线宽小于0 5 u m 的器件。激光直写方法多用于最小线宽大于0 5 u m 的 器件制作。电子束直写与激光直写的最大优点是工件定位后可一次写出多相位阶 数或连续相位的衍射光学元件，而避免每次掩模套刻后要进行一次刻蚀，再进行 精确复位，套刻次数越多越易丧失共轴精度的缺点。使用直写技术制作器件最大 的问题是不能精确控制轮廓深度。加工轮廓深度与曝光强度、扫描速度、抗蚀剂 材料、显影液配方和温度状态以及显影时问等多种因素有关，任何个因素的改 变都会引起轮廓深度误差。目前只能依赖于操作人员的经验和恒定的工作条件 。 直写技术一是需要复杂且极为昂贵的设备( 如激光直写系统、电子束曝光系 统等) ，且其单片曝光时问极长，一般为数十小时，只适合高精度单件生产，不 易进行批量生产：二是没有适宜的记录材料及与之配套的显影工艺，银盐漂白片 的噪声较大，保存期短且衍射效率不高，光致抗蚀剂的线性动态范围小且灵敏度 较低。因此，有关技术的发展受到极大的限制。 曲面基底上衍射元件的加：l 整形光束光刻方法比较适合制作圆对称的简单元件。在三角形光源下通过光 敏材料的旋转来制作闪耀圆环锯齿f 2 ”。在一个锯齿被曝光后，投影系统快速移动， 成象的宽度被调整。下一个环带被曝光。这种方法的优点是光学投影系统工作在 轴上相对小的范围内。缺点是由于环带变窄，光源的能量减少，曝光时间变长， 制作大口径和高数值孔径的元件比较困难。 对于普通的衍射光学元件，还可以使用准分子激光设备来制作【2 ”。写入过 程一般很快，资金消耗相对较低。使用二元掩模精确地控制准分子激光的能量， 可得到所需任意表面轮廓。此外，灰度掩模也能够用来控制准分子激光的能量。 使用准分子直写方法已经得到衍射效率大于7 0 的光栅和衍射效率9 2 的8 阶 衍射微透镜【2 5 1 。 1 2 5 灰度掩模法阱3 4 1 灰度掩模是种光掩模，与二元掩模不同之处在于：灰度掩模在掩模平面不 同位置提供可变的透过率，单一灰度掩模可以含有一组二元掩模的位相信息，在 经过一次光刻和刻蚀后得到所需要的d o e 。这种方法目前正处在探索阶段，具有 成本低、周期短、方法简便、无对准误差等优点，但有待于提高加工精度。灰度 掩模根据制作设备及原理可分为直写灰度掩模、模拟次度掩模及其他灰度掩模。 直写灰度掩模指用激光直写设备或电子束直写设备制作的灰度掩模。利用 激光直写设备或电子束直写设备制作灰度掩模的工作开展的比较活跃。迈阿密大 学电子及计算机工程系的m i c h a e lr w a n g 和h e n gs u 2 6 1 利用激光直写设备在 h e b s g ( 高能离子束敏感玻璃) 上制作灰度掩模，使用稀释氢氟酸直接刻蚀灰 度掩模平面，由于不同的灰度决定玻璃掩模表面的不同刻蚀速率，刻蚀后对掩模 进行低温漂白产生透明的位相调制，由此得到所需的表面浮雕轮廓。使用这种方 法已经得到1 6 阶衍射微透镜和衍射效率高达9 4 的3 3 透镜阵列。这种技术保 证灰度掩模及微透镜的稳定性，与光致抗蚀剂和聚合物相比，离子交换掩模层也 保证了均匀性。尽管一步直接刻蚀受h e b s g 基底限制，但这种玻璃出色的透过 率特性允许制作可见及某些红外波段的d o e 。 俄罗斯新西伯利亚大学的v l a d i s l a vg n i k i t i n 等人| 2 ”提出一种制作具有较 大位相浮雕轮廓的多级d o e 方法，它是建立在连续狄度掩模的基础上。这种掩 模可以用激光直写设备在非晶硅薄膜上制作。它具有高硬度、允许多次接触光刻。 用这种掩模制作的衍射光学元件非常有前途，它不需要液体显影，掩模制作比较 容易实现。这种方法的缺点是在衍射环带之间由于光掩模环带边缘的散射和衍 射，产生杂散光。这可以把光刻胶涂在连续灰度光掩模表面，从光掩模的基底一 侧曝光来减小这种影响。 加利福尼亚大学电子与计算机工程系的w a l t e rd a s c t m e r ，p i nl o n g 等人驯 使用电子束直写设备，在h e b s g 上制作灰度掩模，然后利用传统的光学曝光工 第一章引言 具，把灰度掩模图形复制到光刻胶上。这种灰度掩模可以多次使用，在光刻胶上 产生许多含有所需轮廓位相信息的拷贝。再通过显影、c a i b e ( 化学辅助离子束 刻蚀) 转移到基底上。