[发明专利]表面起伏式绕射光学元件及其制作方法

说明书

本发明涉及一种表面起伏式绕射光学元件，特别是涉及折射率渐变的表面起伏式绕射光学元件及其制作方法。

一般绕射光学元件或光栅元件以种类而言，可分为下列两种：一为体积型绕射元件，就其曝光材料而言，可分为下列三种：第一种是光聚合物(Photopolymer)，具有高效率，不用化学药剂显影、定影等优点，但有价格昂贵及不易批量生产等问题；第二种是卤化银，具有感光快、拍摄简单等优点，但有低效率及产生的绕射元件易受潮等缺点；第三种是重铬酸明胶DCG(Dichromate Gelatin)，虽具高效率，但也有绕射元件易受潮的缺点。换句话说，前述三种材料皆有不易批量生产的缺点。另一为表面起伏型(surfacerelief)绕射元件，主要是利用半导体技术常用的光掩模进行微蚀刻加工(lithography)，在石英或玻璃基板上蚀刻由电脑算出之干涉条纹，或以激光干涉的方式，直接拍摄出所需的光刻胶绕射元件，其制作方式基本上是用涂有光刻胶感光剂的基板，进行曝光制作，再加以蚀刻或电铸成镍模板，以进行批量生产。此种方式具有元件的环境忍受度高、易于批量生产及成本低等优点，但其缺点是，由于此种类型的绕射元件为表面起伏式，当有高效率需求时，无法制作出具有足够深度的干涉条纹，即线条宽深比(aspect ratio)不够高，有效率较低的缺点。为了提高效率，公知技术中已提出各种方式的表面起伏式绕射元件，例如利用多阶式微蚀刻技术产生炫耀光栅(blazed)型之绕射元件或光栅，请参阅图1，在一石英或硅晶基板10上，利用多个精度极高的光掩模经多次光刻工艺(photolithography)与蚀刻(etching)，形成炫耀光栅状的光栅结构20。或如图2所示，在一石英或硅晶基板30上，利用一灰度光掩模50以灰阶曝光方式进行光刻工艺及蚀刻，以产生类似炫耀光栅之光栅结构40，以期加强第一阶绕射，减少或除去不必要的绕射阶。前述灰阶曝光方式亦可利用电子束直写的方式替代。以上皆以控制光栅形状来达到增加效率的目的，故须一道以上的极高精度光掩模、或不同灰度光罩和精密对准技术来完成。

为克服上述现有技术所存在的问题，本发明目的即在于提供一种高效率的表面起伏式绕射元件的结构及其制作方法，是利用一种渐进式(或多层次)光折射率系数分布镀膜技术及半导体制作中常用的蚀刻技术，对镀有渐进式(或多层次)光折射率系数分布镀膜的基板进行蚀刻。以常用的镀膜技术及蚀刻技术产生高效率的表面起伏式绕射元件，而无需使用多重昂贵的电子束光掩模或是具不同灰度的光掩模，及重复高精度曝光显影对准技巧等步骤，便可解决公知的表面起伏式绕射光栅无法达到高效率的问题。

利用绕射元件做为光学元件，主要是由于可利用相位蚀刻方式使绕射元件结构形成凹凸结构的图案，然后使光束经过凹凸结构，而在绕射元件表面产生各点不同相位，亦即各点光程差不同，最后在观测点处形成相位相加，而产生振辐相加的效果。以表面起伏式(surface relief)绕射光学元件或光栅元件而言，由于其利用入射光束产生绕射偏折现象的比例，即绕射效率(diffractionefficiency)，是取决于条纹线宽深比(aspect ratio)，所以一旦元件功能决定，其条纹宽度也就决定，因此为了得到高绕射效率，如何制作出足够深度的条纹便成为制作表面起伏式绕射光学元件的重要课题，因为足够深度的条纹即表示其可提供足够的光程差。另外，改变光程差的方式亦可利用改变光折射率系数来进行，但此种方式一般皆利用镀膜方式来完成。

利用半导体工艺中常用的光刻工艺及微蚀刻技术，在石英或硅晶基板上蚀刻出元件凹凸结构，其制作的凹凸结构基本上为方形，而以激光直接曝光者，多为正弦形，至于其他的形状则较不易制作。

本发明结合前述凹凸结构及渐变折射率两种技术来制作表面起伏式绕射元件，可不必如公知技术一样，为了改变光程而去改变凹凸结构的宽深比，而导致制作的困难与复杂。因此，本发明之方法具有光掩模易对准、易批量生产及成本低等优点。