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微電子二元光學(xué)器件制作工藝研究論文
二元光學(xué)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(shù)，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(xué)器件則是一種表面的三維浮雕結構，因為要同時(shí)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(zhù)二元光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，二元光學(xué)器件已經(jīng)廣泛用于光學(xué)傳感、光通信、光計算、數據存儲等諸多領(lǐng)域。這類(lèi)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(gè)面上刻蝕衍射圖案，實(shí)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(xué)器件能產(chǎn)生任意波面以實(shí)現許多特殊功能，從而具有重要的應用價(jià)值。
1、二元光學(xué)器件及其發(fā)展概述
二元光學(xué)是基于光波衍射理論發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新興光學(xué)分支，是光學(xué)與微電子技術(shù)相互滲透、交叉而形成的前沿學(xué)科�；谟嬎銠C輔助設計和微米級加工技術(shù)制成的平面浮雕型二元光學(xué)器件具有重量輕、易復制、造價(jià)低等特點(diǎn)，并能實(shí)現傳統光學(xué)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(xué)工程與技術(shù)在諸如空間技術(shù)、激光加工、計算技術(shù)與信息處理、光纖通信及生物醫學(xué)等現代國防科技與工業(yè)的眾多領(lǐng)域中顯示出前所未有的重要作用及廣闊的應用前景。
隨著(zhù)近代光學(xué)和光電子技術(shù)的迅速發(fā)展，光電子儀器及其元件都發(fā)生了深刻而巨大的變化。光學(xué)零件已經(jīng)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(xué)元件和梯度折射率透鏡等新型光學(xué)元件也越來(lái)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(xué)元件是制造小型光電子系統的關(guān)鍵元件，它具有體積小、質(zhì)量輕、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠實(shí)現普通光學(xué)元件難以實(shí)現的微小、陣列、集成、成像和波面轉換等新功能。
2、二元光學(xué)器件的應用現狀
隨著(zhù)二元光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，二元光學(xué)元件已廣泛用于光學(xué)傳感、光通信、光計算、數據存儲、激光醫學(xué)、娛樂(lè )消費以及其他特殊的系統中。也許可以說(shuō)，它的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了三代。第一代，人們采用二元光學(xué)技術(shù)來(lái)改進(jìn)傳統的折射光學(xué)元件，以提高它們的常規性能，并實(shí)現普通光學(xué)元件無(wú)法實(shí)現的特殊功能。
這類(lèi)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(gè)面上刻蝕衍射圖案，實(shí)現折/衍復合消像差和較寬波段上的消色差。此外，二元光學(xué)元件能產(chǎn)生任意波面以實(shí)現許多特殊功能，而具有重要的應用價(jià)值。如材料加工和表面熱處理中的光束整形元件、光學(xué)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(xué)瞄準了多層或三維集成微光學(xué)，在成像和復雜的光互連中進(jìn)行光束變換和控制。多層微光學(xué)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(jìn)展將使一種能按不同光強進(jìn)行適應性調整、探測出目標的運動(dòng)并自動(dòng)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(shù)，它以二元光學(xué)元件提供靈活反饋和非線(xiàn)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(huì )聚光激發(fā)砷化鎵銦二極管發(fā)光，其發(fā)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(xué)陣列實(shí)現互連耦合，它為傳感器的微型化、集成化和智能化開(kāi)辟了新的途徑。發(fā)展趨勢二元光學(xué)是建立在衍射理論、計算機輔助設計和微細加工技術(shù)基礎上的光學(xué)領(lǐng)域的前沿科學(xué)之一，超精細結構衍射元件的設計與加工是發(fā)展二元光學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)。
二元光學(xué)的發(fā)展不僅使光學(xué)系統的設計和加工工藝發(fā)生深刻的變革，而且其總體發(fā)展趨勢是未來(lái)微光學(xué)、微電子學(xué)和微機械的集成技術(shù)和高性能的集成系統
3、二元光學(xué)器件的制作工藝
3.1二元光學(xué)器件的制作原理
二元光學(xué)元件的設計問(wèn)題十分類(lèi)似于光學(xué)變換系統中的相位恢復問(wèn)題：已知成像系統中入射場(chǎng)和輸出平面上光場(chǎng)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(chǎng)，高精度地給出預期輸出圖樣，實(shí)現所需功能。
近幾年來(lái)，隨著(zhù)制作工藝水平的發(fā)展和衍射元件應用領(lǐng)域的擴展，二元光學(xué)元件 特征尺寸進(jìn)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(fā)展。通常情況下，當二元光學(xué)元件的衍射特征尺寸大于光波波長(cháng)時(shí)，可以采用標量衍射理 論進(jìn)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(xué)進(jìn)行分析的，關(guān)于二元光學(xué)元件衍射效率與相位階數之間的數學(xué)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(xué)元件的設計看作是一個(gè)逆衍射問(wèn)題，即由給定的入射光場(chǎng)和所要求的出射光場(chǎng)求衍射屏的透過(guò)率函數。
二元光學(xué)元件的特征 尺寸為波長(cháng)量級或亞波長(cháng)量級，刻蝕深度也較大(達到幾個(gè)波長(cháng)量級)，標量衍射理論中的假設和近似便不再成立，此時(shí)，光波的偏振性質(zhì)和不同偏振光之間的相互 作用對光的衍射結果起著(zhù)重大作用，必須發(fā)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(chǎng)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(jīng)發(fā)展幾種有關(guān)的設計理論，如積分法、微分法、模態(tài)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(shí)現，并需要復雜的數值計算; 比較起來(lái)，模態(tài)法和耦合波法的數學(xué)過(guò)程相對簡(jiǎn)單些，實(shí)現也較容易
3.2二元光學(xué)器件的制作工藝
二元光學(xué)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(shù)。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(xué)元件則是一種表面三維浮雕結構，需要同時(shí)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(lái)，在VLSI加工技術(shù)、電子、離子刻蝕技術(shù)發(fā)展的推動(dòng) 下，二元光學(xué)制作工藝方面取得的進(jìn)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(fā)展;從掩模套刻技術(shù)向無(wú)掩模直寫(xiě)技術(shù)發(fā)展。最早的二元光學(xué)制作工藝是用圖形發(fā)生器和VLSI技術(shù)制作二階相位型衍射光學(xué)元件。
隨著(zhù)高分辨率掩模版制作技術(shù)的發(fā)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(xué)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(xué)元件的制作精度和衍射效率的提高。由直寫(xiě)技術(shù)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(xiě)入所需的二維或三維浮雕圖案。利用這種直寫(xiě)技術(shù)，通過(guò)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(wú)掩模直寫(xiě)技術(shù)較適于制作單件的二元或多階相位元件，或簡(jiǎn)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(chǎn)。在掩模圖案的刻蝕技術(shù)中，主要采用高分辨率的反應離子刻蝕、薄膜沉積技術(shù)。其中離子束刻蝕的分辨率高達0.1μm，且圖案邊緣陡直準確，是一種較為理想的加工手段。
4、結束語(yǔ)：
隨著(zhù)二元光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，二元光學(xué)器件已經(jīng)廣泛用于光學(xué)傳感、光通信、光計算、數據存儲等諸多領(lǐng)域。這種技術(shù)的應用使得很多領(lǐng)域得到了快速的發(fā)展，為社會(huì )的進(jìn)步做出了很大貢獻�？傊�，我國的發(fā)展要依靠科技的進(jìn)步，所以國家還要進(jìn)一步的發(fā)展科技，最終實(shí)現我國社會(huì )主義現代化建設的偉大宏愿。
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