微電子二元光學器件制作工藝研究論文 二元光學器件的基本制作工藝是超大規模集成電路中的微電子加工技術，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，而二元光學器件則是一種表面的三維浮雕結構，因為要同時控制平面圖形的精細尺寸和縱向深度，所以其加工難度增大。 隨著二元光學技術的發展，二元光學器件已經廣泛用于光學傳感、光通信、光計算、數據存儲等諸多領域。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面上刻蝕衍射圖案，實現折射和衍射混合消像差和較寬波段上的消色差。此外，二元光學器件能產生任意波面以實現許多特殊功能，從而具有重要的應用價值。 1、二元光學器件及其發展概述 二元光學是基于光波衍射理論發展起來的一個新興光學分支，是光學與微電子技術相互滲透、交叉而形成的前沿學科。基于計算機輔助設計和微米級加工技術制成的平面浮雕型二元光學器件具有重量輕、易復制、造價低等特點，并能實現傳統光學難以完成的微小、陣列、集成及任意波面變換等新功能，從而使光學工程與技術在諸如空間技術、激光加工、計算技術與信息處理、光纖通信及生物醫學等現代國防科技與工業的眾多領域中顯示出前所未有的重要作用及廣闊的應用前景。 隨著近代光學和光電子技術的迅速發展，光電子儀器及其元件都發生了深刻而巨大的變化。光學零件已經不僅僅是折射透鏡、棱鏡和反射鏡。諸如微透鏡陣列、全息透鏡、衍射光學元件和梯度折射率透鏡等新型光學元件也越來越多地應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。微光學元件是制造小型光電子系統的關鍵元件，它具有體積小、質量輕、造價低等優點，并且能夠實現普通光學元件難以實現的微小、陣列、集成、成像和波面轉換等新功能。 2、二元光學器件的應用現狀 隨著二元光學技術的發展，二元光學元件已廣泛用于光學傳感、光通信、光計算、數據存儲、激光醫學、娛樂消費以及其他特殊的系統中。也許可以說，它的發展已經經歷了三代。第一代，人們采用二元光學技術來改進傳統的折射光學元件，以提高它們的常規性能，并實現普通光學元件無法實現的特殊功能。 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面上刻蝕衍射圖案，實現折/衍復合消像差和較寬波段上的消色差。此外，二元光學元件能產生任意波面以實現許多特殊功能，而具有重要的應用價值。如材料加工和表面熱處理中的光束整形元件、光學并行處理系統中的光互連元件以及輻射聚焦器等。 目前，二元光學瞄準了多層或三維集成微光學，在成像和復雜的光互連中進行光束變換和控制。多層微光學能夠將光的變換、探測和處理集成在一體，構成一種多功能的集成化光電處理器，這一進展將使一種能按不同光強進行適應性調整、探測出目標的運動并自動確定目標在背景中的位置的圖像傳感器成為可能。這是一種焦平面預處理技術，它以二元光學元件提供靈活反饋和非線性預處理能力。 探測器硅基片上的微透鏡陣列將入射信號光聚焦到陣列探測器的激活區，該基片的集成電路則利用會聚光激發砷化鎵銦二極管發光，其發射光波第二層平面石英基底兩面的衍射元件引導到第三層面硅基底的陣列探測器上，最終得到處理后的信號。 這種多層焦平面預處理器的每一層之間則利用微光學陣列實現互連耦合，它為傳感器的微型化、集成化和智能化開辟了新的途徑。發展趨勢二元光學是建立在衍射理論、計算機輔助設計和微細加工技術基礎上的光學領域的前沿科學之一，超精細結構衍射元件的設計與加工是發展二元光學的關鍵技術。 二元光學的發展不僅使光學系統的設計和加工工藝發生深刻的變革，而且其總體發展趨勢是未來微光學、微電子學和微機械的集成技術和高性能的集成系統 3、二元光學器件的制作工藝 3.1二元光學器件的制作原理 二元光學元件的設計問題十分類似于光學變換系統中的相位恢復問題：已知成像系統中入射場和輸出平面上光場分布，如何計算輸入平面上相位調制元件的相位分布，使得它正確地調制入射波場，高精度地給出預期輸出圖樣，實現所需功能。 近幾年來，隨著制作工藝水平的發展和衍射元件應用領域的擴展，二元光學元件特征尺寸進一步縮小，其設計理論已逐漸從標量衍射理論向矢量衍射理論發展。通常情況下，當二元光學元件的衍射特征尺寸大于光波波長時，可以采用標量衍射理論進行設計。 計算全息就是利用光的標量衍射理論和傅里葉光學進行分析的，關于二元光學元件衍射效率與相位階數之間的數學表達式也是標量衍射理論的結果。在此范圍內，可將二元光學元件的設計看作是一個逆衍射問題，即由給定的入射光場和所要求的出射光場求衍射屏的透過率函數。 二元光學元件的特征尺寸為波長量級或亞波長量級，刻蝕深度也較大(達到幾個波長量級)，標量衍射理論中的假設和近似便不再成立，此時，光波的偏振性質和不同偏振光之間的相互作用對光的衍射結果起著重大作用，必須發展嚴格的矢量衍射理論及其設計方法。 矢量衍射理論基于電磁場理論，須在適當的邊界條件上嚴格地求解麥克斯韋方程組，已經發展幾種有關的設計理論，如積分法、微分法、模態法和耦合波法。前兩種方法雖然可以得到精確的結果，但是很難理解和實現，并需要復雜的數值計算;比較起來，模態法和耦合波法的數學過程相對簡單些，實現也較容易 3.2二元光學器件的制作工藝 二元光學元件的基本制作工藝是超大規模集成電路中的微電子加工技術。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;而二元光學元件則是一種表面三維浮雕結構，需要同時控制平面圖形的精細尺寸和縱向深度，其加工難度更大。 近幾年來，在VLSI加工技術、電子、離子刻蝕技術發展的推動下，二元光學制作工藝方面取得的進展集中表現在：從二值化相位元件向多階相位元件、甚至連續分布相位元件發展;從掩模套刻技術向無掩模直寫技術發展。最早的二元光學制作工藝是用圖形發生器和VLSI技術制作二階相位型衍射光學元件。 隨著高分辨率掩模版制作技術的發展，掩模套刻、多次沉積薄膜的對中精度的提高，可以制作多階相位二元光學元件，大大提高了衍射效率。但是離散化的相位以及掩模的對準誤差，仍影響二元光學元件的制作精度和衍射效率的提高。由直寫技術的應用，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入所需的二維或三維浮雕圖案。利用這種直寫技術，通過控制電子束在不同位置處的曝光量，或調制激光束強度，可以刻蝕多階相位乃至連續分布的表面浮雕結構。 無掩模直寫技術較適于制作單件的二元或多階相位元件，或簡單的連續輪廓，而利用激光掩模和套刻制作更適合于復雜輪廓和成批生產。在掩模圖案的刻蝕技術中，主要采用高分辨率的反應離子刻蝕、薄膜沉積技術。其中離子束刻蝕的分辨率高達0.1m，且圖案邊緣陡直準確，是一種較為理想的加工手段。