專利名稱：一種高精度灰度掩模制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高精度灰度掩模制作方法，采用該掩模可在抗蝕劑表面一步成形任意面形的表面光滑的微浮雕結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
表面光潔度高的連續(xù)浮雕微透鏡陣列的制作方法一直是研究的熱點(diǎn)。1992年出版的《物理》雜志21卷4期197頁公開的旋轉(zhuǎn)照相法對此進(jìn)行了探討。目前用于連續(xù)微浮雕結(jié)構(gòu)成形的方法主要有“光刻熱融法”、“移動(dòng)掩模法”、“激光直寫法”、“半色調(diào)掩模法”等。前兩種方法只能制作具有某些結(jié)構(gòu)特征的微浮雕元件。激光直寫可用于任意面形微結(jié)構(gòu)成形，但該方法屬于單件加工，因此加工周期以及加工效率嚴(yán)重限制了該方法的應(yīng)用。半色調(diào)掩模也可實(shí)現(xiàn)任意面形微結(jié)構(gòu)成形，但半色調(diào)掩模技術(shù)需要高精度的電子束直寫掩模，并且曝光過程中還需要采用投影系統(tǒng)、濾波系統(tǒng)。這不僅使微加工工藝變得非常復(fù)雜，而且還大大提高了加工成本。美國CANYON公司申請了采用光能束敏玻璃制作高精度灰度掩模方法的專利，專利號4670366。采用該高精度灰度掩模可制作出表面光潔度很好的微浮雕結(jié)構(gòu)，但該光能束敏玻璃掩模的價(jià)格及其昂貴，且屬于壟斷經(jīng)營。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的滯，提供一種高精度灰度掩模制作方法，該方法提出的掩模制作途徑與現(xiàn)有微光刻工藝相兼容，可實(shí)現(xiàn)高精度灰度掩模的制作。
本發(fā)明技術(shù)解決方案是高精度灰度掩模制作方法，其特點(diǎn)在于通過以下步驟完成
(1)選擇掩?；撞牧?，并在掩模基底材料表面涂敷衰減光材料；(2)采用現(xiàn)有加工方法，如光刻、激光直寫、金剛石車削等手段，將掩?；妆砻娴乃p光材料加工成所設(shè)計(jì)的浮雕結(jié)構(gòu)，該衰減光浮雕結(jié)構(gòu)與成形微結(jié)構(gòu)需要的抗蝕劑表面曝光量分布存在指數(shù)對應(yīng)關(guān)系T(x)＝Q0×e-α×f(x)(1)T(x)為抗蝕劑表面曝光量分布，f(x)為衰減光材料浮雕結(jié)構(gòu)，α為衰減光材料吸收系數(shù)，Q0為入射掩模的曝光量。
(3)在衰減光浮雕結(jié)構(gòu)表面涂敷保護(hù)層，利用不同區(qū)域衰減光材料(厚度不同)對光的衰減能力不同，對通光量進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制式為T(x)＝Q0×e-[α×f(x)+β×(h-f(x))](2)T(x)為抗蝕劑表面曝光量分布，f(x)為衰減光材料浮雕結(jié)構(gòu)，α為衰減光材料吸收系數(shù)，β為保護(hù)層材料吸收系數(shù)，Q0為入射掩模的曝光量。
(4)將掩模直接放置在光刻膠上，進(jìn)行曝光，顯影；此外，制作過程中也可選擇制作的浮雕結(jié)構(gòu)不具有衰減光作用，而利用保護(hù)層進(jìn)行衰減光調(diào)制。
其中，衰減光材料為具有強(qiáng)吸收光能力的任意材料，如光刻膠、或黑漆等，其涂敷厚度取決于衰減光材料吸收系數(shù)，涂敷厚度需要滿足h>-ln(0.1)α]]>h為涂敷厚度，α為光刻材料吸收系數(shù)所述的保護(hù)層為吸收系數(shù)很小的高分子材料，如厚層抗蝕劑AZ9260等，其涂敷厚度大于衰減光材料涂敷厚度h。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有以下優(yōu)點(diǎn)(1)與傳統(tǒng)的二元多臺(tái)階結(jié)構(gòu)成形工藝相比，采用該方法制做的掩?？梢徊匠尚稳我饷嫘挝⒏〉窠Y(jié)構(gòu)。該方法制作微結(jié)構(gòu)不需要進(jìn)行對準(zhǔn)，因此也不存在對準(zhǔn)誤差。
(2)該掩模主要利用衰減光涂敷層微結(jié)構(gòu)面形(涂敷層厚度)對通過掩模的光能分布進(jìn)行調(diào)制。因此元件可獲得與涂敷層微結(jié)構(gòu)近似相同的表面光潔度和保真度。由于采用激光直寫及金剛刀車削可使掩模涂敷層獲得很好的表面光潔度，因此采用這種掩模曝光之后，元件也可以獲得很高的表面光潔度和保真度。
(3)采用該方法可制作陡直度很好的折疊類型(如菲涅爾透鏡)元件，通過將元件進(jìn)行折疊，可實(shí)現(xiàn)大數(shù)值孔徑微光學(xué)元件的制作。
