石英二元衍射光學(xué)元件制作工藝
1.石英二元光學(xué)元件的制作
二元光學(xué)元件的設(shè)計遵循光的衍射理論。衍射效率的高低是評價元件的重要指標(biāo)。
在表1中可見,理論上臺階級數(shù)越多衍射效率越高,但制作難度也加大,隨之的制作誤差也變大,它又將導(dǎo)致元件的衍射效率降低。根據(jù)我們現(xiàn)有的工藝手段和設(shè)備制作8個臺階的元件是比較合理的。
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8個臺階的元件要經(jīng)過一次曝光,兩次套刻曝光,三次刻蝕才能完成,其整個過程如圖1所示。
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1.1基片預(yù)處理
預(yù)處理主要是用各種方法洗凈基片表面粘附的臟物,增加光刻膠與基片的粘附能力,避免脫膠現(xiàn)象發(fā)生。處理后基片表面要鍍一層厚度為100～200nm的鉻層。它既可以增強光刻膠的粘附能力,又可以作為對準(zhǔn)標(biāo)記,以便在套刻時有良好的觀察對比度。
1.2甩膠及前烘
處理好的基片要涂上一層光刻膠,用它來傳遞掩模版上的圖形,然后經(jīng)過反應(yīng)離子刻蝕(RIE)把圖形傳遞到基片上,這里膠的厚度W是一個主要參數(shù),它主要由刻蝕深度h和刻蝕選擇比C決定
W=Ch
實驗時決定膠厚的因素有甩膠機的轉(zhuǎn)速、甩膠時間、膠的類型以及稀釋程度等。對這些因素作適當(dāng)?shù)呐浜暇涂梢缘玫嚼硐氲哪z厚。甩好的基片要及時放到恒溫箱中烘烤。
1.3曝光及處理工藝
衍射元件設(shè)計好后可以由計算機處理成圖形數(shù)據(jù)。量化級數(shù)L與曝光次數(shù)N的關(guān)系為L=2N
例如,制作8個相臺階的菲涅爾透鏡就要曝光3次,對應(yīng)3組圖形數(shù)據(jù)。如果用激光直寫制作DOE,就可由計算機直接控制曝光及套刻形成圖形。這對于制作單個元件是很方便的,但用激光直寫技術(shù)重復(fù)制作多個元件則制作時間長成本高,因此我們也開展接觸光刻曝光的方法研究。接觸式曝光方法簡單,并且對于工藝實驗及RIE參數(shù)的標(biāo)定非常方便。直接影響曝光質(zhì)量的因素很多。首先基片表面要與掩模表面合理接觸,有間隙時曝光線條會模糊,而壓得過緊又可能損壞膠表面和掩模。曝光時間要嚴(yán)格控制,曝光不足顯影后圖形出不來,曝光過度則線條邊緣會發(fā)生塌膠現(xiàn)象。接下來就是顯影。決定顯影時間的長短有多種因素,如顯影液的種類、濃度、溫度等。正確控制顯影對圖形輪廓起著重要的作用。為了把圖形傳遞到基片上,顯影后要去掉裸露部分的鉻層,然后后烘。后烘的目的是提高膠的抗蝕性能。
1.?4基片的刻蝕
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我們的理想刻蝕輪廓是圖2所示的直角臺階。這就要求刻蝕過程各向異性,即不應(yīng)有橫向的刻蝕或鉆蝕。反應(yīng)離子刻蝕機能很好地滿足這一點。反應(yīng)離子刻蝕的機理是腐蝕氣體在電場磁場的作用下與基片表面發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和物理作用,生成揮發(fā)性氣體?；涛g的關(guān)鍵是準(zhǔn)確的控制刻蝕深度和刻蝕表面的平整度及潔凈度。這個過程的實質(zhì)就是合理地選擇刻蝕時間、功率、板壓、氣體以及氣體流量、氣壓等參數(shù)?？涛g石英的有效氣體為CHF3。
1.4.1氣體流量對刻蝕選擇比及刻蝕率的影響
要保證刻蝕圖形的完整就必須保證圖形深度刻到前抗蝕劑還沒被刻完。增加膠厚可以達(dá)到這個目的,但過厚的膠會對膠均勻性及曝光顯影帶來不良影響。于是我們著眼于如何提高刻蝕比C。合理的刻蝕率有利于有效地控制刻蝕深度。
實驗中我們得知在不同氣體流量下刻蝕率和刻蝕比有較大的變化。
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由圖3可以看出,在氣體流量為12sccm時基片的刻蝕率較大,并且曲線在此時變化緩慢。如果選這一點作為工作點,那么流量在小范圍內(nèi)不是很穩(wěn)定將不會對刻蝕率造成很大的影響。這對于刻蝕深度的控制是十分有利的。由圖4可以看出,在氣體流量為12sccm時刻蝕比較大。這可以降低膠的厚度,從而減小制作元件的難度,有利于圖形的精確傳遞。
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同時我們對刻蝕表面進(jìn)行考察,發(fā)現(xiàn)隨著流量的加大刻蝕表面變得越來越不平整。綜合以上因素我們把工作點定在12sccm。
1.4.2時間對刻蝕深度的影響
用表3的數(shù)據(jù)作出深度和時間的關(guān)系圖5。由圖5可以看出,在時間不太長的情況下二者基本呈線性關(guān)系,時間變長則刻蝕率變慢。這可能由兩個因素所致,首先在刻蝕過程中產(chǎn)生的多聚物附著在基片表面,限制了反應(yīng)的進(jìn)行;其次,時間一長工作腔內(nèi)溫度升高,阻礙了電場磁場物理作用的發(fā)揮。
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1.4.3功率對刻蝕率的影響
總結(jié)實驗中得到的數(shù)據(jù)我們作出圖6所示功率和刻蝕率之間的關(guān)系圖。由此可見二者基本呈線性關(guān)系。實驗中功率的選擇應(yīng)從以下方面進(jìn)行考慮。首先功率不能太大,太大導(dǎo)致刻蝕率過高不利于深度的控制;容易使反應(yīng)離子刻蝕機機體升溫導(dǎo)致一些工作參數(shù)發(fā)生漂移同時機器也容易損壞;從刻蝕表面的角度來看,我們也不希望功率太大,但是考慮到刻蝕時間不能太長,因此功率的選擇也不要太小。
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1.4.4負(fù)載的影響
刻蝕時影響負(fù)載的因素有很多:基片大小、基片表面膠及鉻層等的覆蓋情況、氣體種類、氣體流量和工作腔氣壓等都可以統(tǒng)稱為負(fù)載。它直接影響刻蝕機的功率匹配,因此必須對它們進(jìn)行較好的調(diào)整。實驗中考慮到時間易于控制,因此采用先選定功率、流量等參數(shù),再調(diào)整匹配功率,最后用控制時間的辦法控制刻蝕深度。
1.5去膠及套刻
刻蝕完畢后基片上還有殘余的膠必須去掉后才能進(jìn)行下一次套刻。要得到8個臺階的二元光學(xué)元件還必須再進(jìn)行兩次套刻。每次都重復(fù)前面所述1～5的步驟。要制成高質(zhì)量高精度的元件,上述每一步都很關(guān)鍵。在制作過程中工作環(huán)境及基片都要保持十分干凈,否則臟物就會1:1地傳遞到圖形上。
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