第4章　衍射光学元件的加工技术.pptx

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第四章衍射光学元件的加工技术,4.1掩模套刻技术,制作出元件的掩模版利用掩膜版光刻胶基片进行曝光，将元件放在显影液中显影，将元件放在刻蚀系统中进行刻蚀。

最后清洗掉元件表面的光刻胶，便制成了衍射光学元件。

掩模版,曝光,显影,刻蚀,一次曝光、显影、刻蚀,二次曝光、显影、刻蚀,二次曝光、显影、刻蚀,分类：

台阶型轮廓的二元光学器件是利用标准的大规模集成电路生产工艺制作的，它分加法相减法两种工艺途径。

减法工艺，又称刻蚀法。

首先制作黑白图案的掩模版，利用光刻技术将图形转印到涂在基片表面的光刻胶上，再经过刻蚀技术将光刻胶表面图形转印到基底上，在基底表面形成两台阶结构。

多次重复上述工艺过程，就可制作成多台阶表面浮雕轮廓相位型光学器件。

加法工艺又称薄膜淀积法。

其流程与减法相同，唯一不同的是，台阶的形成不是通过刻蚀，面是淀积一定厚度的薄膜。

优缺点：

淀积法的优点是能够实现膜层厚度的实时监控，台阶深度精度高。

而刻蚀法则在结构强度及其牢固性方面优于薄膜淀积法。

一、掩模版制作,掩模版可用绘图机绘制成红膜图再精缩而成；也可用光学或电子束图形发生器直接曝光生成图形。

图示即电子束图形发生器制作掩模版的过程。

首先在计算机内绘制掩模图形，并按一定的数据格式存入数据文件，然后由图形发生器转换成控制电子束偏转和位移的量，并驱动电子束对铬和抗蚀层基片表面曝光，经过显影后在抗蚀层上形成掩模图,电子,束,抗蚀层0.6,mCr0.08m石英,电子束曝光,刻蚀,显影,去抗蚀层,案，再用溶液去掉未被抗蚀层保护的铬层及残留抗蚀层，最后形成黑（有Cr区域）白（无Cr层区域）图案的掩模版。

这种方法的制版分辨率约0.1m，电子束偏转范围10m10m。

通过移动掩模版，最大制版面积为（200200）mm2。

光学图形发生器是用光束代替电子束完成光刻胶曝光。

由于光的波长较电子束波长长得多，其分辨率比电子束低，约0.5m。

一般可制作小于20.32cm（8in）的掩模版。

但因其设备较电子束图形发生器便宜得多，仍是目前最常用的一种制版方法。

绘红膜图制版是利用绘图机将图形直接绘制在红膜上，再经过粗缩和精缩将红膜图缩小转印在干版上，这种制版方法最简单，分辨率约1m，制版面积最大可达（200200）mm2。

二、曝光过程,曝光过程是把掩模板的图案向涂有光刻胶的基片进行转移的过程。

这一过程主要包括基片预处理、涂胶、前烘和曝光。

基片预处理是对基片进行清洗和干燥，目的是去掉基片表面的灰尘和污垢，使光刻胶能够均匀的附着在基片的表面。

一般可以采用洗涤剂或丙酮和酒精溶剂来清洗基片表面的有机油污和尘埃颗粒等杂质。

但在对基片预处理的工艺工程中，去掉基片表面上吸附的水分是比较困难的。

在单晶硅基片的预处理中，对涂有负性光刻胶的基片有时采用200烘烤去掉表面的物理吸附水，以减少光刻胶和基片表面的接触距离，使粘附力增加。

但对一般的正性光刻胶和对粘附性要求特别高的涂胶工艺，烘烤基片的方法还是远远不够的。

一般的方法是采用硅有机化合物，使基片表面在短时间内由亲水性转变为憎水性，从而提高了各种去水性光刻胶与基片之间的粘附力。

涂胶就是在基片表面覆盖一层光刻胶，这是光刻胶的成膜过程。

对这一步的要求是所涂的胶膜必须均匀，且应该达到制作光栅工艺所要求的厚度。

涂胶的方法很多，有喷雾涂胶、流动涂胶、浸润涂胶、滚动涂胶和旋转涂胶等。

比较常用的是旋转涂胶法，从所涂胶膜厚度的一致性和稳定性来说，旋转涂胶法比其它方法要好。

涂胶时，所涂胶膜的厚度与许多因素有关，除了与光刻胶的固含量、胶液粘度和胶的种类外，还与涂胶台的温度、涂胶台的构造形式、排气量的大小、胶液滴加量的多少、光刻胶溶剂的气化速率等因素有关。

