微纳加工 | 制备微纳光学元件

微纳光学元件是指面形精度可达亚微米级,表面粗糙度可达纳米级的自由光学曲面及微结构光学元件。由于其具有体积小、重量轻、设计灵活、易阵列化和可批量复制等优点,使其可完成传统光学元件无法实现的新功能,并可构成许多新型的光学系统。目前微光学元件阵列己经成功地应用于现代光学的各个领域,在军事上以及航空航天方面均具有非常重要的应用前景,因而微纳光学元件的制备也成为了表面微加工领域重要的热点研究方向。

微纳光学元件的制备方法主要分为两类：

一类是超精密机械加工技术,主要是利用刀具改变材料形状或破坏材料表层,以切削形式来达到所要求的形状。此类方法的优点是加工过程简单,可加工较复杂三维微纳结构,缺点是加工成本很高,加工范围具有局限性,仅适合加工Al、Cu以及PMMA聚甲基丙烯酸甲酯等少数材料,且加工效率低,难以实现阵列型器件和大规模廉价复制,也不易制作非旋转对称光学元件；

另外一类也是目前制备微纳光学元件的主流技术,是综合了多种现代微细加工技术的光学加工方法。其中最具代表性的是二元光学技术和微纳光学元件直写技术。光学加工方法的优点为可加工任意不规则面型透镜（尤其是二元光学元件）,可以大规模复制,主要的不足之处在于其加工工艺步骤复杂,加工成本高,尤其是对于某些重要光学材料,如在石英,GaAs上加工具有连续平滑的复杂三维结构时仍存在较大困难。

二元光学技术集合了光刻、掩膜、蚀刻以及镀膜技术等现代加工技术,是制备衍射型微纳光学元件的主流技术,它主要是通过微细加工技术制作多相位台阶面形以不断逼近连续光学表面面形,为了得到台阶数为2的n次方的二元结构,需要使用组不同周期的掩膜进行次曝光（如图1.7所示）,如经过一次光刻、显影及刻蚀（干法刻蚀为主后）可得到二台阶结构,同理经过n次套刻后,就可以得到2的n次方个台阶,通过制作多级台阶,即可获得高效率的微纳光学元件。图1.8给出了一个利用二元光学技术技术制备得到的相位焦平面微透镜阵列的电镜照片。

二元光学技术的优点在于其巧妙地克服了加工一个连续相位形状所遇到的困难,开创了制备高效率衍射微纳光学元件的一个新颖也非常重要的方向,并可以在多种材料上进行加工其主要的不足之处在于该方法需要多次甩胶、烘培、显影、刻蚀、去胶、清洗等步骤,并因此需要克服多次套刻过程中在己有图形的基片上再制作图形引起的对准问题,由于其所需工艺设备昂贵,加工步骤复杂,为获得高衍射效率的光学元件而增加一级台阶时,都将是一个昂贵且困难的过程.

微纳光学元件直写技术集成了多种直写技术,包括电子束直写技术、激光束直写技术、聚焦子束加工以及半色调掩膜成像等,并结合复制技术与电铸技术,可制备多种衍射型以及折射型微纳光学元件。其主要制备工艺是首先通过计算机扫描系统控制各种直写技术在不同材料表面,例如玻璃,石英,硅,GaAs,Cu,Al以及光致抗蚀胶表面加工出具有横向特征分辨率优于5um,高度分辨率优于的连续面浮雕御纳结构,具有这些特征浮雕微结构的材料可直接作为微纳光学元件（如,石英,硅,GaAs,Cu,Al等）或者通过电铸以及复制技术进一步转移至其它材料表面如（光刻胶）,进行批量制作。微纳光学元件直写技术的主要优点为可实现连续面浮雕微结构的制作,避免了二元光学方法复杂的加工步骤,并解决了二元光学方法中因多次曝光带来的对准问题。但其主要的缺点在于引入了直写加工这一逐点加工方法,其加工速度相对缓慢,加之直写加工所需要的设备非常昂贵,因此在对石英、GaAs、玻璃等重要光学材料的加工方面存在着高成本,低效率的问题,很大程度上影响了其进一步的应用。图1.9a给出了利用聚焦离子束加工得到的硅衍射型微透镜的照片,图1.9b给出了利用激光束直写技术加工得到的微透镜阵列。

此外,Whitesides等还提出了一种基于微透镜阵列聚焦投影光刻（microlens lithography）的方法,在PDMS聚二甲基硅氧烷材料上制备得到微光学阵列。其首先通过光刻以及热熔的方法在光刻胶表面制备具有微半球结构的微透镜阵列,并使用这一微透镜阵列将通过原始掩模版的光线进一步聚焦至另一光刻胶表面,使得该光刻胶表面区域曝光、显影后得到与原始掩模版形状一致但尺寸大为缩小的微结构阵列,最后通过PDMS复制,即可以得到具有特殊光学用途的PDMS微光学元件。这一方法的优点在于其巧妙地使用了微透镜阵列聚焦投影光刻的办法,获得了尺度在微纳米级别的光学;元件其主要的不足在于其加工的材料仅局限于PDMS这一可塑性较强的高分子材料,而对于多数重要的光学材料,如GaAs、石英等,则无法进行加工。图1.10给出了利用微透镜阵列聚焦投影光刻制备得到的衍射微透镜阵列。

本文摘自《用于半导体和金属表面三维微纳结构制备的新型电化学加工方法及其应用》，厦门大学，张力。详情请看原文。