使用这种方法已经制作出2 2 球面透镜阵列和1 0 1 0 球 面阵列。其中，2 2 球面阵列的衍射效率达9 4 ，可以和用直写法制作的透镜 阵列相比。 此外，德国应用物理研究所的e b k l e y ，e t h o m a 等人【2 9 1 使用电子束直写设 备在h e b s g 表面制作灰度掩模，然后通过接触光刻来制作深位相轮廓的d o e ， 使用这种方法已经制作出总深度分别为1 0 “m 和1 3um 的透镜阵列。 模拟狄度掩模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，形成的准灰度掩模。有两种方法可 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微系统研究室的 k r e i m e r ，h j q u e n z e r 等人口u j 发明一种成本低廉的一步光刻法。这种模拟灰度 掩模方法在常规的光学曝光装置中使用网板光掩模( r a s t e r - s c r e e n e dp h o t o m a s k ) ， 调节方孔的大小，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。这种模拟灰度掩模方法是建立在传统的铬网线图形 和光刻工艺常规设备和材料的基础上，与其他方法相比，这种模拟灰度掩模方法 比较简单和实用，不受任何特殊表面形状的限制。使用这种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d o n a l dco s h e aw i l l i e 和s r c k w a r d l 3 1 1 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， 产生一个高调制透过率轮廓。这种模拟灰度掩模方法的制约因素是：浓淡点图的 频率、光致抗蚀剂的最大厚度及图形的渐变厚度。使用这种方法已经得到闪耀光 栅和透镜阵列。闪耀光栅的衍射效率已达7 1 ，将来，可以通过增加浓淡点图空 间频率和使用具有高性能成像透镜的精缩机来提高d o e 的衍射效率。 除上述两种灰度掩模方法外，还有一些其他灰度掩模方法。美国佐治亚工 业技术研究所的t h o m a sj s u l e s k i 和d o n a l dc o s h e a ”j 利用桌面排版系统和 m a t h m a t i c af i l e e h a n d 软件设计次度掩模图形并制成幻灯片。然后再精 缩到黑白胶片中形成灰度掩模，再经过光刻、刻蚀，在抗蚀剂材料上形成多台阶 或连续变化的浮雕轮廓。该方法一次成形，价格低廉且无对准误差，是一种有前 途的二元光学器件制作方法。使用这种方法己得到衍射效率8 5 的闪耀光栅。限 制元件衍射效率的因素是相邻周期之间的侧壁倾斜现象，这可以使用高性能的精 缩机来改进。 美国麻省理工学院电子工程和计算机系的v e s h r a u g e r 等人i j 剐用另外一种 方法制作变灰度掩模版。他们用高分辨率彩色打印机( 3 0 0 d p i ) 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、黄和白八神色彩的 图案，每种颜色代表一个灰度。将彩色透明片的图形转印到黑白胶片上，即可形 曲面基底上衍射元件的) j n _ q 2 成8 灰阶掩模图形，但分辨率较低。采用精缩转印( 一般缩小3 0 倍) 才能满足 微光学器件分辨率的需要。器件的相位轮廓台阶直接受到打印机彩色等级限制， 欲再增加台阶数必需制作另一块掩模版进行套刻。 美国加利福尼亚大学电子与计算机工程系的w a i t e rd a s c h n e r ，p i nl o n g 等人 3 4 1 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，与标准的二元光学制作方法相同，必需使用二元振幅掩模，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n ) k 阶灰度掩模。使用这种方法己制成菲涅耳透镜，但这种灰度掩 模制作比较复杂、成本较高，不能被大多数人接受。 