[发明专利]一种衍射光学元件的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及微光学器件的制作，尤其是涉及无需套刻对版来制作多台阶微透镜的一种衍射光学元件的制作方法。

背景技术

衍射微透镜阵列的制备是基于传统的折射型微透镜阵列发展起来的，二者的制作工艺具有传承性。衍射微透镜具备多台阶的特性，目前其制作方法大致分为光刻胶加离子刻蚀转移法、束能直写技术以及灰度掩膜技术。但是最为实用，可靠性最好的方法当属光刻胶加离子刻蚀转移的方法。

对于二元微透镜，阶梯形分布的相位近似表达式可以巧妙地克服在加工一个厚度连续变化形状时遇到的困难，并且可以通过一系列二元振幅掩模曝光和图形转印来实现(见Swanson G J.Binary optics technology:the theory and design of multi-level diffractive optical elements[R].MASSACHUSETTS INST OF TECH LEXINGTON LINCOLN LAB,1989.)。在光刻工艺中，二元光学元件的位相等级数L和所需的掩模数N之间存在这样的关系：L＝2^N。因此制作8相位台阶和16相位台阶微透镜分别需要三块和四块掩模版。实际制作中一般采用三块掩模版，经三次光刻和三次刻蚀技术制造八相位(或八台阶)衍射微透镜阵列，可基本满足要求。微透镜的制作工艺主要包括掩模版的设计和制作，利用光刻技术将所设计的掩模版图形转印到光刻胶上，利用干法刻蚀或湿法刻蚀技术将光刻胶图形高保真地转移到衬底表面，形成所需的浮雕结构。

随着器件特征尺寸的减小，微透镜环带之间的宽度也随之减小，为了制作高精度的衍射微透镜就必须满足相应的对准精度。常规的套刻工艺中第n块掩膜版和第n-1块掩膜版是严格对准的，环带线条随着器件减小变得越来越精细，细微的套刻误差将导致衍射效率大大降低(见Unno Y.Point-spread function for binary diffractive lenses fabricated with misaligned masks[J].Applied optics,1998,37(16):3401-3407.)。影响衍射效率的重要因素有三个：纵向刻蚀深度误差，横向对准误差和线宽误差，而横向对准误差对衍射效率影响是最大的。因而目前一般的光刻精度严重制约了微透镜尺寸继续减小。工艺上迫切需要一种能够摆脱光刻精度限制的方法来制作微透镜。

发明内容

本发明的目的在于提供一种衍射光学元件的制作方法。

本发明包括以下步骤：

1)在基片上制作金属层；

2)涂胶，光刻显影，腐蚀出金属层作为刻蚀掩膜，该金属层直径为微透镜最外层环带外径；

3)按设计厚度刻蚀基片形成最外层第一个环带；

4)第二次涂胶，背面曝光光刻，显影，保留光刻胶，侧向腐蚀步骤2)中的金属层，去除光刻胶；

5)正面涂胶，背面曝光显影；

6)按设计厚度刻蚀基片形成最外层第二个环带；

7)重复步骤4)，直到刻蚀出所有环带，得到具有多台阶的微透镜衍射光学元件。

在步骤1)中，所述金属层可选自Cr层，Au层，Ni层等中的一种，也可以是其他非溶于光刻胶显影剂的掩膜；所述在基片上制作金属层的方法可包括溅射、电镀、沉积等中的一种。

在步骤2)中，所述刻蚀掩膜的外径为微透镜最外层环带。

在步骤4)中，所述侧向腐蚀的腐蚀量由微透镜最外层第二个环带宽度确定。

在步骤5)中，所述背面曝光的目的是保留金属层上面的光刻胶作为侧向腐蚀的掩膜。

本发明通过背面曝光来制作金属层的侧向腐蚀掩膜，通过控制金属层的腐蚀时间来确定环带宽度。区别于传统的套刻方法位相等级数L和所需的掩模数N之间存在这样的关系：L＝2^N，本发明可以通过简单方法制作任意台阶微透镜；本发明完全摆脱套刻环节，通过牺牲层的腐蚀量来控制每一个台阶宽度，从而得到一系列同心环带结构；在无需套刻的情况下制作多台阶微透镜。通过仅有的一次掩膜光刻形成微透镜最外层环带，再通过腐蚀，去胶，刻蚀形成基底的图形，然后进行循环得到按次序从外到内逐次得到环带图形。本发明从根本上避免了传统套刻方法制作微透镜带来的不可避免的误差，减少了制作过程中的工艺步骤，降低了难度，同时也为制作其他多台阶器件提供了途径。

附图说明

图1为本发明的光刻示意图(用于产生腐蚀Cr金属层的胶掩膜)；

图2为本发明的第一次腐蚀产生的Cr掩膜示意图；