摘 要:采用灰度狭缝进行矢量化的直写,使平台沿着垂直狭缝的方向运动,获得了具有台阶结构的光栅槽型,编写了与DXF文件一致的接口直写控制程序。该方法对成像视场要求低,可以制作大面积光栅。以色分离光栅(CSG)为例,用标量衍射理论分析了CSG的衍射效率,讨论了工艺制作误差对衍射效率的影响,并给出了初步的实验结果。
1 引 言
传统的二元光学元件制作方法需要多次重复掩模图形的转印和刻蚀过程,制作周期长、加工成本高。另外,多次套刻带来的对准误差降低了光学元件的衍射效率,使这种技术的发展受到了一定的限制[1]。灰度掩模技术[2~6]是先在掩模板上提供不同的透过率,经过一次光刻刻蚀得到所需的光学元件。该方法制作周期短、方法简便、成本低、不存在对准误差,是一种目前正在探索的光学元件制作方法。
本文介绍了一种利用灰度狭缝扫描制作色分离光栅[7~9](Color separation grating)的方法。带有灰度变化的狭缝实质上就是一面积很小的灰度掩模板。为了克服在利用灰度掩模技术制作二元光学元件时对大视场成像质量要求较高的缺陷,使光束沿着垂直狭缝的方向进行矢量化扫描,从而获得具有浮雕结构的光学元件,能刻蚀大面积的二元光学元件,其制作过程如图2所示。该方法同传统的多次重复掩模图形转印法相比,可以避免多次套刻带来的对准误差,可降低光学元件对衍射效率的影响,且制作周期短、成本低。
编写了与DXF文件一致的接口程序,用它获得了一种矢量图形交换文件(*.LDW)。设计了色分离光栅的具体结构,计算了其衍射效率,并对实验可能带来的误差作了模拟。最后给出了实验结果。
2 实现灰度狭缝扫描的光学系统
图1是激光直写系统的结构示意图。在如图1所示的光路中增加了一个如图2(a)所示的具有灰阶变化的狭缝。激光经过准直后受狭缝调制,把经投影物镜缩小的狭缝像成像在光刻胶板上。狭缝灰度用点的疏密来表示。制作时首先在计算机图像处理软件中生成一灰度狭缝图样的位图,然后经过激光照排机转移到软片上,再然后把软片缩小到所需要的大小,最后得到如图2(a)所示的灰度狭缝。灰度狭缝把经5倍投影物镜精缩成的像成像在光刻胶板上,得到如图2(b)所示的缩小的狭缝像。控制平台沿着垂直狭缝像的方向进行连续扫描,得到如图2(c)所示的具有台阶高度变化的光栅。狭缝像的长度由光栅的周期决定。为了控制方便,设计了周期为120μm的色分离光栅,它对投影物镜的视场要求低,通过矢量化扫描的方式可以制作大面积的光学元件。由于光栅周期的可视尺寸不大,所以在制作灰度狭缝时可同时设计多个周期,这样可以提高扫描刻蚀的速度。由于光栅是三台阶结构,狭缝中的不透光部分确定了未曝光区域,台阶高度与光刻胶的厚度对应,狭缝透光部分是将光刻胶刻透,台阶高度为0,所以仅需要控制中间台阶的曝光量或显影时间。图2中,中间台阶曝光量取决于狭缝中的透光面积与不透光面积的比例。
3 色分离光栅的位相结构
用于惯性约束核聚变(ICF)中的色分离光栅能把基频(1·053μm)、倍频(0·5265μm)和三倍频(0·351μm)这三种频率的入射光分开;能使基频光无衍射地垂直通过光栅;能使倍频光和三倍频光的能量大部分地分别分配到-1级和+1级中。为了工艺研究和检测的方便,对色分离光栅的工作波长稍作了修改,其基频为1·3248μm(n=1·60),倍频为0·6328μm (n=1·63),三倍频为0·4416μm (n=1·656),括号中的n分别表示三种波长的入射光在光刻胶中的折射率。在设计色分离光栅位相结构时,若要使三倍频光的0级衍射效率为100%,则对于三倍频入射光而言,色分离光栅的每个台阶要引入2π的位相延迟,即色分离光栅中每个台阶的光刻胶的厚度h1,h2=2h1应满足:
由于光栅为位相台阶型光栅,其透过率函数为
4 支持矢量化扫描的*·LDW文件
4.1 *.LDW文件的描述
为了实现连续线扫描直写,系统所发出的控制脉冲应该是连续的。AutoCAD作为目前最常用的矢量化图形软件,其应用范围非常广泛。在矢量图形系统中,实现AutoCAD图形文件的接口功能具有十分重要的作用。通过用VC++语言编写读取DXF文件接口程序来生成一种*.LDW的矢量文件。
