一种新的二元光学器件制作方法

一种新的二元光学器件制作方法

1基于空间光调制器的系统灰色覆盖法是一种新的二次光学设备制备方法，正在积极探索。灰度掩模的制做是灰度掩模法的关键。美国迈阿密大学的MichaelR.Wang和HengSu利用激光直写设备在高能离子束轰击敏感玻璃(HEBSG,highenergybeansensitiveglass)上制做灰度掩模;俄罗斯西伯利亚大学的VladislayG.Nikitin等人采用激光直写设备在非晶硅薄膜上制做灰度掩模。他们所采用的都是逐点曝光式的激光直写系统,当焦斑大小为1.5μm(1/e光强点)、扫描线间距为1μm和写入速度为10mm/s时,完成10mm圆片的曝光需要2～3h,可见其写入速度非常慢。本文提出的基于空间光调制器(SLM)的灰度掩模并行激光直写系统是逐个图形曝光的直写系统,可克服逐点曝光式直写系统速度慢、器件表面粗糙等缺点,所制做的二元光学器件性能有所提高,并可大大降低生产成本,缩短生产周期。本文主要介绍该系统的总体结构、基本原理和主要技术参数,给出了SLM调制器、精缩投影物镜和二维气浮平台等关键单元的设计分析,最后提供了初步的实验结果。2xga3系统的曝光设备灰度掩模并行激光直写系统,采用透射型SLM显示灰阶图像、并直接投影在感光材料上等效成灰度掩模的方法,其原理如图1所示。对一小块面积的感光材料进行曝光后,移动二维工作台,由计算机控制切换SLM上的显示图像,再对另一小块面积的感光材料进行曝光,如此往复,即可对整个掩模版进行曝光。经过显影、定影后得到灰阶底片就是所要得到的灰度掩模。利用μm级分步重复投影光刻机,由灰度掩模精确控制曝光剂量,在刻蚀材料上生成三维浮雕结构,使可加工出所需要的二元光学器件。若曝光1次/s、单次曝光面积为1.8432mm×1.3824mm,完成1个10mm圆片的曝光时间不足1min;完成1个100mm圆片的曝光不到1h,可见其写入速度比逐点曝光式激光直写系统要快得多。XGA3的单个像素尺寸为13μm×10μm,经10倍精缩后,其像的大小为1.3μm×1.0μm,考虑到众多其他因素的影响,该系统制做的灰度掩模的最小特征尺寸能够达到5μm。利用0.8～1μm分步重复投影光刻机,可制做出最小特征尺寸为1μm的二元光学器件。3slm特征指标XGA3透射型SLM,是采用扭曲向列相(TN)模式的液晶材料,并由多晶硅薄膜晶体管(TFT)驱动,以获得较好的温度稳定性和快速响应特性。其分辨率高、图像清晰和对比度好,且体积小、重量轻,利于集成。其主要性能参数如表1所示,水平、垂直方向的对比度曲线如图2所示。对SLM而言,除了空间分辨率、像素间距和单个像素尺寸等参数外,图像灰阶数和图像对比度亦是两个关键性的指标。由表1、图2可见,利用该系统制做16个甚至更多灰度的掩模应该不成问题。4成像质量的确定分辨力和焦深是精缩投影物镜的主要性能指标,由瑞利公式R=k1λNA(1)R=k1λΝA(1)DOF=k2λNA2(2)DΟF=k2λΝA2(2)式中,R为实用分辨力;DOF为焦深;波长λ=633nm;NA为像方数值孔径;k1和k2为条件因子,为简单,令k1=k2=1。取NA=0.2,由(1)、(2)式可得R=3.2μm、DOF=15.8μm。由于灰度掩模的最小特征尺寸是5μm,即精缩投影物镜的像方分辨力应小于5μm,可见NA取0.2是完全能够满足系统总体要求的。在多次曝光过程中,为保证曝光质量,保证光学系统的倍率不变,特采用像方远心光学结构形式。成像质量,包括波像差、光学调制传递函数MTF、像面弯曲、像散和畸变等在设计中均须考虑。表2给出了精缩投影物镜的主要设计指标。5双管道管道器的结构在二维超精密定位工作台中,导轨的直线度直接影响另一个正交坐标的进给精度,因此合理的导轨结构对于定位精度有着重要的影响。在构成二维工作台时还应该考虑两正交导轨的垂直度调整、直线度补偿等问题。本系统中采用了“共面导轨”结构。其原理是X、Y方向的导轨直线度精度可以采用补偿的方法得到提高,可以实现很高的直线度水平;其制约之处仅仅取决于测量导轨直线度的传感器。平面度提高的极限目前主要取决于测量导轨直线度的传感器精度水平。二维气浮平台的测长系统采用激光干涉仪,其它一些技术参数如表3所示。6超精密扭轮传动驱动系统的性能包括了驱动系统的行程、运动分辨率、刚度、平稳性等。本方案采用自行研制的超精密扭轮摩擦传动系统。该驱动系统的行程可以达到300mm,运动分辨率可达nm级水平,驱动系统的刚度满足微负载的场合,并且具有驱动过程平稳、控制方便等特点。7初始实验结果图3是利用该并行激光直写系统得到的初步实验结果,所给出的灰度图形为1次曝光所得到的面积,即其大小为1.8432mm×1.3824mm。8提高双特征的slm-pla1)本文提出的基于SLM的灰度掩模并行激光直写系统是逐个图形曝光的直写系统,1次曝光形成灰度掩模的面积达1.8432mm×1.3824mm,可大大提高灰度掩模的制做速度,降低加工成本。2)通过加大曝光频率和提高SLM的空间分辨率,可以缩短曝光时间,并进一步提高灰度掩模的制做速度。3)通过减小SLM单个像素的尺寸和提高投影光学系统的精缩倍率,