[發(fā)明專利]一種大口徑薄膜衍射透鏡微結(jié)構(gòu)刻蝕傳遞方法及工裝

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910018410.1
• 申請(qǐng)日: 2019-01-09
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109491101B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-10-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李志煒;邵俊銘;鞏暢暢;蔣青峰;高國(guó)涵;汪利華;石恒;雷柏平;邊疆;范斌
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所
• 主分類號(hào): G02B27/42
• 分類號(hào): G02B27/42
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

本發(fā)明涉及一種大口徑薄膜衍射透鏡微結(jié)構(gòu)刻蝕傳遞方法及工裝，解決了大口徑帶框薄膜透鏡無(wú)法通過(guò)反應(yīng)離子刻蝕將光刻膠微結(jié)構(gòu)均勻地傳遞到薄膜基底上的問(wèn)題。本發(fā)明提供的大口徑薄膜衍射透鏡微結(jié)構(gòu)傳遞方法，在傳統(tǒng)單頻容性耦合大口徑反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備中即可實(shí)現(xiàn)全片高均勻性微結(jié)構(gòu)刻蝕傳遞，滿足大口徑薄膜衍射透鏡成像衍射效率均勻性要求，可以確保在刻蝕前后大口徑薄膜衍射透鏡波前畸變不因微結(jié)構(gòu)刻蝕傳遞過(guò)程發(fā)生大的波動(dòng)，全口徑刻蝕深度均勻性優(yōu)于±6％，刻蝕工藝條件穩(wěn)定易控制，重復(fù)性好，可適配多種不同型號(hào)的薄膜鏡框，操作方便，便于推廣。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明設(shè)計(jì)一種大口徑薄膜衍射透鏡微結(jié)構(gòu)傳遞方法及工裝，屬于衍射光學(xué)元件微結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域。

背景技術(shù)

大口徑空間望遠(yuǎn)鏡在天文、航空、航天、軍工及民用領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用，尤其是現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)形式的發(fā)展對(duì)空間遙感系統(tǒng)提出了更高的要求。地球遙感衛(wèi)星具有高時(shí)效、持續(xù)探測(cè)能力等優(yōu)勢(shì)，適合未來(lái)軍事發(fā)展的需求。

為了進(jìn)一步獲得對(duì)更遠(yuǎn)目標(biāo)高成像質(zhì)量和高分辨率的觀測(cè)圖像，提高地球遙感衛(wèi)星對(duì)地分辨率，更大口徑是最基本的要求。但是現(xiàn)有的傳統(tǒng)大口徑望遠(yuǎn)鏡受限于傳統(tǒng)鏡坯材料的面質(zhì)量密度，反射鏡重量隨口徑加大急劇增加，對(duì)火箭的運(yùn)載能力是很大的挑戰(zhàn)，大口徑的反射鏡加工也十分困難。

二元光學(xué)透鏡利用表面的微納結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)成像，因而相比傳統(tǒng)透鏡具有體積小、重量輕、可折疊、設(shè)計(jì)自由度多、材料選擇性寬等優(yōu)點(diǎn)。將微結(jié)構(gòu)制作在薄膜基底上的薄膜透鏡可以進(jìn)一步大幅減小大口徑空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的面質(zhì)量密度，因而有可能實(shí)現(xiàn)25米以上口徑的拼接可折疊式空間大口徑望遠(yuǎn)鏡。衍射薄膜成像系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)輕量化、大口徑、面形公差大、空間可展開(kāi)、易復(fù)制等特點(diǎn)，能極大地降低制造成本和發(fā)射成本。

目前，大口徑薄膜衍射成像透鏡的微結(jié)構(gòu)傳遞主要依賴離子束刻蝕方法。成熟的氬離子束刻蝕方法具有很高的刻蝕傳遞均勻性，也基本上不受襯底材質(zhì)與形狀影響，但是用于大口徑薄膜衍射成像透鏡微結(jié)構(gòu)傳遞時(shí)也存在一些問(wèn)題。例如，不論是點(diǎn)掃描還是線掃描離子束刻蝕，在進(jìn)行大面積微結(jié)構(gòu)傳遞時(shí)，整片樣品傳遞完成的時(shí)間都很長(zhǎng)，對(duì)于設(shè)備及環(huán)境穩(wěn)定性都有很高的要求，同時(shí)生產(chǎn)效率比較低下；另一方面，離子束刻蝕工藝對(duì)不同材料的選擇比相對(duì)較低，因而對(duì)前端圖案生成工藝有更高的要求，比如刻蝕掩蔽層厚度及掩蔽層質(zhì)量必須滿足一定條件，這也導(dǎo)致了離子束刻蝕與一些新工藝的兼容能力比較差。

反應(yīng)離子刻蝕是目前被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體加工和小口徑二元光學(xué)元件制作的一種微結(jié)構(gòu)傳遞手段，其特點(diǎn)是刻蝕速率快、掩蔽層材料種類多、工藝多樣化，因而在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)芯片生產(chǎn)與實(shí)驗(yàn)室小口徑二元光學(xué)元件生產(chǎn)中具有絕對(duì)統(tǒng)治地位。然而，反應(yīng)離子刻蝕尚未能直接用于大口徑薄膜衍射透鏡微結(jié)構(gòu)傳遞工藝與生產(chǎn)，原因之一是很少有商用的大于400毫米口徑的反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備，可用于半導(dǎo)體生產(chǎn)的450毫米反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備正在研發(fā)之中，因而也沒(méi)有可用的大口徑薄膜衍射透鏡刻蝕傳遞工藝；其次是反應(yīng)離子刻蝕過(guò)程是一個(gè)極端復(fù)雜的化學(xué)與物理反應(yīng)綜合過(guò)程，射頻電場(chǎng)、腔室構(gòu)造、基片材質(zhì)等都能嚴(yán)重影響刻蝕的結(jié)果，因而很難獲得像物理轟擊刻蝕模型那樣的具有較強(qiáng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)意義的仿真模型或半經(jīng)驗(yàn)公式，基底的改變或口徑的變大都會(huì)引起刻蝕環(huán)境的大幅變化，導(dǎo)致已有的工藝參數(shù)不能直接應(yīng)用于大口徑薄膜衍射成像透鏡的微結(jié)構(gòu)傳遞。傳統(tǒng)反應(yīng)離子刻蝕工藝要么針對(duì)1mm左右的硅片，要么適用于小口徑、不需要太大厚度維持面形的石英基片，對(duì)于必須采用20mm以上厚度鏡框維持面形、且薄膜中心區(qū)域必須懸空透光的大口徑薄膜衍射透鏡，傳統(tǒng)反應(yīng)離子刻蝕方法無(wú)法獲得類似于小口徑二元光學(xué)元件制作中高刻蝕速率、高刻蝕均勻性的刻蝕傳遞效果。在我們前期的實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)用傳統(tǒng)工藝的400毫米口徑薄膜衍射透鏡的刻蝕傳遞速率只有小口徑二元光學(xué)元件制作時(shí)的三分之一，全片刻蝕不均勻性超過(guò)±20％。

因此，提出新的大面積微結(jié)構(gòu)傳遞方法，克服現(xiàn)有大口徑衍射薄膜成像透鏡制作中的不足，發(fā)展低成本、高效率、高可靠性的加工方法制作優(yōu)質(zhì)波像差、可用于成像的大口徑薄膜成像元件仍然有十分迫切的需求。

發(fā)明內(nèi)容