本發(fā)明涉及一種精確化的異質(zhì)結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件(doe)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及加工方法，具體是關(guān)于一種采用襯底層和功能層組合的衍射光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)構(gòu)成、設(shè)計方法和加工流程，該種doe具有設(shè)計精確、結(jié)構(gòu)簡單、選材靈活、加工過程簡易的優(yōu)勢。應(yīng)用領(lǐng)域主要包括各類光束整形器、光束勻化器、激光分束器等。

背景技術(shù)：

0、技術(shù)背景

1、不同于光學(xué)系統(tǒng)中常采用的透鏡、反射鏡、棱鏡等傳統(tǒng)折射、反射光學(xué)元件，基于衍射原理實現(xiàn)光分布的變換和控制的光學(xué)元件稱為衍射光學(xué)元件(diffractive?opticalelement，doe)。其具有質(zhì)量輕、體積小、衍射效率高、制造成本低等優(yōu)點，可以實現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)元件難以完成的微小、陣列、集成及任意波面變換等功能，是光學(xué)系統(tǒng)微小型化、集成化、多功能化和低成本的未來。

2、為達(dá)到實際應(yīng)用的各種需求，通常需要對激光器發(fā)出的光進(jìn)行參量調(diào)控。根據(jù)衍射理論，我們可以在片基上制造出具有特定形貌、折射率等的微納結(jié)構(gòu)，從而對透過微納結(jié)構(gòu)的光波前進(jìn)行精細(xì)調(diào)控并產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，最后在一定的距離上形成所需的光強分布。最早的衍射光學(xué)元件可以追溯到rayleigh于1871年制作的振幅型菲涅爾波帶片，而由麻省理工學(xué)院林肯實驗室在1989年提出的二元光學(xué)元件(binary?optical?element,boe)是目前應(yīng)用領(lǐng)域最主流的衍射光學(xué)元件。其基于光波衍射理論，通過計算機輔助設(shè)計，采用超大規(guī)模集成電路制造技術(shù)(光刻或微細(xì)加工)，在片基上刻蝕產(chǎn)生兩個或多個臺階深度的浮雕結(jié)構(gòu)，獲得純相位、具有高衍射效率的一類衍射光學(xué)元件。該技術(shù)體現(xiàn)了光學(xué)與微電子技術(shù)的滲透融合，已在光通信、信息傳感、投影系統(tǒng)、精密測試、高效掃描、娛樂消費等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。衍射光學(xué)元件的設(shè)計是一個已知輸入和目標(biāo)光場參量，求解調(diào)控衍射結(jié)構(gòu)的逆問題，通常根據(jù)標(biāo)量衍射理論及相關(guān)算法(gs算法、楊顧算法等)或矢量衍射理論及相關(guān)算法(耦合波法、模態(tài)法等)進(jìn)行求解計算，需要綜合考慮設(shè)計目標(biāo)、結(jié)構(gòu)特征尺寸、計算條件等因素選擇適合的設(shè)計算法。然而無論是基于何種理論和算法設(shè)計出的衍射光學(xué)元件，最終都需要以一定的工藝制作為成品，才能發(fā)揮實際效果，以達(dá)到實用化、商用化的要求。

3、目前多數(shù)使用的doe是同質(zhì)結(jié)構(gòu)，即由單一材料制作而成，主要通過掩膜刻蝕法、無掩膜直寫法和納米壓印法制作而成。傳統(tǒng)的掩膜刻蝕法加工環(huán)節(jié)多，且刻蝕深度通常只能通過刻蝕時間來控制，所以很難保證衍射結(jié)構(gòu)的縱向精確高度，且加工出的側(cè)壁較為粗糙，這些問題都極大地限制了這種工藝的精度、再現(xiàn)性和效率。直寫類方法雖然精度較高，但通常所需設(shè)備昂貴，加工速度慢，且存在不能精確控制輪廓深度和刻蝕圖形的輪廓變形的問題，通常比較適用于單件或小批量器件的高精度生產(chǎn)。而近年來納米壓印技術(shù)的出現(xiàn)，實現(xiàn)了各種尺度doe的低成本、批量化制備。壓印模板在無損傷的前提下可以無限次重復(fù)使用，大大降低了制備成本，提高了生產(chǎn)效率。目前已有越來越多的商業(yè)量產(chǎn)化的doe產(chǎn)品采用納米壓印制造，這也體現(xiàn)了該領(lǐng)域?qū)喴谆?、高效化加工實現(xiàn)的需求。