1 2 6 衍射元件加工方法的发展前景 根据不同的需要，可以使用几种不同的方法制作闪耀衍射元件。我们已经介 绍了几种方法并说明各自的优缺点。表1 l 给出使用这些制作方法制作元件的性 能数据。 缩短衍射光学元件的生产周期，降低生产成本，制作带有复杂的连续轮廓 表面的衍射光学元件是今后的发展方向。在微光学、微机械和微电子领域，制作 带有一定表面轮廓的三维微结构成为人们比较感兴趣的课题。近年来，这种结构 被广泛使用在光学，尤其是衍射光学中。为了得到特殊的表面及一定的机械稳定 性，要求光学元件具有复杂的轮廓和几何外形。般的微机械技术把表面刻蚀作 为关键技术，不能进行三维结构的制作。特殊的微机械技术也仅能提供种受限 的三维结构的制作可能性。常规的二元光学元件加工方法虽然也能够制作三维浮 雕结构，但只能制作台阶浮雕轮廓，不能制作任意连续浮雕轮廓，且元件加工周 期长、成本高、刻蚀深度不大。直写技术适合制作这种三维结构，但需要昂贵的 设备，制作成本较高，且只适合高精度单件生产。即使采用复制技术，元件的材 料、稳定性和效率也受限制，这种方法不利于广泛推广。 灰度掩模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、成本较低，没有对准误差，且抗蚀剂处理与掩模 制作无关。使用这种方法制作的d o e ，缩短了生产周期、降低了生产成本，并 且不需要复制技术就可以大量生产d o e 。 在上述的灰度掩模中，使用光刻胶产生灰度层的掩模对于高质量和大体积 的d o e 生产是受限的，因为这种掩模的精度较低、线边缘比较粗糙并且不允许 掩模进行清洗。模拟灰度掩模，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，限制元件的精度。通过不同厚度的光吸收材料的蒸发产生灰度层 允许制作高精度的灰度掩模，但这种研究的缺点是掩模制作的价格较高，且要求 多次直写和蒸发过程，对于大多数应用来说，这种方法不容易实现。 第一章引言 比较起来，h e b s g 灰度掩模法是一种非常经济且实用的d o e 制作方法。 用这种方法制作的d o e 衍射效率比较高，并且不需要复制即可利用一片掩模在 投影系统上多次曝光，在光刻胶上产生数百片d o e 。这种d o e 可以进行复制或 离子束刻蚀把光刻胶表面的轮廓结构转移到其他材料或基底上。与其他方法相 比，这种方法提供的灰度掩模和表面刻蚀微透镜有出色的稳定性和均匀性，尽管 一步直接刻蚀技术受h e b s g 基底限制，但该玻璃出色的透过率特性允许使用这 种方法制作可见光及红外波段的微透镜并可进行复制和一步刻蚀。 表l 不同加工方法制作的衍射光学元件特性。5 。 t a b l e1 1p e r f o r m a n c eo f d i f f r a c t i v eo p t i c a le l e m e n t sf a b r i c a t e db yd i f f e r e n tm e t h o d s 方法作者，日期设计波长脒最小特征相对效率备注 ( n m ) 尺寸( p 1 3 3 ) ( ) 相息图 ( 原始方法) 单点金刚 石车削 单点金刚 石车削 溶胶复制 金刚石车削 金刚石 磨削 激光直写 电子束写入 灰度光刻 浓淡点图 灰度光刻 载片成象 激光直写 灰度掩模 电子束直写 灰度掩模 电子束直写 灰度掩模 滤波网板 l e s e m 等， 1 0 - - 7 56 4 6 4 阵 1 9 6 9 列发生器 c l a r k 等， 6 3 3f 22 6) 7 0 1 9 8 9 b l o u g h 等5 5 8 5 f 5 0 l l59 8 复消色差 1 9 9 5 b e m a c k i 等， 337 8 5 1 9 9 5 f u t h e y 等， 6 3 3 f 4 5 08 0超环带 1 9 9 2设计 g a l e 等，6 3 3 f 27 0 1 9 9 4 ekberg等，4 6 8 光栅 1 9 9 4 o s h e a 等 1 0 07 0 光栅 1 9 9 5 s u l e s k i 等， 1 2 78 4 光栅 1 9 9 5 m i c h a e 等2 9 4 球面透镜 1 9 9 8阵列 w a l t e r 等， 5 0 09 4 球面透镜 1 9 9 7阵列 e b k l e y 等， 1 0 0 凹、凸面 1 9 9 7透镜阵列 k r e i m e r 等， 3 2光栅、棱镜 1 9 9 7 菲涅耳透镜 f 曲面基底上衍射元件的加工 高效率、低成本和加工周期短是每一种新加工技术的目的。