微纳加工 | 三维光学结构灰度光刻

灰度加工技术能够使各种微光学元件应用于不同领域，利用轮廓光刻成形方法和图形刻蚀转印技术可以加工衍射和折射两种微光学元件。较常用于加工的微光学元件包括分束衍射光学元件、光束成形衍射元件、散射或使光均匀分布的衍射光学元件、衍射透镜和透镜阵列、折射微透镜和微透镜阵列（Micro-LensArray，MLA），以及其他相位调制光学元件。已经在各种基板材料上制造出应用于电磁波谱范围的上述功能性微光学元件，并制造出应用于光学辐射波谱范围的微光学元件，光谱范围从波长为157nm的深紫外光（DeepUltraviolet，DUV）到波长14μm的长波红外光（Long-WaveInfrared，LWIR）。

灰度光刻是通过制造出一种光掩模，使透射通过该掩模的光辐射强度随空间位置变化。以下几种方法都可以达到此目的，包括具有空间变化光学密度的光掩模、具有空间变化光吸收的光掩模，以及利用变尺寸微结构的掩模板调制掩模范围内局部透过的光通量。Gal等人研发出属于第一类灰度光刻术的技术和制造微光学元件的图形刻蚀转印技术。灰度加工技术应用一次光刻术反应过程就可以在光敏聚合物上刻印出所希望的微光学三维结构图形。

使用灰度光刻制造技术，使设计师在解决微光学问题时具有更大自由度，可将正（凸）表面和负（凹）表面组合在同一个光学元件中。根据灰度成形的光致抗蚀剂能够加工出沿正交轴具有正、负曲率的变形物镜或者“马鞍”形镜头，能够形成马鞍形折射表面以校正像散波前。利用灰度加工技术可以非常容易地制造非球面物镜和抛物柱面透镜，以及在一个光学表面上实现多种功能的微光学元件，例如使光聚焦和分束。应用灰度光刻技术已经生产出非传统光学元件，其中就包括了相位表面微光学透镜，例如相位扩散镜、光束积分器（或光束集成器）、光栅或光斑生成仪。

用灰度光刻技术制造的一些普通微光学结构的实例如图1.1所示，包括：平滑的开诺（相息）衍射透镜，同一个光学表面具有聚焦和分束双重功能的微光学元件，以及具有高填充因子的正、负MLA。应用反应离子刻蚀（RIE）技术可以将光刻图形的特征轮廓永久转印在基板表面上。反应刻蚀图形转印法可利用电容耦合刻蚀装置或高密度等离子体装置，包括电感耦合等离子体（InductivelyCoupledPlas-ma，ICP）刻蚀仪。在微电子领域中，对应用较理想的等离子体刻蚀技术进行了修正，使其能够成功刻蚀包括功能性微光学装置的晶片；同时对氧化物材料、硅和复合半导体使用的工业标准等离子体刻蚀工艺做了改进，使之适用于将微光学结构加工转印到上述各种基板材料上。

图1.1利用灰度处理工艺加工的典型微光学元件的SEM图像（包括衍射透镜、具有聚焦和分束双重功能的微光学元件，以及凸、凹微透镜阵列）