4、隨著doe種類和設(shè)計方法的多樣化，異質(zhì)結(jié)構(gòu)的doe已逐漸被提出，即元件各層采用不同的材料組成。異質(zhì)結(jié)構(gòu)doe作為同質(zhì)結(jié)構(gòu)doe的一種可替代實現(xiàn)方法，通常具有加工工藝相對簡單，成品能夠精確實現(xiàn)衍射結(jié)構(gòu)設(shè)計高度、易于大批量生產(chǎn)等優(yōu)勢，為doe更精確、更便捷的實現(xiàn)提供了可能。此外，異質(zhì)結(jié)構(gòu)doe還具有高衍射效率、元件設(shè)計自由、選材廣泛等諸多優(yōu)點，其便于根據(jù)不同的應(yīng)用場景對結(jié)構(gòu)和選材進(jìn)行設(shè)計，這可以擴展doe在不同行業(yè)的應(yīng)用范圍，符合該領(lǐng)域未來的發(fā)展需要。

5、因此，積極探索新型異質(zhì)結(jié)構(gòu)doe的設(shè)計及其工藝實現(xiàn)方法，采用更加簡易化、經(jīng)濟化、高效化的加工工藝獲得可供使用的異質(zhì)結(jié)構(gòu)doe，有助于滿足不斷增長的應(yīng)用需求，具有很大的現(xiàn)實意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明公開了一種精確化的異質(zhì)結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)組成及設(shè)計方法。不同于大多數(shù)通過刻蝕形成的同質(zhì)結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件，該元件通過將襯底表面的功能層加工出衍射結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)工作效果，不僅簡化了工藝流程，避免刻蝕帶來的各種誤差，而且各層的材料易于根據(jù)應(yīng)用需求靈活選擇。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包括功能層101和襯底層102，各層的特征在于：

2、功能層101的主要作用是作為相位型衍射結(jié)構(gòu)，該層選用光敏聚合物材料，通過將材料旋涂在襯底層表面再進(jìn)行曝光顯影，將掩膜上的衍射結(jié)構(gòu)圖樣轉(zhuǎn)移到材料上。該層的特征為一種二元臺階式結(jié)構(gòu)分布，它的橫向分布來源于設(shè)計階段的相位計算結(jié)果，而縱向高度則綜合設(shè)計波長λ、功能層材料折射率n1、介質(zhì)折射率n2、加工后烘溫度t、設(shè)計相位差而計算得出。其中，通常認(rèn)為功能層材料折射率n1的值與設(shè)計波長有關(guān)，而實際上其還會受到加工過程中后烘溫度的影響，因此，為能精確計算縱向高度理論值，必須考慮后烘溫度的影響。本發(fā)明在設(shè)計過程中通過先測量所選功能層材料在不同波長、不同溫度下的折射率，得出其在所用入射波長和后烘溫度條件下的準(zhǔn)確折射率，從而實現(xiàn)對縱向高度進(jìn)行精確計算，其計算公式如下。

3、

4、式中n1(t)表示功能層材料折射率n1是在設(shè)計波長確定的條件下受溫度影響的變量，當(dāng)周圍介質(zhì)為空氣時n2＝1。當(dāng)入射光通過功能層時，該層的衍射結(jié)構(gòu)形成的相位差會對入射光施加相位調(diào)制，從而獲取所需的調(diào)制輸出光。特別的，對于二階相位的衍射結(jié)構(gòu)，即π相位差，由于相位具有周期性，所以相位差的奇數(shù)倍仍可以等價于自身，故本發(fā)明指出可將功能層高度做奇數(shù)倍加高，達(dá)到等效的工作效果(即)。該方法可以通過靈活調(diào)整高度倍數(shù)，突破所選功能層材料的涂覆厚度限制。所需高度確定后，即可通過在加工過程中設(shè)置旋涂程序來獲取所需的厚度，同時高度變化也伴隨著后續(xù)曝光計量的調(diào)整。該功能層的設(shè)計體現(xiàn)了與后續(xù)加工工藝條件的綜合考慮。