(4)該方法可實(shí)現(xiàn)折疊元件的制作，因此可大大降低光刻工藝中ICP或RIE干法刻蝕需要傳遞的深度。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的步驟(1)首先將掩模衰減光材料涂敷于石英等基片表面的示意圖，圖中1為掩?；资⒉牧?，2為掩模衰減光材料；圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的步驟(2)是采用激光直寫機(jī)以及金剛石銑削設(shè)備對衰減光材料加工后得到的微浮雕結(jié)構(gòu)示意圖，圖中1為掩?；资⒉牧希瑯?biāo)注2為衰減光材料；圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的步驟(3)在刻蝕后的衰減光微浮雕表面涂敷保護(hù)層后的示意圖，圖中1為掩?；资⒉牧?，2為衰減光材料，3為保護(hù)層材料；圖4為本發(fā)明實(shí)施例1的步驟(4)采用該掩模實(shí)施微結(jié)構(gòu)加工的原理圖，圖中1為掩模基底石英材料，2為衰減光材料，3為保護(hù)層材料，4為光致抗蝕劑材料，5為元件基底石英材料；圖5為本發(fā)明實(shí)施例1的步驟(5)曝光、顯影后得到的微浮雕結(jié)構(gòu)示意圖，圖中5為元件基底石英材料，4為光致抗蝕材料；圖6為本發(fā)明實(shí)施例2中采用激光直寫機(jī)以及金剛石銑削設(shè)備對衰減光材料加工后得到的微浮雕結(jié)構(gòu)示意圖，圖中1為掩?；资⒉牧希?為衰減光材料；
圖7為本發(fā)明實(shí)施例2在刻蝕后的衰減光微浮雕表面涂敷保護(hù)層示意圖，圖中1為掩?；资⒉牧希?為衰減光材料，3為保護(hù)層材料；圖8為本發(fā)明實(shí)施例2曝光、顯影后得到的閃耀光柵微浮雕結(jié)構(gòu)示意圖，圖中5為元件基底石英材料，4為光致抗蝕材料。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1，是通過本發(fā)明的方法制作一個(gè)四棱錐結(jié)構(gòu)，采用正性光刻膠為光刻材料，其制作過程如下(1)根據(jù)所要制作的四棱錐結(jié)構(gòu)計(jì)算出在光致抗蝕劑表面需要的曝光量分布，并將曝光量分布?xì)w一化。在淺浮雕情況下，抗蝕劑表面歸一化曝光量分布與微結(jié)構(gòu)的歸一化分布相同，當(dāng)浮雕深度比較深時(shí)，按照抗蝕劑曝光、顯影模型精確求解抗蝕劑表面曝光量分布。
(2)由于衰減光材料需要具有高的吸收光能力，選擇黑漆作為衰減光材料，由于黑漆具有非常強(qiáng)的吸收光能力，因此根據(jù)(3)式可知，涂敷厚度1微米即可，并在掩模基底表面涂敷該衰減光材料，如圖1所示，圖1中2代表衰減光材料，1代表掩模基底。
(3)利用現(xiàn)有金剛刀車削、激光燒蝕等設(shè)備按照步驟1設(shè)計(jì)的曝光量分布對衰減光材料進(jìn)行加工，加工后的微結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖2中2為黑漆衰減光材料經(jīng)過金剛刀車削后得到的浮雕結(jié)構(gòu)，1為掩?；?。
(4)在加工后的衰減光浮雕材料表面涂敷保護(hù)層，保護(hù)層材料選擇厚層抗蝕劑AZ9260，厚度約1微米；圖3為涂敷保護(hù)層后的光刻掩模，其中1為掩?；?，2為衰減光材料浮雕結(jié)構(gòu)，3為保護(hù)層材料。
(5)將掩模直接放置在光致抗蝕劑表面進(jìn)行接觸曝光，利用衰減光材料厚度對光能分布進(jìn)行調(diào)制，其原理如下由于黑漆和保護(hù)層材料對光的吸收能力不同，因此光通過該掩模后的曝光量分布可表示為T(x)＝Q0×e-[α×f(x)+β×(h-f(x))](4)整理后得到
T(x)＝Q0×e-[(α-β)×f(x)+β×h](5)T(x)為抗蝕劑表面曝光量分布，f(x)為衰減光材料浮雕結(jié)構(gòu)，α為衰減光材料吸收系數(shù)，β為保護(hù)層材料吸收系數(shù)，Q0為入射掩模的曝光量。由于不同X點(diǎn)對應(yīng)的衰減光材料浮雕結(jié)構(gòu)f(x)不同，因此，光通過掩模后，不同X點(diǎn)對應(yīng)的曝光量也不同，從而實(shí)現(xiàn)了對通光量的調(diào)制。圖4為采用高精度灰度掩模進(jìn)行光刻的示意圖。圖4中1為掩?；?，2為衰減光材料浮雕結(jié)構(gòu)，3為保護(hù)層材料，4為元件表面的光致抗蝕劑，5為元件基底。
(6)曝光完成后的微浮雕結(jié)構(gòu)如圖5。圖5中，4為元件表面的光致抗蝕劑，5為元件基底。
