CN101923182A - 基于hsq工艺的制作位相型光子筛的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用HSQ工艺制作位相型光子筛的方法，该方法包括：A、制作第一光子筛掩膜版A和第二光子筛掩膜版B；B、在基片上涂HSQ胶，用第一光子筛掩膜版A对其进行光刻、烘干，并蒸发一层金属膜；C、用电化学腐蚀法去除HSQ上的金属膜；D、在基片上涂5214正胶，用第二光子筛掩膜版B对其进行光刻，对暴露出来的部分去金属膜；E、去胶后得到位相型光子筛。本发明相对于传统的刻蚀法，具有制造工艺简单，成本低，稳定性好，并能达到更高的分辨率等特性，有利于本发明的广泛推广和应用。

Description

基于HSQ工艺的制作位相型光子筛的方法

技术领域

本发明涉及衍射光学元件技术领域，尤其涉及一种采用HSQ工艺制作位相型光子筛的方法。

背景技术

光子筛是基于菲涅耳波带片的一种新型的衍射光学元件。它将菲涅耳波带片上亮环对应的区域用大量随机分布的透光小孔来代替，小孔的直径为相应波带片环带宽度的1.53倍。这些位置随机分布的透光小孔使得衍射光之间相互干涉从而能够有效的抑制旁瓣效应和高级衍射，提高分辨率，得到更为锐利的焦斑。

传统波带片在成像领域其分辨率决定于它的最外环宽度，该尺寸受到加工工艺的限制因而分辨率难以得到进一步的提高。光子筛由于其最外环小孔直径为对应波带片环宽的1.53倍，可以放宽对加工工艺的要求，能够制作更大口径的光子筛，从而提高成像的分辨率。光子筛的重量比相同参数的波带片更轻，因而在航天望远镜领域有着更加广阔的前景。

光子筛的这些特性使得它在高分辨率成像，亚波长光刻，显微镜技术方面有着非常好的应用前景。然而相对于波带片，光子筛的衍射效率更低，严重制约了光子筛的应用前景。相对于普通振幅型光子筛，位相型光子筛有着更高的衍射效率，因而在成像和光刻领域得到普遍采用。

然而位相型光子筛的制作通常采用刻蚀方法，该方法存在着使用成本高，效率低的缺点。尤其对于有凸起型的位相型光子筛，普通采用的等离子刻蚀设备刻蚀会将基片上大部分面积的衬底刻蚀掉而仅留有图形部分，这种方法不仅使用成本高昂，耗费时间长，得到的结果也难以保证大面积的平整性，影响产品质量，生产效率低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对上述采用刻蚀的方法制作位相型光子筛存在的不足，本发明的主要目的在于提供一种制造工艺简单、制造成本低、生产效率高，并能提供更高的分辨率的HSQ工艺制作方法，来完成具有凸起小孔的位相型光子筛的制造。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种采用HSQ工艺制作位相型光子筛的方法，该方法包括：

A、制作第一光子筛掩膜版A和第二光子筛掩膜版B；

B、在基片上涂HSQ胶，用第一光子筛掩膜版A对其进行光刻、烘干，并蒸发一层金属膜；

C、用电化学腐蚀法去除HSQ上的金属膜；

D、在基片上涂5214正胶，用第二光子筛掩膜版B对其进行光刻，对暴露出来的部分去金属膜；

E、去胶后得到位相型光子筛。

上述方案中，步骤A中所述第一光子筛掩膜版A、第二光子筛掩膜版B和步骤B中所述的基片，其介质均是石英。

上述方案中，步骤A中所述第一光子筛掩膜版A中的透光小孔随机分布在奇数环带上，这些小孔在光刻后即为基片上的凸起小孔；所述第二光子筛掩膜版B中的透光小孔随机分布在偶数环带上，这些小孔在光刻后即为基片上的平面小孔。

上述方案中，在奇数环透光小孔有凸起，从而额外产生π的相位差，产生叠加的效果，达到提高衍射效率的作用。

上述方案中，步骤B中所述HSQ胶胶厚H＝λ/(n-1)，其中λ是光刻波长，n为石英的折射率，且该胶在光刻并烘干后，即变成石英固体形态。

上述方案中，步骤B中所述金属膜为金属铬膜，其厚度为60nm。

上述方案中，步骤C中所述电化学腐蚀法采用铜片来保护基片上的铬膜，而HSQ上的铬膜被去铬液腐蚀掉。

上述方案中，该位相型光子筛由直径4英寸石英基片、基片上镀有一层金属铬薄膜、在不透光的金属铬薄膜上随机分布一系列透光小孔构成，其奇数环上分布的透光小孔凸起，高度H＝λ/(n-1)，其中λ是光刻波长，n为石英的折射率，偶数环上分布的透光小孔为平面透光小孔。

上述方案中，所述随机分布的透光小孔分布在中心半径为r，宽度为w的一系列环带上，透光小孔之间不重叠，其中偶数环上的小孔是平面透光孔，满足：

r_n ²＝2nfλ+n²λ²；n＝1，2，3，.....

