[发明专利]一种大口径薄膜衍射透镜微结构刻蚀传递方法及工装

说明书

本发明涉及一种大口径薄膜衍射透镜微结构刻蚀传递方法及工装，解决了大口径带框薄膜透镜无法通过反应离子刻蚀将光刻胶微结构均匀地传递到薄膜基底上的问题。本发明提供的大口径薄膜衍射透镜微结构传递方法，在传统单频容性耦合大口径反应离子刻蚀设备中即可实现全片高均匀性微结构刻蚀传递，满足大口径薄膜衍射透镜成像衍射效率均匀性要求，可以确保在刻蚀前后大口径薄膜衍射透镜波前畸变不因微结构刻蚀传递过程发生大的波动，全口径刻蚀深度均匀性优于±6％，刻蚀工艺条件稳定易控制，重复性好，可适配多种不同型号的薄膜镜框，操作方便，便于推广。

技术领域

本发明设计一种大口径薄膜衍射透镜微结构传递方法及工装，属于衍射光学元件微结构制造领域。

背景技术

大口径空间望远镜在天文、航空、航天、军工及民用领域有着十分广泛的应用，尤其是现代化战争形式的发展对空间遥感系统提出了更高的要求。地球遥感卫星具有高时效、持续探测能力等优势，适合未来军事发展的需求。

为了进一步获得对更远目标高成像质量和高分辨率的观测图像，提高地球遥感卫星对地分辨率，更大口径是最基本的要求。但是现有的传统大口径望远镜受限于传统镜坯材料的面质量密度，反射镜重量随口径加大急剧增加，对火箭的运载能力是很大的挑战，大口径的反射镜加工也十分困难。

二元光学透镜利用表面的微纳结构实现成像，因而相比传统透镜具有体积小、重量轻、可折叠、设计自由度多、材料选择性宽等优点。将微结构制作在薄膜基底上的薄膜透镜可以进一步大幅减小大口径空间光学望远镜的面质量密度，因而有可能实现25米以上口径的拼接可折叠式空间大口径望远镜。衍射薄膜成像系统可以实现轻量化、大口径、面形公差大、空间可展开、易复制等特点，能极大地降低制造成本和发射成本。

目前，大口径薄膜衍射成像透镜的微结构传递主要依赖离子束刻蚀方法。成熟的氩离子束刻蚀方法具有很高的刻蚀传递均匀性，也基本上不受衬底材质与形状影响，但是用于大口径薄膜衍射成像透镜微结构传递时也存在一些问题。例如，不论是点扫描还是线扫描离子束刻蚀，在进行大面积微结构传递时，整片样品传递完成的时间都很长，对于设备及环境稳定性都有很高的要求，同时生产效率比较低下；另一方面，离子束刻蚀工艺对不同材料的选择比相对较低，因而对前端图案生成工艺有更高的要求，比如刻蚀掩蔽层厚度及掩蔽层质量必须满足一定条件，这也导致了离子束刻蚀与一些新工艺的兼容能力比较差。

反应离子刻蚀是目前被广泛应用于半导体加工和小口径二元光学元件制作的一种微结构传递手段，其特点是刻蚀速率快、掩蔽层材料种类多、工艺多样化，因而在半导体产业芯片生产与实验室小口径二元光学元件生产中具有绝对统治地位。然而，反应离子刻蚀尚未能直接用于大口径薄膜衍射透镜微结构传递工艺与生产，原因之一是很少有商用的大于400毫米口径的反应离子刻蚀设备，可用于半导体生产的450毫米反应离子刻蚀设备正在研发之中，因而也没有可用的大口径薄膜衍射透镜刻蚀传递工艺；其次是反应离子刻蚀过程是一个极端复杂的化学与物理反应综合过程，射频电场、腔室构造、基片材质等都能严重影响刻蚀的结果，因而很难获得像物理轰击刻蚀模型那样的具有较强实验指导意义的仿真模型或半经验公式，基底的改变或口径的变大都会引起刻蚀环境的大幅变化，导致已有的工艺参数不能直接应用于大口径薄膜衍射成像透镜的微结构传递。传统反应离子刻蚀工艺要么针对1mm左右的硅片，要么适用于小口径、不需要太大厚度维持面形的石英基片，对于必须采用20mm以上厚度镜框维持面形、且薄膜中心区域必须悬空透光的大口径薄膜衍射透镜，传统反应离子刻蚀方法无法获得类似于小口径二元光学元件制作中高刻蚀速率、高刻蚀均匀性的刻蚀传递效果。在我们前期的实验中，应用传统工艺的400毫米口径薄膜衍射透镜的刻蚀传递速率只有小口径二元光学元件制作时的三分之一，全片刻蚀不均匀性超过±20％。

因此，提出新的大面积微结构传递方法，克服现有大口径衍射薄膜成像透镜制作中的不足，发展低成本、高效率、高可靠性的加工方法制作优质波像差、可用于成像的大口径薄膜成像元件仍然有十分迫切的需求。

发明内容