專利名稱：一種平面連續(xù)衍射聚光透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及連續(xù)衍射光學(xué)元件，具體涉及一種平面連續(xù)衍射聚光透鏡制作 方法。
背景技術(shù)：
隨著空間技術(shù)的發(fā)展，小型化、輕質(zhì)量、高性能逐漸成為航天器發(fā)展的主 要方向之一。衍射光學(xué)元件應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)有利于減小系統(tǒng)體積、減輕重量、 簡化光學(xué)系統(tǒng)以及提高成像質(zhì)量。因此，衍射光學(xué)元件在空間遙感領(lǐng)域有很好 的應(yīng)用前景。衍射光學(xué)元件主要依靠透鏡表面衍射微結(jié)構(gòu)對光幅或者相位實現(xiàn) 調(diào)制，微結(jié)構(gòu)衍射面通常是相位連續(xù)變化的曲面或者平面。長期以來，由于制 作技術(shù)的不成熟，連續(xù)衍射微結(jié)構(gòu)無法制作出來，導(dǎo)致衍射光學(xué)元件無法普及 應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)發(fā)展，美國麻省理工學(xué)院利用有半導(dǎo)體工藝制作出 了二元光學(xué)元件，該元件采用臺階狀微結(jié)構(gòu)近似連續(xù)衍射微結(jié)構(gòu)，具有較高的 衍射效率，使得衍射光學(xué)元件得到了較大范圍的應(yīng)用。然而，二元光學(xué)元件的 衍射效率與臺階數(shù)成比例，臺階數(shù)越多，衍射效率也越高，同時也增加了掩模 制作次數(shù)，對準(zhǔn)精度要求更高。因此，二元光學(xué)元件衍射效率很難做得很高， 工藝繁瑣，成品率很低，成本較高。隨著工藝技術(shù)的發(fā)展，人們采用金剛石切 削法加工除了紅外連續(xù)衍射微結(jié)構(gòu)，但由于加工精度很低，衍射效率也很低。 后來又發(fā)展出利用掩模移動曝光的方法制作出了連續(xù)衍射微結(jié)構(gòu)，制作精度比 較高，但制作連續(xù)微結(jié)構(gòu)的種類受限，且工藝很難控制，無法普及。隨著激光 加工技術(shù)的發(fā)展，采用激光直寫法和反應(yīng)離子束刻蝕法相結(jié)合的技術(shù)制作連續(xù) 衍射光學(xué)元件成為了可能。
激光直寫法和反應(yīng)離子束刻蝕法相結(jié)合制作連續(xù)型衍射光學(xué)元件具有制作 精度高、工藝簡單、周期短以及成本低等優(yōu)點，采用該技術(shù)制作的連續(xù)衍射光學(xué)元件具有很高的衍射效率。因此，激光直寫技術(shù)成為現(xiàn)階段衍射光學(xué)元件制 作的首選技術(shù)之一。
平面連續(xù)衍射聚光透鏡衍射效率高，應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)有助于減小體積、減 輕重量、提高成像質(zhì)量等。本方法發(fā)明前，沒有其它技術(shù)可以制作出平面連續(xù) 衍射聚光透鏡。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供的一種平面連續(xù)型衍射聚光透 鏡的制備方法，具體包括平面連續(xù)衍射聚光透鏡掩模制作和圖形轉(zhuǎn)移兩個步驟。 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的
(1) 基片材料選用石英玻璃。采用重鉻酸鉀與濃硫酸的混合溶液對基片進(jìn) 行浸泡清洗3 5小時，取出并經(jīng)烘干處理后，利用旋轉(zhuǎn)涂膠機(jī)進(jìn)行涂膠，涂膠
