[发明专利]连续浮雕结构微光学元件干法刻蚀图形传递误差补偿方法

说明书

技术领域

本发明属于微光学元件制造误差补偿方法，主要涉及一种基于仿真和几何形貌迭代的高精度连续浮雕结构干法刻蚀图形传递误差补偿加工方法

背景技术

微光学的发展使光学系统产生深刻的变革。超精细结构衍射光学元件是实现光学系统微型化、阵列化、集成化的重要组成部分。此类衍射光学元件加工是微光学的关键技术之一。

制造连续浮雕的微光学器件，目前的主要方法是直写技术，包括激光直写和电子束直写。经过曝光、显影后，通过干法刻蚀技术将光刻胶上的图形转移到石英或单晶硅等光学材料上。

然而由于加工误差的影响，加工结果相比于理想形貌会产生失真。很难加工出预期的垂直侧壁和尖角，如闪耀光栅和菲涅尔透镜的垂直侧壁。加工出的典型结果在尖角处往往是圆弧形的结构，并且垂直侧壁为一斜面。垂直侧壁的加工误差用斜坡的宽度ε(又称死区)来描述，ε与环带宽度Λ的比值的大小直接影响光学元件的衍射效率。这种形貌失真主要来源于激光直写中的卷积效应和干法刻蚀中的角度依赖性两方面。刻蚀过程中的角度依赖性指的是刻蚀速率随着离子的速度方向与被刻蚀面夹角的变化而变化。离子溅射产额随离子束入射角的增大而增加，在入射角为0°～90°之间达到最大值，尤其对于三维连续浮雕结构，入射角变化范围大刻蚀速率分布不均，在入射角突变处的形貌会被先磨平

瑞士保罗谢勒研究所(Paul Scherrer Institute)的Thomas Hessler等人在1997年提出一种单像素优化(individual pixel optimization)的方法。该方法利用误差迭代，将仿真和理想形貌的误差不断迭代到结果中，得到修正后的曝光数据。这种方法可以减小斜坡区域(死区)的宽度，从而提高衍射效率(Thomas Hessler，etal.Analysis and optimization of fabrication of continuous-relief diffractive opticalelements.Applied Optics.1998，37：4069-4079)。大阪府立大学的Yoshihiko Hirai等人也利用优化曝光剂量提高了微光学元件的加工精度(Yoshihiko Hirai，et al.Imprint lithography for curved cross-sectional structure using replicated Ni mold J.Vac.Sci.Technol.B 2002，20(6)：2867-2871)。然而上述技术都是通过调节激光直写中的曝光剂量来减小圆角和死区误差，该方法只对激光直写卷积效应进行了补偿，得到相对理想的激光直写后的抗蚀剂形貌，而忽略了干法刻蚀过程对于图形传递的影响，最终影响加工结果的精度。

埃朗根-纽伦堡大学Martin Eisner等人于1996年通过反应离子刻蚀技术将光刻胶上的连续浮雕微透镜结构传递到硅上。作者通过调节反应离子刻蚀中气体流量，反应腔内气压和极板放电功率来调节刻蚀速率，成功地复制了三维的微透镜结构(Martin Eisner，et al.Transferring resist microlenses into silicon by reactiveion etching.Optical Engineering 1996，35(10)：2979-2982)。然而这种方法只能通过调整工艺参数的方法减少干法刻蚀过程中的图形传递误差，不能从根本上补偿图形传递误差。同时还需要通过大量的实验摸索工艺参数，不具有普适性，且成本较高。

发明内容

本发明目的在于针对上述已有技术存在的问题，提出一种连续浮雕结构微光学元件干法刻蚀图形传递误差补偿方法，以补偿在干法刻蚀工艺中角度依赖性对图形传递的保真度造成的影响，降低刻蚀过程中微光学器件形貌的失真及侧壁倾斜等图形传递误差，提高光学元件的衍射效率。