[发明专利]基于掩模光刻技术和注塑成型制作衍射微光学元件的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于掩模光刻技术和注塑成型制作衍射微光学元件的方法。

背景技术

以往衍射微光学元件的制作多是采用传统的光刻技术，先在玻璃等介质上涂覆一层光刻胶（光致抗蚀剂），利用转印的方式将设计好的微光学元件图形在专用的接触式曝光光刻机上一片一片拷贝到光刻胶版上。经传统光刻工艺，在玻璃板或硅片的光刻胶上形成微光学元件，再经过一片片的显微放大检测后，选择合格的器件进行离子束刻蚀，所形成的微光学元件不仅面积小，所需反应离子刻蚀机等设备也十分昂贵。

如需要衍射效率更高的微光学元件，则每片都需要进行多次套刻，又需在反应离子刻蚀机等专用设备上进行多次离子束刻蚀，最后在玻璃介质或硅片上形成多台阶的微光学元件。如此一片一片加工周期长，且成品率低，远远满足不了制作精细结构微光学元件的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种基于掩模光刻技术和注塑成型制作衍射微光学元件的方法，它具有操作方便、成品率高和周期短的优点。

本发明是这样来实现的，本发明的实现依赖于一种衍射微光学元件模芯制作的透射式成像光路实验装置。该自行设计制造的试验系统包括紫光光源（高压汞灯），即插式掩模板架，调焦装置，棱镜分束镜，CCD摄像头，10倍精密缩微物镜，光刻胶板基片架，Z轴微动台，X—Y轴精密电控大行程平移台和微型计算机；其中紫光光源还包括点光纤光源扩束和准直镜，紫光光源的下方为即插式掩模板架，位于即插式掩模板架与10倍精密缩微物镜之间的调焦装置的中间和一侧分别连接棱镜分束镜和CCD摄像头，10倍精密缩微物镜的正下方为光刻胶板基片架，光刻胶板基片架连接下方的Z轴微动台和X—Y轴精密电控大行程平移台，X—Y轴精密电控大行程平移台连接微型计算机。操作时先在数字微镜器件（DMD）上利用计算机软件设计生成微光学元件图形，然后在数字式光刻机上曝光得到透射式的微光学元件掩膜板。

本发明包括以下步骤：(1)制作微光学元件金属合金模芯：首先，利用上述透射式成像光路实验装置，在铬膜玻璃胶板上生成光学元件光刻掩模版。利用图形编辑设计软件在微型计算机上进行微光学元件掩模的设计，在数字光刻机上先得到微光学元件掩模版（原版可按成品微光学元件10倍放大设计）。紫光光源（高压汞灯）发出的光束经过光纤点光源扩束和准直后，直接照射到即插式掩模板（原版）上，经过棱镜分束镜透射出的光束，再通过10倍精缩物镜将掩模板（原版）上的图形投影在涂覆光刻胶的金属合金基片上，通过调焦装置使图形在光刻胶版上成像最清晰（按10：1缩小的像）。透射出的光束要求与缩微物镜、光刻胶版同轴。由于棱镜分束镜的作用，调焦时成像的清晰度可在CCD摄像头上被监控到。X—Y轴精密电控大行程平移台和Z轴微动台可以将经过10倍精缩的图形精确投射到光刻胶版上；

利用光刻技术在金属合金上制作衍射微光学元件，模芯的设计与制作是采用电化学刻蚀方法，将微光学元件图形转印至金属合金基片上得到的，这种活动式的注塑模芯可以作为注塑模模仁上的活动嵌入式模芯；

嵌入式模芯要求：第一是模芯的制作工艺和方法；第二是嵌入式模芯更换方便，利用同一个注塑模具，更换具有不同的各种设计图案的模芯，即可制作出各种相应图案的衍射微光学元件。

(2)衍射微光学元件的注塑成型制作：金属合金基片研磨抛光—→基片的预处理（清洗）—→光刻胶匀胶—→前烘—→曝光—→后烘—→显影—→坚膜—→金属基片的电化学刻蚀—→去胶—→金属合金模芯—→注塑模具装配—→注塑机注塑—→注塑成品（微光学元件保留在光学塑料上）；

注塑模具的设计及制作是采用注射成型的方法完成复制的关键技术。注塑模具的设计与制作要求现有的复制技术能够进行具有高保真度的复制，并且可以使表面微光学元件的衍射效率和均匀性接近原始微结构的值；

注塑模具是衍射微光学元件复制成型的主要工具，而一般来说这些注塑成型复制品通常是批量化生产，因此要求塑料注射模具在使用时应具有高效率、高质量及成型后少加工或不再加工（修模）的特点，所以模芯材料选用的是高温镍基金属合金；