[科普中國]-激光直寫

激光直寫是制作衍射光學(xué)元件的主要技術(shù)之一，它利用強(qiáng)度可變的激光束對基片表面的抗蝕材料實(shí)施變劑量曝光，顯影后便在抗蝕層表面形成要求的浮雕輪廓。

激光直寫制作衍射光學(xué)元件（DOE）是把計(jì)算機(jī)控制與微細(xì)加工技術(shù)相結(jié)合，為DOE設(shè)計(jì)和制作的方法提供了極大的靈活性，制作精度可以達(dá)到亞微米量級(jí)。

衍射光學(xué)元件衍射光學(xué)元件（Diffractive Optical Element，簡稱DOE）是以光的標(biāo)量和矢量衍射理論為基礎(chǔ)，用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，通過超大規(guī)模集成電路（VLSI）工藝等微細(xì)加工手段制作的一種新型光學(xué)元件。它是以片基上多臺(tái)階浮雕結(jié)構(gòu)或連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)和極高的衍射效率為特點(diǎn)，具有許多傳統(tǒng)光學(xué)元件難以實(shí)現(xiàn)的功能。它可單獨(dú)或與其它類型元件混合應(yīng)用于常規(guī)光學(xué)系統(tǒng)，校正光學(xué)系統(tǒng)像差，縮小體積，減輕重量，從而促進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)微型化、陣列化和集成化。它是光學(xué)與微電子學(xué)相互滲透 交叉的產(chǎn)物，成為光學(xué)領(lǐng)域中最具活力、最具發(fā)展?jié)摿Φ墓鈱W(xué)器件。DOE應(yīng)用十分廣泛 它在空間光學(xué) 光學(xué)通訊等領(lǐng)域上的應(yīng)用開發(fā)，潛藏著巨大的經(jīng)濟(jì)效益，迅速地受到了包括學(xué)術(shù)、科研、軍事、工業(yè)和商業(yè)等各界的重視。

激光直寫簡介激光直寫是制作衍射光學(xué)元件的主要技術(shù)之一，可在光刻膠的表面直接寫入多臺(tái)階、連續(xù)位相浮雕微結(jié)構(gòu)，與二元光學(xué)方法相比，工藝簡單，避免了多套掩模之間的套刻對準(zhǔn)環(huán)節(jié)，改善了DOE的加工精度，從而提高DOE的衍射效率。

激光直寫制作DOE是把計(jì)算機(jī)控制與微細(xì)加工技術(shù)相結(jié)合，為DOE設(shè)計(jì)和制作的方法提供了極大的靈活性，制作精度可以達(dá)到亞微米量級(jí)。

原理激光直寫是利用強(qiáng)度可變的激光束對基片表面的抗蝕材料實(shí)施變劑量曝光，顯影后在抗蝕層表面形成所要求的浮雕輪廓。激光直寫系統(tǒng)的基本工作原理是由計(jì)算機(jī)控制高精度激光束掃描，在光刻膠上直接曝光寫出所設(shè)計(jì)的任意圖形，從而把設(shè)計(jì)圖形直接轉(zhuǎn)移到掩模上。激光直寫系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，主要由He-Cd激光器、聲光調(diào)制器、投影光刻物鏡、CCD攝像機(jī)、顯示器、照明光源、工作臺(tái)、調(diào)焦裝置、He-Ne激光干涉儀和控制計(jì)算機(jī)等部分構(gòu)成。激光直寫的基本工作流程是：用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生設(shè)計(jì)的微光學(xué)元件或待制作的VLSI掩摸結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成直寫系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)，由計(jì)算機(jī)控制高精度激光束在光刻膠上直接掃描曝光；經(jīng)顯影和刻蝕將設(shè)計(jì)圖形傳遞到基片上。1

發(fā)展過程在八十年代初期，只有少數(shù)幾個(gè)國家開展激光直寫技術(shù)的研究工作。1983年瑞士RCA有限公司的M.T.Gale和K.Knop在二維直角坐標(biāo)下利用激光束在光刻膠上掃描制作了精密的透鏡陣列，這是有關(guān)激光直寫技術(shù)報(bào)導(dǎo)中最早的文獻(xiàn)；1984年前蘇聯(lián)科學(xué)院自動(dòng)化和電工研究所V.P.Koronkevich等在極坐標(biāo)內(nèi)利用激光直接在涂有光刻膠的硫化玻璃態(tài)的半導(dǎo)體或金屬上制作掩模，然后使用掩模制作kinoform結(jié)構(gòu)的元件；1989年德國Heidelberg大學(xué)C.Rensch等提出了二維激光直寫光刻的掃描儀，掃描精度在亞微米量級(jí)，可寫入任意圖形，最小線條寬度為1微米；同年美國Texas儀器公司S.C.Babe報(bào)導(dǎo)己研制出五種型號(hào)的激光直接寫入設(shè)備，寫入光斑大小分檔可調(diào)，自1微米至10微米不等，二維位移平臺(tái)定位精度可達(dá)0.25微米，利用該設(shè)備制作的平面全息圖用于產(chǎn)生非球面，波前誤差優(yōu)于1個(gè)波長。

到了九十年代，激光直寫技術(shù)受到各國的高度重視，如雨后春筍般迅速發(fā)展起來，從研制高精密的設(shè)備到研究和發(fā)明新工藝、新材料，使激光直寫技術(shù)的應(yīng)用拓展到更多的領(lǐng)域。1996年中國科學(xué)院光電子技術(shù)研究所微細(xì)加工光學(xué)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和四川大學(xué)杜春雷等報(bào)導(dǎo)了在德國Erlangen大學(xué)光學(xué)研究所利用激光直寫光刻方法和反應(yīng)離子束刻蝕方法結(jié)合制作了8位相臺(tái)階Fresnel衍射透鏡陣列，實(shí)測衍射效率80%以上；98年杜驚雷等對報(bào)道了激光直寫工藝中鄰近效應(yīng)的影響分析，采用直寫數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)預(yù)補(bǔ)償方法實(shí)現(xiàn)激光直寫鄰近效應(yīng)的校正。

研究的意義激光直寫技術(shù)主要用于制作平面計(jì)算全圖、掩模、微透鏡、微透鏡陣列、Fresnel微透鏡、Fresnel波帶板、連續(xù)位相浮雕的閃耀光學(xué)元件等，制作工藝己經(jīng)逐漸成熟。激光直寫技術(shù)的發(fā)展趨勢是從直角坐標(biāo)寫入系統(tǒng)到極坐標(biāo)寫入系統(tǒng)，直至多功能寫入系統(tǒng)；從基片小尺寸到大尺寸，從平面寫入到球面、柱面以及曲面；從利用光刻膠材料到聚合物以及其他特殊工藝材料；寫入元件的特征尺寸從幾百微米到亞微米；元件制作時(shí)間從幾天到幾小時(shí)甚至幾分鐘；從制作二值圖樣到寫入連續(xù)浮雕輪廓;從光學(xué)元件到微電子、集成電路、集成光學(xué)器件等；從發(fā)達(dá)的國家到發(fā)展中國家，并己經(jīng)應(yīng)用到空間光學(xué)、光通訊、光學(xué)顯示等領(lǐng)域，為DOE和微電子、微光學(xué)、微機(jī)械器件的制作提供了一種新的制作設(shè)備。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

張磊 - 副教授 - 西南大學(xué)