对应r_n上的平面式透光小孔的直径为：

d_n＝w_n＝λf/2r_n；

奇数环上的小孔是凸起透光小孔，满足：

r_m ²＝(2m+1)fλ+(2m+1)²λ²；m＝1，2，3，.....

对应r_m上的平面式透光小孔的直径为：

d_m＝W_m＝λf/2r_m；

其中，凸起高度H＝λ/(n-1)，λ是设计波长，n为石英的折射率，r是光子筛径向半径，f是焦距，d是小孔直径。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、相对于振幅型光子筛，位相型光子筛具有更高的衍射效率，具有更大的应用前景。

2、利用本发明，可以高效率地实现凸起小孔型位相型光子筛的制作。

3、本发明采用的HSQ胶具有很高的分辨率，采用HSQ工艺制作方法可以极大的简化工艺制程，降低制作成本，生产效率高，提高极限分辨率，从而有着更加广泛的应用前景。

附图说明

图1为波带片示意图；

图2为振幅型光子筛示意图；

图3为本发明所述位相型光子筛示意图；

图4为本发明总体工艺方案的制备流程图；

图4-1为石英基片及HSQ胶层示意图；

图4-2为使用掩膜版A对石英基片进行光刻示意图；

图4-3为光刻后对石英基片蒸金属铬膜示意图；

图4-4为用电化学腐蚀法去除HSQ上的金属铬膜示意图；

图4-5为石英基片涂上5214正胶，再用掩膜版B对其进行光刻示意图；

图4-6为光刻后对暴露出来的部分去金属铬膜示意图；

图4-7为去5214胶后得到位相型光子筛示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图3所示，本发明所使用的位相型光子筛由石英基片、石英基片上镀的金属铬膜，以及在金属铬膜上随机分布平面透光小孔和凸起透光小孔组成。其中：石英基片直径为4寸，厚度3mm；石英基片上镀的金属铬膜厚度约60nm。设计参数为：光子筛直径100mm，设计波长355nm，焦距0.939m，最外环孔直径5μm，环数3000环，特征尺寸3.33μm。

所述的随机分布的透光小孔分布在中心半径为r，宽度为w的一系列环带上，透光小孔之间不重叠，其中偶数环上的小孔是平面透光孔，满足：

r_n ²＝2nfλ+n²λ²；n＝1，2，3，.....

对应r_n上的平面式透光小孔的直径为：

d_n＝w_n＝λf/2r_n；

奇数环上的小孔是凸起透光孔，满足：

r_m ²＝(2m+1)fλ+(2m+1)²λ²；m＝1，2，3，.....

对应r_m上的平面式透光小孔的直径为：

d_m＝w_m＝λf/2r_m；

其中，凸起高度H＝λ/(n-1)，λ是设计波长，n为石英的折射率，r是光子筛径向半径，f是焦距，d是小孔直径。

其最内环小孔直径214μm，最外环小孔直径为5μm。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下参照附图，对本发明进一步详细说明。

图4为本发明总体工艺方案的制备流程图。首先按照上述参数设计两块掩膜版A和B，其中掩膜版A中的透光小孔随机分布在奇数环带上，这些小孔在光刻后即为基片上的凸起小孔，掩膜版B中的透光小孔随机分布在偶数环带上，这些小孔在光刻后即为基片上的平面小孔。小孔之间不重叠。两块掩膜做好对准标记。若间隔环带上的透光小孔都是平面小孔，则光源透过这两种间隔分布的小孔，彼此之间产生π的相位差，从而相互抵消，然而按上述设计，在奇数环透光小孔有凸起，从而额外产生π的相位差，从而使透射光产生叠加的效果，达到提高衍射效率的作用。这是位相型光子筛的设计原理。

如图4-1所示，本实例的光子筛衬底为石英基片，直径为4英寸，厚度为2mm，在衬底上涂一层HSQ胶，厚度为645.5nm(H＝λ/(n-1)＝355nm/(1.55-1)＝645.5nm)。

如图4-2所示，用掩膜版A对上述基片进行光刻，因为HSQ胶是负胶，光刻后图形透光小孔部分存留下来。然后将基片烘干，HSQ胶凝固成固体石英，即得到有凸起的石英基片。

