微光学

微光学

0 引言

近几年来随着微电子学（Micro-Electronics）和光电子学（Optoelectronics）的快速发展，微光学（Micro-Optics）这一新的学科领域的研究正在兴起。微光学是研究一维、两维和三维的小型化光学器件和系统的一门高技术。它涉及到材料研制、设计、精细加工、器件集成以及用其实现光束发射、聚焦、准直、偏折、分割、复合、开关、耦合、接收等功能和光纤传感、光学信息处理、成像系统、光通信、光计算，光互连、光盘、光学神经网络和生物器件等应用研究领域。它与“微机械”、“微电子学”、“微加工”、材料科学、信息科学等学科相互渗透，彼此融合，是现代光学研究前沿的一个重要分支。

早在100多年前，微光学的一些基础理论，如衍射光学，就已为人所知，但制作工艺并没有跟着突破，因此，一直没有得到应用。直到20世纪60年代激光的出现，情况才有所改观，其中激光全息技术就是一种微技术。但全息法制作出的衍射器件，衍射效率仅为60%，影响了应用。到了20世纪80年代，由于大规模集成电路（LSI）微细加工技术的出现和趋于成熟并开始应用于光学，出现了微结构光学器件。随着光学工业向微型化发展以及微电子及计算机技术的飞速发展，微光学从理论设计开始向实际器件转化。到80年代后期，微光学领域发展迅速，代表成果是二元光学（Binary Optics）的提出。二元光学首先是由美国麻省理工学院（MIT）林肯实验室的W.B. Veldkamp 于1989年提出的。二元光学是以二阶或多台阶的表面微结构来实现光波位相变换，以衍射光学方式对波前复振幅分布产生作用。二元光学元件（Binary Optical Element, BOE）的表面微结构尺寸已在波长量级，可采用二维微加工工艺来制造，从而获得高精度和高衍射效率。二元光学的突破主要有两点：首先在理论上是以二进制台阶微结构（binary microstructure）调制波前复振幅分布用于成像，获得非球面自由度和像差波前改正；其次是微细工艺制作光学零件，获得高精度、高效率、低成本的光学工艺的不断发展，各种新原理、新概念、新技术在微光学领域得到了迅速发展，微光学器件的应用领域不断扩大，起着传统光学不能替代的作用，如光波通讯、光计算、

光互连、光电探测阵列、红外成像、光束成形、光束控制、光显示以及空间与军事领域都有许多新的应用。

微光学元件按光的传播方式可分为衍射型微结构与折射型微结构两大类，其中二元光学元件是衍射型微结构，而微透镜阵列（Micro Lens Array, MLA）是折射型微结构。微光学元件按设计方法分为衍射法和光线追迹法，如波带法、G-S 算法、遗传算法、杨-顾算法等。

随着微光学研究的继续深入，光学元器件的微型化、阵列化、集成化，光学系统和光电子学系统的信息容量和处理能力将会大幅度地增加，同时系统的稳定性、耐用性、实用性增强，而且成本不断降低。这一宏大的“微工程”的兴起和发展，必将产生巨大的经济效益和社会效益，同时具有浓厚的军事应用背景。

1光学微细加工技术

光学微细加工技术简单地可以分为光刻技术与刻蚀技术。光刻就是将设计的掩模图形无偏差地转移到基片表面上，图1-1所示是光刻的工艺过程:匀胶、曝光。匀胶是在待微加工的基底上均匀地涂覆一层光致抗蚀剂（光刻胶），曝光是将加工的掩模（mask）覆盖其上方，用紫外光照射（曝光），最后将曝光过的基片在显影液中显影，完成微结构在光刻胶上的图形转移。光刻技术包括光学光刻、电子束光刻、X射线光刻等。刻蚀是将已通过光刻的图形作掩蔽，无偏差并具有需求深度地转移到基底材料上，刻蚀技术包括湿法刻蚀、干法刻蚀，目前还发展有无掩模微细加工，如聚焦离子束技术等。

UV light

图1-1 光刻的一般步骤

1.1 光刻技术

接触式光刻是传统的光刻方式，是将掩模直接和涂有光致抗蚀剂的基片表面

接触，通过抽真空的方法调节接触压力，用波长300～450nm 的紫外光源进行曝光。接触式光刻具有高分辨率、设备简单、操作方便和成本低等优点，缺点是因机械接触容易损伤掩模。此外，由于光的衍射效应，要进一步提高分辨率和对准精度有困难。

