衍射光学元件灰度掩模板激光制作系统研究.docx

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衍射光学元件灰度掩模板激光制作系统研究

衍射光学元件灰度掩模板激光制作系统研究

漆新民;谌廷政;朱小进;高益庆;罗宁宁;王铮

【摘要】根据灰度掩模的制作理论,提出了由PP8000胶片输出仪、远心成像透镜组、平行准直He-Cd激光器构成的精缩投影曝光灰度掩模制作系统.通过灰度掩模平面不同位置处提供可变的透过率,经一次光刻后得到所需的衍射光学元件.该系统不仅可采用黑白胶片制作高分辨率灰度掩模板,还可根据彩色灰度等效理论,利用彩色等效胶片实现256灰度级的扩展细分,以进一步提高灰度掩模板制作的分辨率.对于16台阶灰度掩模,其分辨率可以从0～255扩展到0～1280灰度级.利用该系统给出了二元光栅精缩后的感光图片.

【期刊名称】《光电工程》

【年（卷）,期】2004（031）010

【总页数】4页（P21-23,27）

【关键词】衍射光学元件;灰度掩模;激光曝光;激光光刻系统

【作者】漆新民;谌廷政;朱小进;高益庆;罗宁宁;王铮

【作者单位】南昌航空工业学院测控系,江西,南昌,330034;国防科学技术大学机电工程研究所,湖南,长沙,410073;南昌航空工业学院测控系,江西,南昌,330034;南昌航空工业学院测控系,江西,南昌,330034;南昌航空工业学院测控系,江西,南昌,330034;南昌航空工业学院测控系,江西,南昌,330034

【正文语种】中文

【中图分类】工业技术

光电工程第31卷第10期2004年10月Opto-ElectronicEngineering文章编号：

1003-50\X（2004）10-002卜03Vol.31,No.10Oct,2创）4衍射光学元件灰度掩模板激光制作系统研究漆新民1，湛廷政2，朱小进1，高益庆lp罗宁宁1，王铮l（1.南昌航空工业学院测控系，江西南昌330034;2.国防科学技术大学机电工程研究所，湖南长沙410073）摘要：

根据灰皮掩模的制作理论，提出了由PP8000胶片输出仪、远心成像透镜组、平行准直He-Cd激光器构成的精缩投影曝光灰皮掩模制作系统。

通过灰皮掩模平面不同位直处提供可变的透过卒，经一次光刻后得到所需的衍射光学元件。

该系统不仅可采用黑白胶片制作高分辨率灰皮掩模板，还可根据彩色灰皮等放理论，利用彩色等效胶片实现256灰皮级的扩展细分，以进一步提高灰皮掩模板制作的分辨率．对于16台阶灰皮掩模，其分辨率可以从O～255扩展到0-1280灰皮纸．利用该系统给出了二元丸栅精缩后的感光图片．关键词：

衍射光学元件；灰皮掩模；激光曝光；激光光刻系统中图分类号：

TI、n56文献标识码：

AStudyonfabricationofgrayscalemaskfordiffractiveopticalelements2..I,,IQIXin-min,SHENTing-zheng,ZHUXiao-jin,GAOYi叩吨，LUONing-ning1,WANGZheng1（1.DepartmentofMeasurementandControl,NanchangInstituteofAeronauticalTechnology,Nanchang330034,China;2.TheInstituteofElectromechanicalEngineering,NαtionalUniversiηofD价nseTechnology,Changsha410073,China）Abstract:

Thedesignprincipleofdiffractiveopticsandthreebasicwaystofabricategrayscalemasksarebrieflyintroduced.Bylawsofgrayscalefabrication,aprojective-exposuresysteminprecise-epitomewaywithPP8000colorfilmrecorderisdesignedsuccessfully.Avariabletransmittanceisprovidedtodifferentpositionongrayscalemaskplaneandtherequireddiffractiveopticalelementscanbeobtainedafterone-timeexposure.Withthissystem,notonlyhigh-resolutiongrayscalemaskcanbefabricatedwithblack-whitefilm,butalsosubdivisionwith256grayscalelevelcanbeextendedforfurtherimprovingfabricationresolutionofgrayscalemaskbyacolorequivalentfilmbasedoncolorgrayscaleequivalenttheory.For16-stepgrayscalemask,itsresolutioncanbeextendedfromO~255toO~1280grayscalelevel.Thesensitivepatternsminifiedbybinarygratingarealsogivenwiththesystem.Keywords:

Di仔ractiveopticalelement;Grayscalemask;Laserexposure;Laserlithographicsystem引言衍射光学元件（Di仔ractiveOpticalElement,DOE）以其较高的衍射效率、独特的色散性能、更大的设计自由度、更广的材料可选性以及特殊的光学功能，正受到越来越多的重视。

用衍射光学元件取代传统的折反光学元件，可大大减小体积与重量［I）。

近年来，国内外在衍射光学元件的理论研究和器件的设计、制作方法上取得了相当大的进展，其发展趋势一方面着眼于计算机的辅助设计（CAD）软件、各种算洁的优化研究以及新型衍射元件的理论研究与设计，另一方面侧重于衍射元件掩模板制作技术的应用研究。

由于衍射光学器件的制作技术一直滞后于设计水平，所以探讨短周期、低成本、高衍射效率的掩模板制作技术，对推动衍射微光学技术的发展有重要意义。

收稿日期：

2004--03-1l，收到修改稿日朔：

2004--07--05基金项目：

江西省自然科学基金资助项目作者简介：

漆新民（1951寸，男（汉族）．江西宣丰人，副研究员．从事激光检测及加工技术研究.E-mail:

qixm2002@第31卷第10期2004年10月文章编号：

1003-50\X（2004）10-002卜03Vol.31,No.10Oct,2创）4衍射光学元件灰度掩模板激光制作系统研究漆新民1，湛廷政2，朱小进1，高益庆lp罗宁宁1，王铮l（1.南昌航空工业学院测控系，江西南昌330034;摘要：

根据灰皮掩模的制作理论，提出了由PP8000胶片输出仪、远心成像透镜组、平行准直He-Cd激光器构成的精缩投影曝光灰皮掩模制作系统。

通过灰皮掩模平面不同位直处提供可变的透过卒，经一次光刻后得到所需的衍射光学元件。

该系统不仅可采用黑白胶片制作高分辨率灰皮掩模板，还可根据彩色灰皮等放理论，利用彩色等效胶片实现256灰皮级的扩展细分，以进一步提高灰皮掩模板制作的分辨率．对于16台阶灰皮掩模，其分辨率可以从O～255扩展到0-1280灰皮纸．利用该系统给出了二元丸栅精缩后的感光图片．Studyonfabricationofgrayscalemaskfordiffractiveopticalelements..I,QIXin-min,SHENTing-zheng,ZHUXiao-jin,GAOYi叩吨，LUONing-ning1,WANGZheng1（1.DepartmentofMeasurementandControl,NanchangInstituteofAeronauticalTechnology,Nanchang330034,China;2.TheInstituteofElectromechanicalEngineering,NαtionalUniversiηofD价nseTechnology,Changsha410073,China）Abstract:

Thedesignprincipleofdiffractiveopticsandthreebasicwaystofabricategrayscalemasksarebrieflyintroduced.Bylawsofgrayscalefabrication,aprojective-exposuresysteminprecise-epitomewaywithPP8000colorfilmrecorderisdesignedsuccessfully.Avariabletransmittanceisprovidedtodifferentpositionongrayscalemaskplaneandtherequireddiffractiveopticalelementscanbeobtainedafterone-timeexposure.Withthissystem,notonlyhigh-resolutiongrayscalemaskcanbefabricatedwithblack-whitefilm,butalsosubdivisionwith256grayscalelevelcanbeextendedforfurtherimprovingfabricationresolutionofgrayscalemaskbyacolorequivalentfilmbasedoncolorgrayscaleequivalenttheory.For16-stepgrayscalemask,itsresolutioncanbeextendedfromO~255toO~1280grayscalelevel.Thesensitivepatternsminifiedbybinarygratingarealsogivenwiththesystem.Keywords:

Di仔ractiveopticalelement;Grayscalemask;Laserexposure;Laserlithographicsystem衍射光学元件（Di仔ractiveOpticalElement,DOE）以其较高的衍射效率、独特的色散性能、更大的设计自由度、更广的材料可选性以及特殊的光学功能，正受到越来越多的重视。