在上述条件变化不大的情况下，膜厚主要取决于光刻胶的粘度和涂胶台的转速。

在实际操作时，可以通过合理的选取光刻胶的型号和涂胶台的转速来涂出所需要的胶膜。

前烘在涂好的胶膜中，常含有很多溶剂，这将使得胶膜的致密性及其与基片表面的粘附性变差，从而使显影液的溶解速度不稳定，同时在微细加工过程中容易造成物理损伤。

为此，必须对胶膜在一定温度下进行烘焙，即前烘。

其目的主要是为了消除胶膜中的溶剂，从而保证曝光的重现性和显影时成像良好。

前烘可采用热板、热风循环式或对流式烘箱。

在前烘中，非常关键的一点是选择前烘的工艺参数。

不同胶种应选择不同的工艺参数，以确保光刻线条的质量。

美国Shiply公司生产的正性光刻胶的前烘温度通常在100120，不同型号的光刻胶的前烘温度略有差异。

曝光前烘后的光刻胶经过曝光进行光化学反应，便把掩模版的图案转移到光刻胶膜上。

根据光刻胶的感光特性，以及涂胶膜厚、掩模版厚度和曝光面积等，原则上就可以确定光刻胶的感光条件即感光能量。

对于固定光源和照明强度的曝光系统，就可以确定曝光时间。

尽管各种胶都标有感光灵敏度指标和曝光参考条件，但由于工艺操作和系统的偏差，还是要通过实验严格确定最佳曝光时间。

曝光时间过短，显影后留膜率低，胶膜会发黑，出现针孔，胶抗蚀能力差。

曝光时间过长，会导致图案边缘部分微弱感光，产生“光晕”现象，同时胶膜会起皱，使图形分辨率和精度降低。

除了特别注意曝光时间外，还应注意曝光时的环境状况。

曝光的方式主要有接触式曝光、接近式曝光、投影曝光。

接触式曝光是使用的最早和最广泛的曝光方式。

该方法设备简单、生产效率高。

这种方法的最大缺点是掩模和胶面的直接接触造成对胶面和掩模版的损伤和玷污，降低了掩模的使用寿命。

接触式曝光需要操作人员在显微镜下观察和套准并使基片和掩模紧贴，曝光精度受到曝光系统和操作者熟练程度的影响。

接近式曝光是在接触式曝光的基础上发展而来的。

这种方法是使光刻掩模与加工基片表面保持很紧的距离，利用高度平行的平行光来进行曝光。

接近式曝光解决了掩模版和胶面紧贴造成的损伤和玷污问题，提高了胶的抗蚀能力和掩模版的使用寿命。

这种方法的缺点使是图像的分辨率和精度有所下降。

投影光刻属于非接触曝光系统。

光源发出的光经聚光系统照射掩模版，所得的像用光学投影的方法通过物镜系统聚焦于基片表面的光刻胶上，使其曝光。

投影光刻分为等倍投影和缩小投影两种。

其中，等倍投影曝光系统虽然克服了接触曝光中掩模版和胶膜表面摩擦的缺点，但在工艺上尚存在许多问题。

例如，有效曝光面积小，分辨率也不高，光路长和有效景深浅等。

缩小投影曝光系统是对等倍投影曝光系统的改进。

它具有许多优点：

掩模版尺寸可以比实际尺寸大的多，因而避免了小图形制版的困难；并且也因此易于对准，对准精度很高；消除了由于掩模版图形线宽过小而产生的光衍射效应；同时光能集中，曝光时间短，所生成的图形的对比度高。

缩小投影曝光也有一些缺点，例如曝光面积小和有效景深很浅等。

曝光原理,正性光刻胶的主要成分为酚醛树脂、光敏化合物（PhotoActiveCompound,PAC）重氮萘醌（DNQ,diazonaphthoquinone）及有机溶剂。