*.LDW文件是一种以图形元素为单位描述一种矢量图形的文件。例如,直线用两端点的坐标和直线与水平方向的角度来描述,角度的取值范围为-90°~90°,在一、三象限为正值,二、四象限为负值。圆和圆弧图形单元用圆心的坐标、半径及起始角度和终止角度来描述,角度的取值范围为-180°~180°,在一、二象限为正值,三、四象限为负值。不同的图形元素和文件结束分别用不同的标记来标示,每一个图形元素存储的字节数相等,以便控制程序的编写。控制程序每识别一个图形元素的标示,程序对该图形元素可作相应的处理,读到结束标示后退出。
4.2 *.LDW文件的读写方法
水平和垂直直线的处理。LDW文件对连续曝光的点不必先作判断,系统控制脉冲是连续的。例如,读到直线类标示时,先读出直线的两个端点坐标,然后读出直线类的角度。如果是水平直线,则根据直线的长度计算X平台步进电机的相应脉冲数;若相反,则根据直线的长度计算Y平台步进电机的脉冲数,确定平台的平移距离,使基片在光刻头下连续曝光,中间过程不必再作判断;如果不是水平、垂直的直线,则另作处理。
非水平和非垂直的直线及圆、圆弧的处理。由于X平台和Y平台同时运转,不能实现直线的连续曝光,所以在处理有斜率的直线时,须根据文件中的角度来转动转台,使基片转到X平台或Y平台方向,利用X平台或Y平台的连续平移来实现直线的连续曝光。直写完成后,将平台回转到原来的状态。转动前把光刻头和转台的中心对准,旋转后斜线的坐标变为
首先根据上面的坐标转换公式计算斜线在新的坐标系下的坐标,然后根据直线的长度确定平台的平移距离。
同理,当读到圆、圆弧类标示时,先把光刻头与转台的中心对准,然后读出圆心和半径。圆心坐标须设在转台的中心。根据半径的长度移动X平台或Y平台的距离,根据起始角度和终止角度确定转台的转动角度,使基片在光刻头下连续曝光。
5 实验结果及误差分析
图4是用Zygo粗糙度测量仪测量的色分离光栅形貌示意图。可以看出,光栅具有台阶结构。由于色分离光栅台阶深度与周期的比例大约为1∶90,为了在观察视图时方便,相应调整了图4中的纵坐标与横坐标的比例,所以在色分离光栅中最上面的台阶表面看起来有些不平滑,而实际的物理图样是较平滑的。
在实际的色分离光栅制作中,通过调整光刻胶的厚度,可以使光栅台阶的总深度满足要求,但光栅中间的台阶深度需要控制。图4中的中间台阶的测量高度为0·46μm,而理论值应为0·673μm,光刻掉的深度偏深,说明图2中的灰度狭缝的透光区域偏大。
中间台阶的实际高度与理论值的误差error=(0.673-h1)/0.673。计算了二倍频和三倍频的衍射效率误差曲线,曲线中error的范围为0~50%,如图5和图6所示。
由图5和图6可以看出,在制作色分离光栅过程中,随着色分离光栅中间台阶的误差增大,色分离光栅二倍频-1级、三倍频0级的衍射效率逐渐下降。需要指出的是,由于狭缝的透光与不透光的比例会影响光刻胶刻蚀的深度,所以在显影条件相同的情况下,实验中还应该调整狭缝光线的通透比,使得所刻台阶深度与理论值相吻合。限于篇幅的限制,本文没有给出狭缝的灰度值与光刻胶曝光深度的实验关系曲线。
表2是在中间台阶高度误差error=31·6%的情况下计算值与实际所刻的光栅测量值的对比。
6 结 论
本文旨在研究制作浮雕位相光栅的制作工艺。实验中得到了较好的浮雕型位相光栅的结构,为二元光学元件的制作提供了一种低成本、高效率的简便方法。另外,该方法不受成像视场的限制,对制作大面积衍射光学元件是有利的。
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作者简介:魏国军(1975-),男,江西省南昌市人,苏州大学信息光学工程研究所硕士研究生,主要从事光信息处理及器件的研究。
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