如图4-3所示，再将基片蒸一层金属铬膜，厚度约60nm。

如图4-4所示，采用电化学腐蚀法去除凸起部分石英表面的金属铬膜。具体的方法是：使用Fulton-Dolan夹具夹住衬底，Fulton-Dolan夹具上采用铜片仅与基片平面部分的金属铬膜接触，将夹具和衬底一同放入去铬液中。由于铜的金属活泼型大于铬，与铜片接触的金属铬膜受到铜片的保护而存留下来，而基片上凸起小孔部分的金属铬膜由于未接触到铜片而被腐蚀掉。这样得到的基片具有透光的凸起小孔和镀有金属铬膜的其他平面部分。

如图4-5所示，将基片上再涂一层1μm厚的5214正胶，用掩膜版B对其进行光刻，光刻结果为透光部分的胶被刻掉，其他部分仍被5214胶覆盖。

如图4-6所示，用去铬液将基片上的暴露部分的金属铬膜腐蚀掉，从而使第二次光刻后的小孔也全部透光。

如图4-7所示，将基片上的5214正胶去除，即得到所需的位相型光子筛。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种采用HSQ工艺制作位相型光子筛的方法，其特征在于，该方法包括：

A、制作第一光子筛掩膜版A和第二光子筛掩膜版B；

B、在基片上涂HSQ胶，用第一光子筛掩膜版A对其进行光刻、烘干，并蒸发一层金属膜；

C、用电化学腐蚀法去除HSQ上的金属膜；

D、在基片上涂5214正胶，用第二光子筛掩膜版B对其进行光刻，对暴露出来的部分去金属膜；

E、去胶后得到位相型光子筛。

2.根据权利要求1所述的采用HSQ工艺制作位相型光子筛的方法，其特征在于，步骤A中所述第一光子筛掩膜版A、第二光子筛掩膜版B和步骤B中所述的基片，其介质均是石英。

3.根据权利要求1所述的采用HSQ工艺制作位相型光子筛的方法，其特征在于，步骤A中所述第一光子筛掩膜版A中的透光小孔随机分布在奇数环带上，这些小孔在光刻后即为基片上的凸起小孔；所述第二光子筛掩膜版B中的透光小孔随机分布在偶数环带上，这些小孔在光刻后即为基片上的平面小孔。

4.根据权利要求3所述的采用HSQ工艺制作位相型光子筛的方法，其特征在于，在奇数环透光小孔有凸起，从而额外产生π的相位差，产生叠加的效果，达到提高衍射效率的作用。

5.根据权利要求1所述的采用HSQ工艺制作位相型光子筛的方法，其特征在于，步骤B中所述HSQ胶胶厚H＝λ/(n-1)，其中λ是光刻波长，n为石英的折射率，且该胶在光刻并烘干后，即变成石英固体形态。

6.根据权利要求1所述的采用HSQ工艺制作位相型光子筛的方法，其特征在于，步骤B中所述金属膜为金属铬膜，其厚度为60nm。

7.根据权利要求1所述的采用HSQ工艺制作位相型光子筛的方法，其特征在于，步骤C中所述电化学腐蚀法采用铜片来保护基片上的铬膜，而HSQ上的铬膜被去铬液腐蚀掉。

8.根据权利要求1所述的采用HSQ工艺制作位相型光子筛的方法，其特征在于，该位相型光子筛由直径4英寸石英基片、基片上镀有一层金属铬薄膜、在不透光的金属铬薄膜上随机分布一系列透光小孔构成，其奇数环上分布的透光小孔凸起，高度H＝λ/(n-1)，其中λ是光刻波长，n为石英的折射率，偶数环上分布的透光小孔为平面透光小孔。

9.根据权利要求8所述的采用HSQ工艺制作位相型光子筛的方法，其特征在于，所述随机分布的透光小孔分布在中心半径为r，宽度为w的一系列环带上，透光小孔之间不重叠，其中偶数环上的小孔是平面透光孔，满足：

r_n ²＝2nfλ+n²λ²；n＝1，2，3，.....

对应r_n上的平面式透光小孔的直径为：

d_n＝w_n＝λf/2r_n；

奇数环上的小孔是凸起透光小孔，满足：

r_m ²＝(2m+1)fλ+(2m+1)²λ²；m＝1，2，3，.....

对应r_m上的平面式透光小孔的直径为：

d_m＝w_m＝λf/2r_m；

其中，凸起高度H＝λ/(n-1)，λ是设计波长，n为石英的折射率，r是光子筛径向半径，f是焦距，d是小孔直径。

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