微電子二元光學(xué)器件制作工藝研究論文
二元光學(xué)器件的基本制作工藝是超大規(guī)模集成電路中的微電子加工技術(shù)，但微電子加工屬薄膜圖形加工，主要控制的是二維的薄膜圖形，而二元光學(xué)器件則是一種表面的三維浮雕結(jié)構(gòu)，因?yàn)橐瑫r(shí)控制平面圖形的精細(xì)尺寸和縱向深度，所以其加工難度增大。
隨著二元光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，二元光學(xué)器件已經(jīng)廣泛用于光學(xué)傳感、光通信、光計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等諸多領(lǐng)域。這類器件主要用于像差校正和消色差，通常的方法是在球面折射鏡的一個(gè)面上刻蝕衍射圖案，實(shí)現(xiàn)折射和衍射混合消像差和較寬波段上的消色差。此外，二元光學(xué)器件能產(chǎn)生任意波面以實(shí)現(xiàn)許多特殊功能，從而具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
1、二元光學(xué)器件及其發(fā)展概述
二元光學(xué)是基于光波衍射理論發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新興光學(xué)分支，是光學(xué)與微電子技術(shù)相互滲透、交叉而形成的前沿學(xué)科。基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和微米級(jí)加工技術(shù)制成的平面浮雕型二元光學(xué)器件具有重量輕、易復(fù)制、造價(jià)低等特點(diǎn)，并能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)難以完成的微小、陣列、集成及任意波面變換等新功能，從而使光學(xué)工程與技術(shù)在諸如空間技術(shù)、激光加工、計(jì)算技術(shù)與信息處理、光纖通信及生物醫(yī)學(xué)等現(xiàn)代國(guó)防科技與工業(yè)的眾多領(lǐng)域中顯示出前所未有的重要作用及廣闊的應(yīng)用前景。
隨著近代光學(xué)和光電子技術(shù)的迅速發(fā)展，光電子儀器及其元件都發(fā)生了深刻而巨大的變化。光學(xué)零件已經(jīng)不僅僅是折射透鏡、棱鏡和反射鏡。諸如微透鏡陣列、全息透鏡、衍射光學(xué)元件和梯度折射率透鏡等新型光學(xué)元件也越來(lái)越多地應(yīng)用在各種光電子儀器中，使光電子儀器及其零部件更加小型化、陣列化和集成化。微光學(xué)元件是制造小型光電子系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，它具有體積小、質(zhì)量輕、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)普通光學(xué)元件難以實(shí)現(xiàn)的微小、陣列、集成、成像和波面轉(zhuǎn)換等新功能。
2、二元光學(xué)器件的應(yīng)用現(xiàn)狀
隨著二元光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，二元光學(xué)元件已廣泛用于光學(xué)傳感、光通信、光計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、激光醫(yī)學(xué)、娛樂(lè)消費(fèi)以及其他特殊的系統(tǒng)中。也許可以說(shuō)，它的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了三代。第一代，人們采用二元光學(xué)技術(shù)來(lái)改進(jìn)傳統(tǒng)的折射光學(xué)元件，以提高它們的常規(guī)性能，并實(shí)現(xiàn)普通光學(xué)元件無(wú)法實(shí)現(xiàn)的特殊功能。
這類元件主 要用于相差校正和消色差。通常是在球面折射透鏡的一個(gè)面上刻蝕衍射圖案，實(shí)現(xiàn)折/衍復(fù)合消像差和較寬波段上的消色差。此外，二元光學(xué)元件能產(chǎn)生任意波面以實(shí)現(xiàn)許多特殊功能，而具有重要的應(yīng)用價(jià)值。如材料加工和表面熱處理中的光束整形元件、光學(xué)并行處理系統(tǒng)中的光互連元件以及輻射聚焦器等。
目前，二元光學(xué)瞄準(zhǔn)了多層或三維集成微光學(xué)，在成像和復(fù)雜的光互連中進(jìn)行光束變換和控制。多層微光學(xué)能夠?qū)⒐獾淖儞Q、探測(cè)和處理集成在一體，構(gòu)成一種多功能的集成化光電處理器，這一進(jìn)展將使一種能按不同光強(qiáng)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整、探測(cè)出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)并自動(dòng)確定目標(biāo)在背景中的位置的圖像傳感器成為可能。這是一種焦平面預(yù)處理技術(shù)，它以二元光學(xué)元件提供靈活反饋和非線性預(yù)處理能力。
探測(cè)器硅基片上的微透鏡陣列將入射信號(hào)光聚焦到陣列探測(cè)器的激活區(qū)，該基片的集成電路則利用會(huì)聚光激發(fā)砷化鎵銦二極管發(fā)光，其發(fā)射光波第二層平面石英基底兩面的衍射元件引導(dǎo)到第三層面硅基底的陣列探測(cè)器上，最終得到處理后的.信號(hào)。
這種多層焦平面預(yù)處理器的每一層之間則利用微光學(xué)陣列實(shí)現(xiàn)互連耦合，它為傳感器的微型化、集成化和智能化開(kāi)辟了新的途徑。發(fā)展趨勢(shì)二元光學(xué)是建立在衍射理論、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和微細(xì)加工技術(shù)基礎(chǔ)上的光學(xué)領(lǐng)域的前沿科學(xué)之一，超精細(xì)結(jié)構(gòu)衍射元件的設(shè)計(jì)與加工是發(fā)展二元光學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)。