機(jī)轉(zhuǎn)速4000轉(zhuǎn)/分鐘~7000轉(zhuǎn)/分鐘，膠層厚度在1 y m 2. 5 u m。將涂有光刻膠 層的基片置于真空烘箱中進(jìn)行預(yù)烘烤，預(yù)烘烤溫度在90TTlO(TC范圍，烘烤時 間在30mirT60min之間，而后得到光刻膠版。依據(jù)透鏡設(shè)計微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，利用 激光曝光能量與微結(jié)構(gòu)半徑和微結(jié)構(gòu)深度的關(guān)系，形成激光曝光所需的能量文 件。在激光直寫設(shè)備上進(jìn)行激光刻寫曝光。將刻寫曝光后的光刻膠版置于顯影 液中顯影，顯影時間10s 60s，顯影后，光刻膠版表面光刻膠層形成與透鏡設(shè) 計微結(jié)構(gòu)相似的連續(xù)微結(jié)構(gòu)。然后將顯影后的光刻膠版置于真空千燥箱中堅模 烘烤，溫度100°C 140°C，烘烤時間20min 40min。堅模后可形成平面連續(xù) 衍射聚光透鏡掩模。
(2) 將制作好的平面連續(xù)衍射聚光透鏡掩模置于反應(yīng)離子束刻蝕設(shè)備中刻 蝕實現(xiàn)連續(xù)衍射微結(jié)構(gòu)圖形轉(zhuǎn)移。選用六氟化硫(SFJ為刻蝕氣體，流量為30 45sccm/min，射頻功率10 80W，反應(yīng)腔腔壓2. 8 3. 5Pa。在上述工藝參數(shù)條 件下進(jìn)行反應(yīng)刻蝕，刻蝕后可將光刻版膠層的連續(xù)微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到基片表面，形 成平面連續(xù)衍射聚光透鏡。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是
(1) 本發(fā)明整個過程自動化控制，工藝穩(wěn)定，重復(fù)性好，操作簡便，產(chǎn)品 合格率高。
(2) 本發(fā)明由于采用極坐標(biāo)激光直寫工藝，提高了微結(jié)構(gòu)制作精度，提高 了衍射效率。
具體實施例方式
本發(fā)明采用極坐標(biāo)激光直寫設(shè)備結(jié)合反應(yīng)離子束刻蝕設(shè)備進(jìn)行，極坐標(biāo)激 光直寫設(shè)備主要由工控計算機(jī)、激光器、光路準(zhǔn)直透鏡組、自動聚焦系統(tǒng)、徑 向坐標(biāo)控制系統(tǒng)、角向坐標(biāo)控制系統(tǒng)等部分組成；反應(yīng)離子束刻蝕設(shè)備主要由 控制部分、反應(yīng)刻蝕室等組成。
實施例1
1. 平面連續(xù)衍射聚光透鏡掩模的制作
在重鉻酸鉀與濃硫酸的混合溶液中浸泡3. 5小時；用去離子水擦洗并沖 洗；然后用甩膠機(jī)甩干，再置于烘干機(jī)中8(TC烘烤35分鐘，最后室溫冷卻。 在清洗好的基片表面涂覆光刻膠，光刻膠型號S1860。涂膠采用旋轉(zhuǎn)涂膠法， 涂膠設(shè)備采用旋轉(zhuǎn)勻膠機(jī)，可通過控制轉(zhuǎn)速調(diào)整膠厚，轉(zhuǎn)速在4000轉(zhuǎn)/分鐘， 膠層厚度在2um。將涂有光刻膠層的基片置于真空烘箱中進(jìn)行預(yù)烘烤，預(yù)烘烤 溫度在9(TC，烘烤時間在40min，而后得到光刻膠版。按透鏡掩模的設(shè)計數(shù)據(jù) (刻寫半徑、刻寫深度)與激光能量的關(guān)系計算、編寫并編譯成CLWS-300C/M 極坐標(biāo)激光直寫設(shè)備的控制程序，形成能量程序文件。選用CLWS-300C/M極坐 標(biāo)激光直寫設(shè)備；將上述光刻膠版置于設(shè)備旋轉(zhuǎn)臺中心位置，調(diào)整刻寫中心， 使其中心保持一致，開啟激光直寫設(shè)備，實施對光刻膠版的自動刻寫；激光直 寫設(shè)備的激光能量設(shè)定600mW，工作半徑設(shè)定50mm?？虒懡Y(jié)束后對光刻膠版 顯影。顯影液型號Microposit351，顯影時間為將顯影后的膠版置于真空干燥箱堅模烘烤，溫度120°C，烘烤時間30min。 堅模完成后可得到平面連續(xù)衍射聚光透鏡掩模。
2.反應(yīng)離子束刻蝕法圖形轉(zhuǎn)移