5、襯底層102的主要作用是用作功能層的載體，該層根據(jù)實際需求選用標(biāo)準(zhǔn)的商用晶圓，如硅晶圓、熔融石英晶圓、藍(lán)寶石晶圓等，以便適應(yīng)一般的半導(dǎo)體加工設(shè)備和條件。針對于可見光波長的應(yīng)用，應(yīng)選用透光類晶圓；針對于不可見光波長的應(yīng)用，可選用不透光類晶圓。通常一片晶圓上可以同時制造和承載多個功能層衍射結(jié)構(gòu)單元，如4寸晶圓上即可存放約150個5×5mm大小的衍射元件，故可以實現(xiàn)元件的大批量制造。

6、本發(fā)明同時公開了一種精確化的異質(zhì)結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件的加工工藝。該工藝結(jié)合設(shè)計，基于半導(dǎo)體加工工藝進(jìn)行改進(jìn)，如圖2所示。根據(jù)需求選用合適的襯底層晶圓，在晶圓表面旋涂功能層材料并進(jìn)行曝光顯影，以形成微米級別衍射結(jié)構(gòu)。該工藝包括襯底干燥、旋涂增粘劑、旋涂功能層材料、前烘、曝光、后烘、顯影、沖洗八個主要流程。其中，需要結(jié)合設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)的步驟如下：

7、(1)旋涂功能層材料：即功能層的初步制備，將適量所選功能層材料加在已涂有增粘劑的晶圓表面，使用勻膠機執(zhí)行程序?qū)⑵渚鶆蛐?。此處旋涂程序設(shè)置的參數(shù)直接決定最終衍射結(jié)構(gòu)的高度，因此需要先結(jié)合設(shè)計過程中的精確計算方法得到所需高度h再進(jìn)行旋涂，或選擇奇數(shù)倍加高高度kh進(jìn)行旋涂。

8、(2)后烘：由于此過程中的烘烤溫度將對功能層材料折射率產(chǎn)生影響，因此該步驟所選用的后烘溫度應(yīng)當(dāng)根據(jù)測量分析的功能層材料折射率隨溫度的變化情況，考慮此條件下的功能層材料折射率n1(t)，并納入到設(shè)計過程的計算中以得到精確的縱向結(jié)構(gòu)高度。

9、所有工藝步驟結(jié)束后對樣品進(jìn)行適當(dāng)?shù)那鍧嵓纯色@得成品，并進(jìn)行后續(xù)表面輪廓測試和表面臺階形貌測試。該加工工藝流程簡潔，操作方便，可以在短時間內(nèi)實現(xiàn)所述異質(zhì)結(jié)構(gòu)doe的大批量制造，且工藝參數(shù)與設(shè)計過程結(jié)合分析，對異質(zhì)結(jié)構(gòu)doe實現(xiàn)了更精確化的加工，衍射結(jié)構(gòu)高度和理論值相差較小。

10、本發(fā)明還涉及通過所述精確化的異質(zhì)結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件實現(xiàn)的光束分束器、光束整形器，其由上述的設(shè)計方法和加工工藝實現(xiàn)。首先需根據(jù)相關(guān)算法，設(shè)計所需的光束分束器、整形器的相位分布，再根據(jù)各項參數(shù)計算出所需結(jié)構(gòu)高度，即功能層高度。

11、通過結(jié)合設(shè)計，設(shè)置合適的工藝參數(shù)和條件，即可加工出可供使用的光束分束器、光束整形器。其工作原理如圖3所示，入射光301一般是準(zhǔn)直激光，照射到異質(zhì)結(jié)構(gòu)衍射光學(xué)元件302上，經(jīng)過相位調(diào)制，在工作距離處呈現(xiàn)所需輸出結(jié)果303。此外，根據(jù)不同應(yīng)用下選用的工作波段(如可見光、不可見光)，以及期望達(dá)到的不同衍射工作方式(如投射式、反射式)，可恰當(dāng)選用不同的襯底層和功能層材料，并修改對應(yīng)的工藝參數(shù)。由于實現(xiàn)了衍射結(jié)構(gòu)高度的精確加工，預(yù)期元件工作結(jié)果零級光影響較弱。