尽管在比较各种 制作方法时引用衍射效率这个指标，但这些结果对应于不同的加工条件。所以， 这些数据需小心使用。为确定最好的方法，在比较过程中，应综合考虑设计波长、 删、最小特征尺寸和其他与应用相关的参数。值得我们注意的是：不同加工方法 在不同应用领域都有各自的优点。在选择正确的衍射光学元件制作技术时，必需 分析每一种方法的可行性和局限性。选择最适当的加工方法制作满足实际需求的 衍射光学元件。 1 3 衍射光学的发展前景 衍射光学元件现已应用于光束合成、光束分离、光学扫描、光学快门等许 多领域。衍射光学的发展不仅使光学系统的设计和光学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、微电子学和微机械相结合的集成技术和 高性能的集成系统。今后衍射光学元件的研究将可能在以下两个方面发展。 1 进- 步完善和发展衍射光学元件的计算机辅助设计软件。随着工艺水平的提 高，制作具有亚波长结构的衍射光学元件| l 。6 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，衍射光学 元件的设计仍缺乏象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。将衍射光学元件的设计与传统的光学设计 软件相结合，促进衍射光学元件在各领域的广泛应用，具有重要意义。 亚波长结构衍射光学元件是指特征尺寸小于波长的元件，其反射率、透射率、 偏振特性和光谱特性等都与常规衍射光学元件截然不同，因而具有许多独特的应 用潜力。目前，这方面的研究重点集中在：建立正确和有效的理论模型设计超精 细结构衍射元件；发展衍射光学元件的制作工艺，制作并应用亚波长结构衍射元 件，推动微光学的发展。 2 微型光机电集成系统是衍射光学研究的总趋势 目前，国外正在大力发展的微米级和纳米级制造技术主要包括微电子学、 微机械学和微光学这三个相互关联相互促进的学科，是发展新一代计算机、先进 机器人及智能化系统，促进机械、电子及仪器仪表工业实现集成化、微型化的核 心技术。 衍射光学技术是发展微光学的重要支柱，衍射光学元件有可能直接刻蚀在 集成电路芯片上，并在块芯片上布置微光学阵列，甚至完全集成化的光电处理 单元，这将导致包含各种全新的超密集传感系统的产生。 与微光学发展的同时，研究人员也发展微电机技术。这种技术建立在微机 械技术的基础上，它使用三维集成电路工艺。微机械有可能改善探测器及推动装 第一章引言 置的性能价格比。它可以应用到军事、工业及消费品市场。m e m 技术在车床、 机器人、微探测器、微电子管、流量控制、射频开关、全球定位系统元件小型化 及工业、生物工艺学中的探测器、推动装最主机上得到广泛应用。 结合微光学、微电子学和微机械学产生一种新的、应用广泛的微光电机 技术( m o e m ) ，它在商用设备如扭镜、激光扫描、光学快门及动态微镜显示等 领域有很大吸引力。m o e m 技术的两种组成技术具有大批量生产及复制的潜力。 这种技术已在激光雷达、光学通讯系统中的激光光束扫描仪中得到应用。m o e m 技术的应用使扫描仪的体积减小两个量级。 无论如何，为了更广泛地应用衍射光学元件，我们必须积极进行光学范围之 外的应用研究。例如，医学领域的眼科手术设备、内窥镜光学元件及外科手术器 材。在大数据存储、恢复、印刷、光盘读写头、激光打印机和光学存储设备等领 域，衍射光学元件都有广泛的应用前景。衍射光学元件最有潜力的市场是在娱乐 领域，微光学将被用在大屏幕显示、h d t v 、人工再现、三维成像等方面。衍射 光学技术要求大量的技术储备，需要高清洁度的清洁室、光刻设备、高真空刻蚀、 电子束写入、显微镜等，这需要较大的投资。所以，必须提高这种技术的应用价 值，必须突破限制这种技术发展的亚微米光刻和非均匀刻蚀等关键技术，必须把 光学和大规模集成电路、神经网络、非线性材料、激光和其他技术相结合，必须 和其他学科在信息处理、生物学、医学、数据存储和显示等领域进行合作。 