將制作好的平面連續(xù)衍射聚光透鏡掩模置于反應(yīng)離子束刻蝕設(shè)備中刻蝕實 現(xiàn)連續(xù)衍射微結(jié)構(gòu)圖形轉(zhuǎn)移。選用六氟化硫(SF》為刻蝕氣體，流量為 30sccm/rain，射頻功率60W,反應(yīng)腔腔壓3. 5Pa;在上述工藝參數(shù)條件下進(jìn)行反 應(yīng)刻蝕，刻蝕后可將光刻版膠層的連續(xù)微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到基片表面。
刻蝕完成后可制作出平面連續(xù)衍射聚光透鏡。
權(quán)利要求
1、一種平面連續(xù)型衍射聚光透鏡的制備方法，具體包括平面連續(xù)衍射聚光透鏡掩模制作和圖形轉(zhuǎn)移兩個步驟；其特征在于步驟1采用重鉻酸鉀與濃硫酸的混合溶液對基片進(jìn)行浸泡清洗3~5小時，取出并經(jīng)烘干處理后，利用旋轉(zhuǎn)涂膠機(jī)進(jìn)行涂膠，涂膠機(jī)轉(zhuǎn)速2000轉(zhuǎn)/分鐘~7000轉(zhuǎn)/分鐘，膠層厚度在1μm~2.5μm；將涂有光刻膠層的基片置于真空烘箱中進(jìn)行預(yù)烘烤，預(yù)烘烤溫度在90℃~100℃范圍，烘烤時間在30min~60min之間，而后得到光刻膠版；依據(jù)透鏡設(shè)計微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，利用激光曝光能量與微結(jié)構(gòu)半徑和微結(jié)構(gòu)深度的關(guān)系，形成激光曝光所需的能量文件；在激光直寫設(shè)備上進(jìn)行激光刻寫曝光；將刻寫曝光后的光刻膠版置于顯影液中顯影，顯影時間10s~60s，顯影后，光刻膠版表面光刻膠層形成與透鏡設(shè)計微結(jié)構(gòu)相似的連續(xù)微結(jié)構(gòu)；然后將顯影后的光刻膠版置于真空干燥箱中堅模烘烤，溫度100℃～140℃，烘烤時間20min～40min；堅模后可形成平面連續(xù)衍射聚光透鏡掩模；步驟2將制作好的平面連續(xù)衍射聚光透鏡掩模置于反應(yīng)離子束刻蝕設(shè)備中刻蝕實現(xiàn)連續(xù)衍射微結(jié)構(gòu)圖形轉(zhuǎn)移；選用六氟化硫SF6為刻蝕氣體，流量為30～45sccm/min，射頻功率10～80W，反應(yīng)腔腔壓2.8～3.5Pa；在上述工藝參數(shù)條件下進(jìn)行反應(yīng)刻蝕，刻蝕后可將光刻版膠層的連續(xù)微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到基片表面，形成平面連續(xù)衍射聚光透鏡。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平面連續(xù)型衍射聚光透鏡的制備方法，其特 征在于基片材料選用石英玻璃。
全文摘要
本發(fā)明公開一種平面連續(xù)衍射聚光透鏡的方法，它包括平面連續(xù)衍射聚光透鏡掩模的制作和利用反應(yīng)粒子束刻蝕方法進(jìn)行連續(xù)微結(jié)構(gòu)圖形轉(zhuǎn)移兩個部分。本方法采用激光直寫技術(shù)對光刻膠版表面光刻膠進(jìn)行定位定量曝光，顯影后在光刻膠層形成連續(xù)衍射微結(jié)構(gòu)，經(jīng)過加熱等處理后形成掩模；然后采用反應(yīng)離子束刻蝕的方法，將掩模表面的微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到基片表面形成平面連續(xù)衍射聚光透鏡。其特點在于制作精度高，制作周期短，制作過程簡單，制作成本較低等。該方法適合于輕質(zhì)、高性能平面連續(xù)衍射聚光透鏡的制作。與其它制作方法相比，激光直寫法是最先進(jìn)的方法之一，能夠滿足高精度高性能連續(xù)衍射元件的制作要求。
文檔編號G02B5/18GK101470224SQ200710304630
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月28日
發(fā)明者劉宏開, 葉自煜, 熊玉卿, 王多書, 羅崇泰, 燾 陳, 馬勉軍 申請人:中國航天科技集團(tuán)公司第五研究院第五一〇研究所