衍射光学元件灰度掩模板激光制作系统研究.docx

1、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0255扩展到01280灰度级.利用该系统给出了二元光栅精缩后的感光

2、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

3、 2004 年 10 月Opto-Electronic Engineering 文章编号： 1003-50X (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 l p 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

4、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 O255 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： AStudy on fabrication ofgrayscale mask for diffractive optical elements 2 .I, ,IQI Xin

5、-min , SHEN Ting-zheng , ZHU Xiao-jin , GAO Yi叩吨， LUO Ning-ning1, WANG Zheng1 (1.Department ofMeasurement and Control, Nanchang Institute ofAeronauticalTechnology, Nanchang 330034, China;2.The Institute ofElectromechanical Engineering,Ntional Universi ofD价nse Technology,Changsha 410073, China ) Abst

6、ract: The designprinciple of diffractiveopticsandthree basicwaystofabricategrayscale masksare briefly introduced.By laws of grayscale fabrication, a projective-exposure system in precise-epitomewaywithPP8000 color filmrecorder isdesignedsuccessfully.A variabletransmittance isprovided todifferent pos

7、ition on grayscale mask plane and therequired diffractive optical elements can be obtainedafterone-timeexposure.Withthissystem,notonlyhigh-resolutiongrayscalemaskcanbefabricatedwithblack-whitefilm,butalsosubdivisionwith256grayscalelevelcanbeextendedforfurtherimproving fabricationresolutionof graysca

8、le maskby a color equivalent filmbased oncolor grayscaleequivalent theory.For16-stepgrayscalemask,itsresolutioncanbeextendedfromO 255toO 1280grayscale level.The sensitive patterns minified by binary grating are also given with the system.Key words: Di仔ractive optical element; Grayscale mask; Laser e

9、xposure; Laser lithographic system 引言衍射光学元件（Di仔ractive OpticalElement,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

10、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： 2004-03-1 l ，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： 1003-50X (2004)10-002 卜03Vol.31, No.10 Oct,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 l p 罗宁宁

11、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 O255 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 Study on fab

12、rication ofgrayscale mask for diffractive optical elements .I , QI Xin-min , SHEN Ting-zheng , ZHU Xiao-jin , GAO Yi叩吨， LUO Ning-ning1, WANG Zheng1 (1.Department ofMeasurement and Control, Nanchang Institute ofAeronautical Technology, Nanchang 330034, China;2.The Institute ofElectromechanical Engine

13、ering, Ntional Universi ofD价nse Technology,Changsha 410073, China ) Abstract: The designprinciple of diffractiveopticsandthree basicwaystofabricategrayscale masks are briefly introduced.By laws of grayscale fabrication, a projective-exposure system in precise-epitome waywithPP8000 color filmrecorder

14、 isdesignedsuccessfully.A variabletransmittance isprovided to different position on grayscale mask plane and therequired diffractive optical elements can be obtained afterone-timeexposure.Withthissystem,notonlyhigh-resolutiongrayscalemaskcanbefabricated withblack-whitefilm,butalsosubdivisionwith256g

15、rayscalelevelcanbeextendedforfurther improving fabricationresolutionof grayscale maskby a color equivalent filmbased oncolor grayscale equivalent theory.For16-stepgrayscalemask,itsresolutioncanbeextendedfromO 255toO 1280 grayscale level.The sensitive patterns minified by binary grating are also give

16、n with the system.Key words: Di仔ractive optical element; Grayscale mask; Laser exposure; Laser lithographic system 衍射光学元件（Di仔ractive OpticalElement,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

17、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： 2004-03-1 l ，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 10 J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

18、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 ： 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

19、，套刻时对精度要求高，发展受到限制。 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。 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

20、（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

21、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

22、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 O255 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

23、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) Mask of colorful film(b) Grayscale ma,k on photoresist withI :I exposure 图 l 彩色胶片输出掩模（ I:1

24、 尤刻肢曝光）Fig.I Output m拙k of colorful film (J:I exposure on photore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 ： 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

25、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。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。 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

26、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，

27、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

28、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 O255 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

29、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) Mask of colorful film(b) Grayscale ma,k on photoresist withI :I exposure 图l彩色胶片输出掩模（ I:1 尤刻肢曝光）Output m拙k of colorful film (J:I exposure on photore阳叫）漆新民等：衍射光学元件灰皮

30、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 4.27m ，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 4Mb DRAM 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

31、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

32、料中， 光刻胶是使用最多的感光材料，其敏感波长在 280450nm （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 2 PP8000 精缩投影曝光系统Fig.2 Proje哩tive-exposure system mpreci,e叩itome way with PP8000 图 3 PP8000 输出光栅衍射元件掩模图Fig.3 Mask image of diffractive grating outputwith PP8000 日Im recorderEE-EE - EEE - EE -EE - EE 噩.EEEE 温 E E - EE - BE -圃皿.,- RE - BEBEE - BEE -噩噩 EE 噩噩噩 BEES E 噩噩 EE EE g - EE - EEmam - EEE -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、