用衍射光学元件取代传统的折反光学元件，可大大减小体积与重量［I）。

近年来，国内外在衍射光学元件的理论研究和器件的设计、制作方法上取得了相当大的进展，其发展趋势一方面着眼于计算机的辅助设计（CAD）软件、各种算洁的优化研究以及新型衍射元件的理论研究与设计，另一方面侧重于衍射元件掩模板制作技术的应用研究。

由于衍射光学器件的制作技术一直滞后于设计水平，所以探讨短周期、低成本、高衍射效率的掩模板制作技术，对推动衍射微光学技术的发展有重要意义。

收稿日期：

2004--03-1l，收到修改稿日朔：

2004--07--05基金项目：

江西省自然科学基金资助项目作者简介：

漆新民（1951寸，男（汉族）．江西宣丰人，副研究员．从事激光检测及加工技术研究.E-mail:

qixm2002@22光电仁和－第31卷第10J钢1衍射光学元件设计及制作方法衍射光学元件制作通常是在光学材料基片表面上刻蚀出深浅不一的图样，当光束投射到这些衍射元件上，光波相位受到调制，从而实现各种复杂的光学变换。

衍射光学元件是以光的衍射理论为基础，通过计算机的辅助设计和微电子工业方法研究的新型光学元件。

衍射元件的制作一般分为三个过程：

I）光学元件的相位设计（GS算法，YG算法，SA算沽，GA算法等）；2）灰度掩模板的制作；3）元件的复制。

制作方法有三种：

①基于VLSI的套刻技术。

它通过微电子加工工艺中的二元光刻技术，将计算机设计的图形转移到片基上，从而形成深度为亚微米级的表面结构。

采取多掩模套刻技术可以获得多台阶的DOE位相结构。

此方法周期长、成本高、环节多，套刻时对精度要求高，发展受到限制。

②激光或电子束直写技术。

该技术是利用可变曝光剂量的激光束或电子束对涂在基片表面抗蚀剂逐点扫描曝光，将衍射元件的轮廓分布用曝光剂量的大小表示出来，刻蚀后，得到设计的连续或台阶状表面轮廓，其掩模一次成型，器件的衍射效率和制作精度较VLSI器件有较大提高。

但此方法不易控制轮廓深度，且设备相当昂贵，加工周期长。

③灰度掩模技术。

包括模拟灰度掩模和其它灰度掩模，它们共同的特点是在灰度掩模平面不同位置处提供可变的透过率，经一次光刻后得到所需要的DOE，具有成本低、周期短、方法简单、无对准性误差等优点，其加工精度也在不断提高，该技术是当前广泛探讨研究的热点

（2）。

PP8000灰度掩模制作系统随着科技的发展，灰度掩模的研究思路不断拓宽。

根据报导，在国外，有利用桌面排版系统制作的幻灯片技术和精缩投影仪配合来实现灰度掩模的，有利用高分辨率激光彩色打印机在透明胶片上制作彩色掩模图的（3-7］，也有利用恪镇合金的蒸发和分离过程制造多台阶灰度掩模的·在国内，有利用彩色绘图仪以及利用彩色液晶显示的方法来研究制作灰度掩模的。

无论哪一种方法，最终目的是寻求一种工艺简单、采用计算机、图形灰度可控、分辨率高、周期短、成本低的理想途径。

综合以上分析认为，由于影像业技术的发展，感光材料的颗粒愈来愈小，性能不断提高，同时合理选用高分辨率的投影曝光系统，使基于灰度掩模原理的黑色感光胶片制作高分辨率的灰度掩模板是可行的。

同时，由彩色等效灰度理论，不同的颜色对光的透过率差别较大，可利用不同颜色的组合来实现对光强的调制。

被彩色掩模调制后的光强即可近似等效为灰度黑白掩模的作用效果。

通过选取特定的颜色组合使其相对透过率呈线性关系变化，一方面可改善纯灰度掩模当灰度值低于50时的线性度，另一方面还能在线性吸收范围内进行灰度合理均布，从而满足制作8阶、16阶甚至更高阶的二元光学元件的要求，提高光刻边缘锐度。

相对透过率为线性的掩模图形，经均匀曝光后，对应于光致抗蚀剂近似线性的曝光量，从而可制作出高阶数且台阶高度近似相等的光致抗蚀剂掩模图形。

只要合理控制相邻颜色等效灰度值的差异程度及分布方式，即可相对容易设定每台阶特征尺寸和台阶数量。

根据理论分析，用O～255灰度做掩模，当制作位相为16台阶掩模时，衍射效率可达98.6%，此时加工深度误差约2%，对于16阶的调制分辨率，原灰阶数要扩大5倍才能满足此要求，即1280。