1 4 本文主要的研究内容 本文主要工作内容包括两个部分：研究了菲涅耳透镜轴外点衍射效率的随 入射角的变化情况，同时依据研究的成果提出了改善轴外点衍射效率的途径和方 案：加工制作了平凸形的菲涅耳透镜。 对于衍射器件的衍射效率理论，有标量理论和矢量理论两种。对于轴上点 的( 同时器件的特征尺寸远大于使用波长) 计算一般采用前种；而轴外点的衍射 效率的计算，主要是利用矢量的方法处理。由于矢量法计算相对复杂，所以对实 际器件的衍射效率的计算多是只计算轴上点衍射效率。本文，通过近似的估计采 用两种不同的途径，对轴外点衍射效率利用标量方法进行了计算。方法一是在入 射角度不大的情况下，用各个台阶的中一t l , 位相代替整个台阶位相，将位相的改变 按照刻蚀深度误差来处理。方法二是对于由于入射角度倾斜造成的倾斜位相直接 进行付氏变化得到轴外点的衍射效率。 由于加工难度方面的原因，现在的衍射器件都是双平面的。但是在非衍射 面上引进球面，无疑增加了光学系统的个自由度，这无论是对系统的长度还是 重量方面的改进都是非常明显的。正是基于这种考虑，我们加工制作了平凸形的 菲涅耳透镜。加工的主要难度在于，为了防止偏心i 需使器件的对称中心和掩模 板的中心对准。流行的对准方法主要有几何成象和利用衍射的方法。根据对准精 度的要求，我们最后利用激光直写设备采用了衍射的方法进行了对心，对准精度 曲面基底上衍射元件的加工 小于1 0 u m ，小于般光学系统的对，t 5 要求。 曲面基底上衍射元件的加：l ： 第二章衍射光学元件的衍射效率分析 衍射光学元件与全息光学元件相比具有较高的衍射效率，理想情况下， 1 6 阶衍射光学元件的衍射效率为9 9 。实际制作过程中，存在多种制作误差， 主要包括：刻蚀深度误差、掩模对准误差和线宽误差。由于这些误差的存在， 衍射光学元件的衍射效率要减小。许多人详细地讨论了制作误差对衍射效率 的影响。本章围绕衍射效率问题，用标量衍射理论对菲涅耳透镜进行分析， 主要介绍存在误差时候轴上点衍射效率的计算。 2 1 菲涅耳波带( f z p ) 透镜的标量衍射理论 一般的f z p 透镜的特征尺寸比主波长大得多，在这种情况下标量理 论是适用的。下面用标量衍射理论围绕f z p 透镜的衍射效率进行了讨论。 菲涅耳波带透镜是基于菲涅耳波带片f z p ( f r e s n e lz o n ep l a t e ) 的衍射， 将f z p 的图形制作成闪耀的位相结构，以获得高衍射效率。f z p 是一个具有 一系列同心圆环的二元振幅图形，如图l 所示。 在傍轴近似情况下，第肌个透明环带的半径为 r = m ，r i 1 - 1 显然，f z pm r 2 方向呈周期性分布，周期为一，如图2 。若以波长为五的 平面波照射f z p ，将观察到多个发散和会聚的球面波，如图2 3 ，每一发散或 会 g ( r 2 、 图1 菲涅耳波带图形 图2 振幅透过率 聚球面波对应一个衍射级次，焦距由f z p 的参数决定，直接透过f z p 无 衍射的光形成零级背景光。利用标量衍射理论可以推导出各焦面的z 坐标位置 及相应的复振幅分布“0 ) 。 根据f z p 的径向对称性和沿r 2 方向的周期性，有 第二章衍射效率理论 u ( x ，y ) = u ( x 2 + y 2 ) = u ( r2 + j r2 ) 2 - 2 式中，为任意整数。为了数学处理方便，在不影响物理性态下将式 2 - 2 中r 2 的范围扩展到负值，把“o ) 表示成一个傅立叶级数 “c t y ，= 萎爿。e x r ( ，z 册号 d p 2 ， z s 其傅立叶系数 平面波 小叫，f 吣2 卜脚和一 f z p 2 4 一 繇。一 么线心、7 l z 图3 平面波在菲涅耳波带片上的衍射 设“0 处于z = o 平面，并被平面波照明，则在z o 的任意平面上衍射 的复振幅“( ，几e ) 可由菲涅耳积分求得 m 膨) = 肌加x p 隹k 工“一甲】 z s 这里忽略了某些不重要的因子。若无限延拓“0 力，取积分域从一o o 至l j + o o 并将式2 - 3 代入，则得 曲面基底上衍射元件的加：t “c z ，y ，z ，= 莓爿。e x 笔c x n + y