抗蚀剂 基底 (a)接触式光刻

(b)接近式光刻

图1-2 光学光刻分类 接近式光刻是掩模和片基表面之间保持微小的距离（5～50μm ），如图1-1所示，利用高度平行光束进行曝光。这种曝光方式可以避免玷污和损伤掩模，但衍射效应影响分辨率。当曝光的特征线宽小到与光波的波长相近时，则光通过掩模窗口产生的衍射效应将成为提高光刻分辨率的主要限制因素，同时光在基片表面台阶上的散射及光在基片与掩模间的多次反射都将导致光致抗蚀剂曝光图形吸收能量的分布横向扩展，而垂直反射光与入射光相干涉在抗蚀剂层内产生的驻波效应也将造成纵向曝光的不均匀。图1-2(a)所示为接触式光刻，图1-2(b)所示为接近式光刻。

扫描式电子束曝光是指用细电子束在基片表面的EBR 胶上进行直接照射扫描。电子枪热阴极产生电子，经栅极控制，形成定向发射的电子束，在阳极高电压的作用下加速，使电子获得很高的能量。聚焦是由设在系统中的电磁透镜来完成的。系统中还设有电子束通断和偏转扫描的装置，它们都由计算机提供的脉冲调制信号进行控制。这种方式不需要掩模板，只要给出图形各部分的坐标值，并转变成相应的电信号储存在计算机中，然后通过扫描，系统和通断装置控制电子束完成对图形的曝光。

投影式电子束曝光就是从特殊掩模获得的电子束图像在EBR 上进行成像照射。它又可分为摄像管式和透射电子成像式。摄像管式电子束投影曝光是利用光电子发射材料制备的特殊掩模，通过紫外光激励产生光电子图像，并被电场加速，对与掩模平行而贴近的基片进行曝光。透射电子成像式是从电子枪发射的电子经过三级电磁透镜后，变为一平行面电子束投射到金属箔掩模板上，版上图形有许

多能使电子束透过的微小圆形孔洞所组成。

离子束曝光是在真空条件下将氩（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）等惰性气体通过离子源产生离子束，经加速、集束、聚焦后对光致抗蚀剂曝光。

1.2 蚀刻技术

1.2.1 离子束蚀刻

（1）离子束蚀刻（Ion Beam Etching, IBE）

IBE是利用方向性极好的宽束等离子体轰击材料表面，这与离子的物理溅射效应不同。溅射是使表面疏松的结构变得致密；而IBE蚀刻是使表面剥离，保证蚀刻过程有高度各向异性，获得高分辨和大深宽比的微细图形。由于IBE的离子能量、束流密度、离子入射条件都可在大范围内独立控制，且不受材料种类限制，可防止蚀刻损伤，因此，是微细加工工艺干法蚀刻中比较灵活而有效的方法，比等离子体蚀刻（KE）、反应离子蚀刻（RIE）更有有点。

（2）反应离子束蚀刻（Reactive Ion Beam Etching, RIBE）

将化学反应与离子束蚀刻结合就形成了RIBE,引入化学反应后，大大提高了蚀刻速率和增加了蚀刻的选择性。RIBE的化学反应是根据蚀刻材料选择不同的反应气体或混合气体进入离子源放电室离化，经离子成像系统后成为方向性良好的离子束轰击基底的表面，同时产生化学反应，吸附气体与表面材料的化学反应使蚀刻速率成倍提高，因而实现薄掩模加工出大深宽比的微图形。

（3）化学辅助离子束蚀刻（CAIBE）

这是一种新的离子蚀刻方法，离子束仍用惰性气体，反应气体从另一通道直接喷向材料表面，这样惰性气体离子束和反应气体的通量可独立控制，获得最佳蚀刻工艺参量。

1.2.2 湿法蚀刻

湿法蚀刻指用稀释的化学溶液来刻蚀基底材料。如利用稀释的HF溶液来溶

解SiO

2、Si

3

N

4

和多晶体硅，而KOH用来刻蚀硅基底。刻蚀的速率取决于基底上被

腐蚀的材料和溶液中化学反应物的浓度以及溶液的温度。

1.2.3 聚焦离子束

聚焦离子束FIB（Focused Ion Beam）就是在电场和磁场作用下，将离子束聚焦到亚微米量级，通过偏转系统和加速系统控制离子源，实现微纳米结构的无