二元光學(xué)的發(fā)展不僅使光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和加工工藝發(fā)生深刻的變革，而且其總體發(fā)展趨勢(shì)是未來(lái)微光學(xué)、微電子學(xué)和微機(jī)械的集成技術(shù)和高性能的集成系統(tǒng)
3、二元光學(xué)器件的制作工藝
3.1二元光學(xué)器件的制作原理
二元光學(xué)元件的設(shè)計(jì)問(wèn)題十分類似于光學(xué)變換系統(tǒng)中的相位恢復(fù)問(wèn)題：已知成像系統(tǒng)中入射場(chǎng)和輸出平面上光場(chǎng)分布，如何計(jì)算輸入平面上相位調(diào)制元件的相 位分布，使得它正確地調(diào)制入射波場(chǎng)，高精度地給出預(yù)期輸出圖樣，實(shí)現(xiàn)所需功能。
近幾年來(lái)，隨著制作工藝水平的發(fā)展和衍射元件應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，二元光學(xué)元件 特征尺寸進(jìn)一步縮小，其設(shè)計(jì)理論已逐漸從標(biāo)量衍射理論向矢量衍射理論發(fā)展。通常情況下，當(dāng)二元光學(xué)元件的衍射特征尺寸大于光波波長(zhǎng)時(shí)，可以采用標(biāo)量衍射理 論進(jìn)行設(shè)計(jì)。
計(jì)算全息就是利用光的標(biāo)量衍射理論和傅里葉光學(xué)進(jìn)行分析的，關(guān)于二元光學(xué)元件衍射效率與相位階數(shù)之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式也是標(biāo)量衍射理論的結(jié)果。在 此范圍內(nèi)，可將二元光學(xué)元件的設(shè)計(jì)看作是一個(gè)逆衍射問(wèn)題，即由給定的入射光場(chǎng)和所要求的出射光場(chǎng)求衍射屏的透過(guò)率函數(shù)。
二元光學(xué)元件的特征 尺寸為波長(zhǎng)量級(jí)或亞波長(zhǎng)量級(jí)，刻蝕深度也較大(達(dá)到幾個(gè)波長(zhǎng)量級(jí))，標(biāo)量衍射理論中的假設(shè)和近似便不再成立，此時(shí)，光波的偏振性質(zhì)和不同偏振光之間的相互 作用對(duì)光的衍射結(jié)果起著重大作用，必須發(fā)展嚴(yán)格的矢量衍射理論及其設(shè)計(jì)方法。
矢量衍射理論基于電磁場(chǎng)理論，須在適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件上嚴(yán)格地求解麥克斯韋方程 組，已經(jīng)發(fā)展幾種有關(guān)的設(shè)計(jì)理論，如積分法、微分法、模態(tài)法和耦合波法。前兩種方法雖然可以得到精確的結(jié)果，但是很難理解和實(shí)現(xiàn)，并需要復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算; 比較起來(lái)，模態(tài)法和耦合波法的數(shù)學(xué)過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單些，實(shí)現(xiàn)也較容易
3.2二元光學(xué)器件的制作工藝
二元光學(xué)元件的基本制作工藝是超大規(guī)模集成電路中的微電子加工技術(shù)。但是，微電子加工屬薄膜圖形加工，主要需控制的是二維的薄膜圖形;而二元光學(xué)元件則是一種表面三維浮雕結(jié)構(gòu)，需要同時(shí)控制平面圖形的精細(xì)尺寸和縱向深度，其加工難度更大。
近幾年來(lái)，在VLSI加工技術(shù)、電子、離子刻蝕技術(shù)發(fā)展的推動(dòng) 下，二元光學(xué)制作工藝方面取得的進(jìn)展集中表現(xiàn)在：從二值化相位元件向多階相位元件、甚至連續(xù)分布相位元件發(fā)展;從掩模套刻技術(shù)向無(wú)掩模直寫(xiě)技術(shù)發(fā)展。最早的二元光學(xué)制作工藝是用圖形發(fā)生器和VLSI技術(shù)制作二階相位型衍射光學(xué)元件。
隨著高分辨率掩模版制作技術(shù)的發(fā)展，掩模套刻、多次沉積薄膜的對(duì)中精度的提高，可以制作多階相位二元光學(xué)元件，大大提高了衍射效率。但是離散化的相位以及掩模的對(duì)準(zhǔn)誤差，仍影響二元光學(xué)元件的制作精度和衍射效率的提高。由直寫(xiě)技術(shù)的應(yīng)用，省去掩模制作工序，直接利用激光和電子束在基底材料上寫(xiě)入所需的二維或三維浮雕圖案。利用這種直寫(xiě)技術(shù)，通過(guò)控制電子束在不同位置處的曝光量，或調(diào)制激光束強(qiáng)度，可以刻蝕多階相位乃至連續(xù)分布的表面浮雕結(jié)構(gòu)。
無(wú)掩模直寫(xiě)技術(shù)較適于制作單件的二元或多階相位元件，或簡(jiǎn)單的連續(xù)輪廓，而利用激光掩模和套刻制作更適合于復(fù)雜輪廓和成批生產(chǎn)。在掩模圖案的刻蝕技術(shù)中，主要采用高分辨率的反應(yīng)離子刻蝕、薄膜沉積技術(shù)。其中離子束刻蝕的分辨率高達(dá)0.1μm，且圖案邊緣陡直準(zhǔn)確，是一種較為理想的加工手段。
4、結(jié)束語(yǔ)：
隨著二元光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，二元光學(xué)器件已經(jīng)廣泛用于光學(xué)傳感、光通信、光計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等諸多領(lǐng)域。這種技術(shù)的應(yīng)用使得很多領(lǐng)域得到了快速的發(fā)展，為社會(huì)的進(jìn)步做出了很大貢獻(xiàn)。總之，我國(guó)的發(fā)展要依靠科技的進(jìn)步，所以國(guó)家還要進(jìn)一步的發(fā)展科技，最終實(shí)現(xiàn)我國(guó)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)的偉大宏愿。
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