若灰阶不等问隔，所需的灰阶大于1280。

彩色胶片输出仪提供1680万种颜色可供等效，所以采用彩色等效灰度方法是可行的。

图l给出了一组八台阶光栅和菲涅尔透镜的彩色掩模及光刻胶I:

I曝光的结果。

图片在50倍显微镜下观测，彩色掩模图深度变化均匀，连续性较好。

为此，我们提出来用PP8000彩色胶片输出仪实现高分辨率的灰度掩模制作方法。

PP8000灰度掩模制作系统主要由三部分组成：

平行光曝光光源、精缩投影系统及灰度掩模图像数／模转换装置。

PP8000是由计算机控制直接输出图像胶片的装置，计算机控制的彩色图形通过密封的高清晰度CRT投影聚焦到焦面上。

该装置的工作原理是采用三色激光分束在底片上曝qu怒（a）彩色胶片掩模（b）在光刻胶上I:

I曝光结果（a）Maskofcolorfulfilm（b）Grayscalema,konphotoresistwithI:

Iexposure图l彩色胶片输出掩模（I:

1尤刻肢曝光）Fig.IOutputm拙kofcolorfulfilm（J:

Iexposureonphotore阳叫）J钢衍射光学元件制作通常是在光学材料基片表面上刻蚀出深浅不一的图样，当光束投射到这些衍射元件上，光波相位受到调制，从而实现各种复杂的光学变换。

衍射光学元件是以光的衍射理论为基础，通过计算机的辅助设计和微电子工业方法研究的新型光学元件。

衍射元件的制作一般分为三个过程：

）元件的复制。

制作方法有三种：

①基于VLSI的套刻技术。

它通过微电子加工工艺中的二元光刻技术，将计算机设计的图形转移到片基上，从而形成深度为亚微米级的表面结构。

采取多掩模套刻技术可以获得多台阶的DOE位相结构。

此方法周期长、成本高、环节多，套刻时对精度要求高，发展受到限制。

②激光或电子束直写技术。

该技术是利用可变曝光剂量的激光束或电子束对涂在基片表面抗蚀剂逐点扫描曝光，将衍射元件的轮廓分布用曝光剂量的大小表示出来，刻蚀后，得到设计的连续或台阶状表面轮廓，其掩模一次成型，器件的衍射效率和制作精度较VLSI器件有较大提高。

但此方法不易控制轮廓深度，且设备相当昂贵，加工周期长。

③灰度掩模技术。

包括模拟灰度掩模和其它灰度掩模，它们共同的特点是在灰度掩模平面不同位置处提供可变的透过率，经一次光刻后得到所需要的DOE，具有成本低、周期短、方法简单、无对准性误差等优点，其加工精度也在不断提高，该技术是当前广泛探讨研究的热点

（2）。

随着科技的发展，灰度掩模的研究思路不断拓宽。

根据报导，在国外，有利用桌面排版系统制作的幻灯片技术和精缩投影仪配合来实现灰度掩模的，有利用高分辨率激光彩色打印机在透明胶片上制作彩色掩模图的（3-7］，也有利用恪镇合金的蒸发和分离过程制造多台阶灰度掩模的·在国内，有利用彩色绘图仪以及利用彩色液晶显示的方法来研究制作灰度掩模的。

无论哪一种方法，最终目的是寻求一种工艺简单、采用计算机、图形灰度可控、分辨率高、周期短、成本低的理想途径。

综合以上分析认为，由于影像业技术的发展，感光材料的颗粒愈来愈小，性能不断提高，同时合理选用高分辨率的投影曝光系统，使基于灰度掩模原理的黑色感光胶片制作高分辨率的灰度掩模板是可行的。

同时，由彩色等效灰度理论，不同的颜色对光的透过率差别较大，可利用不同颜色的组合来实现对光强的调制。

被彩色掩模调制后的光强即可近似等效为灰度黑白掩模的作用效果。

通过选取特定的颜色组合使其相对透过率呈线性关系变化，一方面可改善纯灰度掩模当灰度值低于50时的线性度，另一方面还能在线性吸收范围内进行灰度合理均布，从而满足制作8阶、16阶甚至更高阶的二元光学元件的要求，提高光刻边缘锐度。