曝光前，酚醛树脂的羟基与DNQ通过氢键作用，形成了稳定的六元环结构，抑制了树脂的溶解。

曝光时，光刻胶中的六元环结构被破坏，光敏化合物重氮萘醌因吸收紫外光而发生光化学反应，重氮萘醌失去一分子氮，生成碳烯，并迅速发生Wolff重排而转变成烯酮。

同时，由于分子结构和其电子排布的改变，引起了自由能的相应变化，因而在光解处放出大量的热，导致光解处的瞬时温度迅速上升。

1mol的分子在发生光化学反应时放出约66kcal的热量。

另外，曝光过程中光解处温度的升高将加快OH与CO切断，苯酚串从受体断开，切断了的苯酚串不再极化，仅相当于普通苯酚树脂，失去了抑制溶解的能力。

烯酮遇碱水，生成盐，产生大量的外加亲水点，导致曝光区的溶解速率远大于未曝光区的溶解速率。

三、显影过程,显影过程是把曝过光的光刻胶进行进一步的处理，使不可见的光刻胶潜像变成可见的光刻胶实像，从而使胶膜变成刻蚀用的掩膜。

这一过程主要包括显影、漂洗和后烘。

显影显影就是把经过曝光的基片放置在特定的溶剂中，把不需要的胶膜溶解去除的过程。

对负性胶一般采用有机溶剂作为显影剂，把未曝光的胶膜溶解掉。

对正性光刻胶则采用无机碱或有机碱的弱碱性水溶液作为显影剂，将曝过光的胶溶解掉。

显影主要有浸入法和喷淋法两种方法。

其中喷淋法是将低压高分散的显影液流经胶膜表面，这样不仅使获得的图像更为清晰，还能减少负性胶的高分子溶胀，有利于高分辨率图像的刻蚀，是目前用的较多的一种方法。

光刻胶显影的工艺条件由光刻胶的显影特性决定。

其工艺条件除了与显影液的种类、性质、显影方法、前烘及曝光等有关之外，最基本的是选择合适的显影温度和显影时间。

一般选取20oC左右为光刻胶显影温度，这时显影时间大约为1-2min，其随膜厚等条件的不同而有差异。

显影温度过高，由于溶解速度太快，会影响图形精度；温度过低，由于反应太慢，显影时间过长，会引起胶膜的溶胀和图案边缘的渗透钻蚀，甚至出现浮胶。

因此在显影时，应严格控制显影时间和显影温度。

漂洗,漂洗紧接着显影进行，其目的是除去残留在膜胶或基片表面的显影液和某些颗粒性物质。

良好的漂洗液还能消除显影时胶的溶胀和形变，改善成像精度。

漂洗也有浸入法和喷淋法两种。

后者的效果比较好。

各种光刻胶都配有专门的漂洗液。

后烘后烘又称为坚膜，就是将漂洗过的基片在一定的温度下进行焙烘。

后烘的目的是为了除去残存的溶剂，改善由于溶液浸泡造成的聚合物软化和膨胀情况，使胶膜致密坚固，并通过热致交联，进一步提高胶膜与表面的粘附能力和抗化学刻蚀能力，减少刻蚀时的钻蚀和针孔。

后烘的温度和时间要适当选择，若后烘不足，溶剂去不干净，则胶膜不够致密和坚固且抗蚀性差，在刻蚀时会发生浮胶和严重侧蚀等。

若后烘时间过长，会使胶膜发脆，从而产生因热膨胀而弯曲、剥落和图案形变等情况，刻蚀时会发生钻蚀或浮胶。

温度过高时会使光刻胶因热分解而失去抗蚀能力。

后烘的工艺条件应根据光刻胶的种类、聚合物的结构性能以及刻蚀工艺的要求而确定。

四、刻蚀过程,在基片经过涂胶、曝光和显影后，已经在基片表面上形成一层图案化的光刻胶掩膜。

然后需要通过刻蚀把光刻胶的掩膜图案转移到基片上，形成衍射光学元件。

这一过程主要包括刻蚀、去胶和检测。

刻蚀就是把基片上没有被光刻胶挡住的表面如玻璃、硅、金和锗等刻蚀掉，而使有光刻胶的遮蔽区保存下来。

这样便在基片表面得到所需要的图案。

这是整个微光学元件加工过程中非常重要的一个环节。

为了得到良好的面形，采用离子束刻蚀，它具有高的刻蚀分辨率和良好的刻蚀面形。

刻蚀速率影响着刻蚀均匀性，如果元件的各点刻蚀速率都一样，那么元件的表面光洁度最好。

而刻蚀速率和束流密度成正比，因此应考虑尽量得到均匀的束流密度。

根据定量计算束流密度的刻蚀测量法知，随着刻蚀时间的增加，单一刻蚀材料刻蚀均匀性趋于束流均匀性。

由于在离子束刻蚀中采用了旋转台技术，在较长时间内，可以认为其束流是均匀的。

因此为了保证元件的光洁度，常采用降低刻蚀速率、增加刻蚀时间的方法。

常规的离子束刻蚀是指使用高能惰性气体离子束轰击元件表面，从而使元件表面被刻蚀，为纯物理过程，是以离子与材料原子进行动量交换为机理。

原子间的级联转移给材料子的动量矢,通过离碰撞过原子，量反转一,cm3，作,用范围约为10-20料原子键合力,约为13因此，,续去除的过程。

子撞击材料表面及材料原子和程，离子将其携带的动量或能量打破原子间的结合和产生活化原，形成材料原子的物理溅射。

个入射离子轰击材料表面的作用时间约为10-12秒，通常各种材eV。

离子束刻蚀是对材料原子层连,低真空机械泵高真空分子泵充入Ar气刻蚀、旋转台等待取样品,反应离子刻蚀,反应离子刻蚀是选择相应的化学气体，利用在等离子体腔中产生的等离子体，通过对被刻蚀基片的物理溅射轰击和化学反应双重作用，获得抗蚀剂掩蔽下的精细三维微浮雕结构。

它依赖于低压放电所产生的由离子、电子和中子组成的部分电离气体。

反应气