微光学阵列元件离子束刻蚀制作的分析与讨论.doc

微光学阵列元件离子束刻蚀制作的分析与讨论 7\7o\\Ao2 第26卷增刊(I 1998年11月 华中理工大学 J.HuazhongUniv.ofSci.amp;Tech. Vo1.26SuP.I NOV.1998 0 ?26 1— 微光学阵列元件离子束刻蚀制作 (十列的分析与讨论 张新宇易新建何苗赵兴荣 —主光电子工程系) 7{}_ 摘要阐述了利用离子束刻蚀技术制作散光学阵列元件的工艺条件.研究和实验结果表明?通过光刻热熔 法制作的光致抗蚀剂掩模图形经具有不同能量的离子束刻蚀后可以有效地实现向衬底材料上所作的选择性 转移.所作的理论分析结果为非球面微光学阵列元件的制作提供丁一条可行的技术逮径. 关键词堡三塞丝堕;钢怍 分类号TN30 将离子束刻蚀应用于微光学阵列元件的制作 是近年来发展较快的一种精密的微细加工技术. 该技术具有邻近效应少,刻蚀分辨率高,与由大多 数通用的光致抗蚀剂所制成的掩模图形的匹配特 性好,环境污染小,费用较为低廉,刻蚀工艺的可 控性良好等特点,在微光学阵列元件的制作方面 具有广阔的发展前景,正日益受到重视].本研 究对通过利用光刻热熔法制作的柱形光致抗蚀剂 掩模来制作具有不同曲率的微光学元件的离子束 刻蚀技术进行了分析和讨论. 1实验 实验分为两个步骤,首先在村底材料上通过 光刻热熔法制作光致抗蚀剂掩模图形,然后利用 离子束刻蚀制作若干种具有不同结构及尺寸的微 光学阵列元件. a.光刻热熔法制模,在衬底材料上利用光刻 热熔法制作光致抗蚀剂掩模图形的简要工艺流程 如下:首先对村底材料进行预处理,再利用旋转离 心法涂胶,每次涂胶后在适当的温度下快速烘焙, 然后利用紫外线通过铬版将光致抗蚀剂膜板曝 光,经显影和冲洗后得到光致抗蚀剂掩膜图形.最 后采用熔融成形法制出具有预定参数指标的光致 抗蚀剂掩模图形并经固化处理.图l所示为在石 英村底上制成的光致抗蚀剂掩模图形的表面探针 测试曲线. b.离子柬刻蚀.在实验中?选用电离后的氩 作刻蚀离子,刻蚀操作在国产ID一3型离子束镀 膜刻蚀机上进行,采用Kaufman宽束离子源,真 挖摸光j}J熟烤 空工作室的本底真 空度为lOPa量 级,工作气压为 10Pa量级,氩 离子束的能量为 10eV量级,氲离图1石英衬底上所制成的光 子束的束流在40致抗蚀剂掩模图形的表 ～ 70mA的范围面探针测试曲线 内可调,束流直径(垂直2.200m?水平52m 约为10ClTI,束流的入射角度约为45..采用大功 率半导体热电致冷器冷却衬底,在刻蚀操作的过 程中衬底匀速转动,热阴极电流约为6.0A.图2 所示为氩离子束刻蚀的原理示意图. 热 图2氩离子束刘蚀的原理示意图 2分析与讨论 离子束刻蚀是一种利用具有一定能量的离子 收稿日期:1997—10—08. 张新宇?男?1965年生?博士}武汉?华中理工大学光电于工程系(430074) 华中理工大学 束轰击靶材料的表面从而使之被逐层剥离的技 术.通过控制离子束的能量可以实现掩模图形向 衬底材料上所作冉勺选择性转移,进而制作出若干 种具有不同光学特性的微光学阵列元件我们根 据实验所得出的离子束刻蚀速率s的经验关系 式为: y(E+)(K2一Q3bsinK(一) .一
————1———一’ 式中,,为离子束的束流密度(mA?cm)iP为 靶材料的密度(个?cm);户.为作离子束刻蚀的 材料所必须具有的最小密度;Y(E,)为单个人 射离子所能溅射出的粒子数;0为离子束对靶材 料所作刻蚀的角度i.为初始位相iK至Ks及Q 均为各相关常数. 为了通过离子束刻蚀有效地实现光致抗蚀剂 掩膜图形向衬底材料上所到之处作的转移,在衬 底材料及工作条件选定的情况下,须合理配置各 项工艺参数具体的分析过程如下所述图3为 光致抗蚀剂掩模图形向衬底材料上所作转移的示 衬底圈 0IykyL) 光致抗蚀剂掩棋图形 amp;1 lt;gt; 形\ 圈3光致抗蚀剂掩模图形向衬底 材料上转移的示意图 意图由此图可见+圆弧形的光致抗蚀剂掩模图形 横剖面的轮廓线方程为: +Y=一(II≤a/2,r—h1≤Y≤r). 相邻圆弧图形间的平坦区域的方程为: Y—h2(I≥a/2.II≤(n十4)/2). 在不考虑光致抗蚀剂掩模图形在离子束刻蚀过程 中的收缩效应和局部表面薄层胶膜被离子束无效 剥离的效应的前提下,可得出最终转移到村底材 料上的图形的轮廓线方程+ }十一[(j～h2)十g/c]一 (I≤n/2)+(1) 式中,c—S/$2,其中的s为经固化处理后的光 致抗蚀剂掩模图形的离子束刻蚀速率;S.为村底 材料的离子束刻蚀速率.衬底材料上相邻凸状图 形间的平坦区域的方程为 Y1=hz—b (II≥口/2,II≤(n+4))(2) 方程(1)和(2)是制作微光学阵列元件的理论 基础.以