相对透过率为线性的掩模图形，经均匀曝光后，对应于光致抗蚀剂近似线性的曝光量，从而可制作出高阶数且台阶高度近似相等的光致抗蚀剂掩模图形。

只要合理控制相邻颜色等效灰度值的差异程度及分布方式，即可相对容易设定每台阶特征尺寸和台阶数量。

根据理论分析，用O～255灰度做掩模，当制作位相为要扩大5倍才能满足此要求，即1280。

若灰阶不等问隔，所需的灰阶大于1280。

彩色胶片输出仪提供1680万种颜色可供等效，所以采用彩色等效灰度方法是可行的。

图l给出了一组八台阶光栅和菲涅尔透镜的彩色掩模及光刻胶I:

I曝光的结果。

图片在50倍显微镜下观测，彩色掩模图深度变化均匀，连续性较好。

为此，我们提出来用PP8000彩色胶片输出仪实现高分辨率的灰度掩模制作方法。

PP8000灰度掩模制作系统主要由三部分组成：

平行光曝光光源、精缩投影系统及灰度掩模图像数／模转换装置。

PP8000是由计算机控制直接输出图像胶片的装置，计算机控制的彩色图形通过密封的高清晰度CRT投影聚焦到焦面上。

该装置的工作原理是采用三色激光分束在底片上曝（a）彩色胶片掩模（b）在光刻胶上I:

I曝光结果（a）Maskofcolorfulfilm（b）Grayscalema,konphotoresistwithI:

Iexposure图l彩色胶片输出掩模（I:

1尤刻肢曝光）Outputm拙kofcolorfulfilm（J:

Iexposureonphotore阳叫）漆新民等：

衍射光学元件灰皮掩模板激光制作系统研究23光，然后以红、绿、蓝三色合成彩色图像，其一次曝光形成灰度掩模面积相当于激光直写系统数小时完成的工作量，输出图像的像素是8192H×5462V，分辨率达4.27µm，若配以十倍以上的精缩投影系统，可达到微米级的分辨率。

同时每一像素为36bit灰阶，具有超高分辨率的色彩范围，内置4MbDRAM和512Kb内布，井行接口连接，多种软件支持。

液晶数码状态显示，输出35mm正负胶片，结构简单，控制十分方便。

图2是以PP8000构成的精缩投影掩模板制作系统。

输出的胶片置于远心成像透镜的物平面上，远心成像透镜具有几毫米的景深范围，在像平面上可得到10:

1的精缩倍率。

系统还可进一步改进，将虚线内的远心成像透镜直接放于胶片的成像处，采用光谱板感光，使PP8000的图像经一次精缩直接到感光板上，然后转印到光刻胶板上，这样有利于进一步提高系统分辨率。

图3是一幅由计算机控制，经PP8000输出到胶片上的10线Imm衍射元件图像，图4是经10倍精缩投影到光刻胶板上获得的衍射光学元件放大100倍的图像。

3激光曝光光源的合理选择由计算机辅助设计的衍射光学元件图形经PP8000输出获得图形胶片后，需经曝光系统转印到掩模板上。

在目前记录材料中，光刻胶是使用最多的感光材料，其敏感波长在280～450nm（蓝光到紫外），波长短、抗干扰、使用方便。

另一方面，计算机输出图形的分辨率不能做得太高、过高会受曝光时光束的衍射效应影响，所以该系统常用精缩曝光以提高系统的分辨率。

综上所述，掩模板制作系统的曝光光源必须是大功率，准直平行光光束，波长在图2PP8000精缩投影曝光系统Fig.2Proje哩tive-exposuresystemmpreci,e叩itomewaywithPP8000图3PP8000输出光栅衍射元件掩模图Fig.3MaskimageofdiffractivegratingoutputwithPP8000日Imrecorder········E·E·-·····E·E·-··E···EE--E·E·-·········EE---E·E·－··噩.......EEEE温··E·E·-EE--B·E·--圃·皿....,-R·E·--BEBEE--BEE--噩噩E·E·－噩噩噩BEES－－E噩噩··E·E·－EE·g·-E·E·-EEmam---EE·E·--图4光刻胶上曝光显影后放大100倍的图像280-450nm。

目前可选光源有高压球形隶灯、半导体泵浦激光器、