實(shí)施例2，是通過本發(fā)明的方法制作一個(gè)閃耀光柵，同樣采用正性光刻膠為光刻材料，其制作過程如下(1)根據(jù)所要制作的閃耀光柵結(jié)構(gòu)計(jì)算出在光致抗蝕劑表面需要的曝光量分布，并將曝光量分布?xì)w一化，在淺浮雕情況下，抗蝕劑表面歸一化曝光量分布與微結(jié)構(gòu)的歸一化分布相同，當(dāng)浮雕深度比較深時(shí)，按照抗蝕劑曝光、顯影模型精確求解抗蝕劑表面曝光量分布。
(2)選擇黑漆作為衰減光材料，并在掩模基底表面涂敷衰減光材料，利用現(xiàn)有金剛刀車削、激光燒蝕等設(shè)備按照步驟1設(shè)計(jì)的曝光量分布對衰減光材料進(jìn)行加工，加工后的微結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖6中2為黑漆衰減光材料經(jīng)過金剛刀車削后得到的浮雕結(jié)構(gòu)，1為掩?；?。
(3)對加工完成后的掩模表面微結(jié)構(gòu)涂敷透明保護(hù)層，如圖7所示，保護(hù)層材料選擇厚層抗蝕劑AZ9260，保護(hù)層厚度約1微米，其中1為掩模基底，2為衰減光材料浮雕結(jié)構(gòu)，3為保護(hù)層材料。
(4)將掩模直接放置在光致抗蝕劑表面進(jìn)行接觸曝光，利用衰減光材料厚度對光能分布進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制原理如上述(4)式和(5)式。
(5)曝光、顯影完成后的微浮雕結(jié)構(gòu)如圖8所示，圖8中，4為元件表面的光致抗蝕劑，5為元件基底，該掩模利用不同區(qū)域掩模衰減光材料厚度不同，對光的衰減能力不同實(shí)現(xiàn)光能分布調(diào)制。因此可有效的提高元件表面光潔度和元件保真度。
權(quán)利要求
1.一種高精度灰度掩模制作方法，其特征在于通過以下步驟完成(1)選擇掩?；撞牧希⒃谘谀；撞牧媳砻嫱糠笏p光材料；(2)將掩?；妆砻娴乃p光材料加工成所要求的浮雕結(jié)構(gòu)；(3)在衰減光浮雕結(jié)構(gòu)表面涂敷保護(hù)層，利用不同區(qū)域衰減光材料對光的衰減能力不同，對通光量進(jìn)行調(diào)制；(4)將掩模直接放置在光刻膠上，進(jìn)行曝光，顯影。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度灰度掩模制作方法，其特征在于所述的衰減光材料為具有強(qiáng)吸收光能力的材料，如光刻膠、或黑漆，其涂敷厚度取決于衰減光材料吸收系數(shù)，涂敷厚度需要滿足h>-ln(0.1)α]]>h為涂敷厚度，α為光刻材料吸收系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度灰度掩模制作方法，其特征在于所述的保護(hù)層為吸收系數(shù)很小的高分子材料，其涂敷厚度大于衰減光材料涂敷厚度h。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度灰度掩模制作方法，其特征在于還可以在步驟(1)中不加衰減光材料，直接利用步驟(3)中的保護(hù)層進(jìn)行衰減光調(diào)制。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度灰度掩模制作方法，其特征在于所述的利用不同區(qū)域衰減光材料對光的衰減能力不同，對通光量進(jìn)行調(diào)制過程為T(x)＝Q0×e-[α×f(x)+β×(h-f(x))]T(x)為抗蝕劑表面曝光量分布，f(x)為衰減光材料浮雕結(jié)構(gòu)，α為衰減光材料吸收系數(shù)，β為保護(hù)層材料吸收系數(shù)，Q0為入射掩模的曝光量。
全文摘要
一種高精度灰度掩模制作方法，首先選擇掩?；撞牧?，并在掩?；撞牧媳砻嫱糠笏p光材料，再將掩?；妆砻娴乃p光材料加工成所要求的浮雕結(jié)構(gòu)，然后在衰減光浮雕結(jié)構(gòu)表面涂敷一定的保護(hù)層，利用不同區(qū)域衰減光材料對光的衰減能力不同，對通光量進(jìn)行調(diào)制，最后將掩模直接放置在光刻膠上，進(jìn)行曝光，顯影。本發(fā)明與采用傳統(tǒng)半色調(diào)掩模制作的微浮雕結(jié)構(gòu)相比，制作的微浮雕結(jié)構(gòu)表面光潔度以及陡直度都有很大程度的提高，采用本發(fā)明的掩?？蓪?shí)現(xiàn)折疊元件、折衍混合元件、二元元件等元件的高精度一步成形，與現(xiàn)有二元套刻工藝相比，不僅元件質(zhì)量大幅度提高，同時(shí)加工成本也有大幅下降，并且適合于元件的批量化生產(chǎn)。
文檔編號G03F1/00GK1702547SQ20051001149
公開日2005年11月30日 申請日期2005年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月29日
發(fā)明者董小春, 杜春雷, 李淑紅 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所