灰階光罩之介紹與製作

而在完成光學元件之設計後，下一步的關鍵工作將是利用光學微影及其它成 形技術將光學元件予以實體化。由於增光分色片微結構尺寸均以微米(µm )為單 位，其母模須以微機電製程來製作。又因微透鏡及光柵特殊形狀，本研究將採取 一種新式的製作法，即灰階光罩(Gray Mask)的製作技術。灰階光罩為近年所發展 的新技術，此技術的興起對於複雜外形微型元件的製作，有了極為重要的突破。

以往製作具曲線或斜線外形光學元件時，使用傳統二元式光罩(Binary Mask)，為 了達到使元件表面輪廓更接近連續相位曲線，在相位階數的選取，與光學微影製 程時所遇到的光罩對準問題，帶來極高的難度與耗費、耗時。然而，灰階光罩技 術的出現，不僅大大的減少上述的困擾，更使得繞射式光學元件在效率上大幅升。

傳統二元式光罩只具備透光與不透光特性，須靠著多次的曝光、顯影與蝕刻 的方法，才能勉強得到近似的效果，然而在多次製程誤差的累積後，光學效率早 已大打折扣。灰階光罩技術允許製作具有不同透光度與灰度之灰階分佈，如圖 3-2 所示，因此可藉由灰階與透光率之掌控一次完成光學微影製程，節省製程耗 費與時間。為提升效率與發展新製程能力，灰階光罩列入本計畫重點之一，同時 製作出具特定高低起伏之光學元件輪廓。

本計畫預計採用HEBS 灰階光罩，其原理乃是利用電子束來掃描高能量敏感 之玻璃基材，並以控制電子束能量的方式，決定基材之灰度與灰階效果。所用之 電子束照射光點為 0.1µm，故最小解析度達 0.1µm，對於光學元件或是需要小線 寬的元件而言，由 HEBS 玻璃所製作之灰階光罩是非常合適的工具。灰階光罩在 設計與製作時，其條件、參數的控制與掌控必須非常精確與嚴密。為了得到一外 形、輪廓符合要求之微透鏡及閃耀式光柵，我們必須充分掌握光阻之高度、表面 特性與特定烘烤條件、曝光條件、顯影條件之相對關係。而這些關鍵技術之研究 開發，亦是此計畫之一項重要效益。

圖3-2 閃耀式光柵之灰階光罩圖案

灰階光罩的使用，主要是利用光阻或其他感光材料對不同光強的敏感度與選 擇比，藉由控制不同位置顯影速率的方式，來決定材料顯影後之外形與輪廓。簡 單的說，即光阻受光量較多的部份，其顯影時反應的速率較快；而受光量較少的 部份，則其顯影時的速率則相對較慢。利用不同區域間顯影速率的差異，便可製 造出具特定高低起伏之微結構與輪廓，如圖3-3 所示。

圖3-3 灰罩光罩微影製程示意圖

影響光阻敏感度與選擇比的參數有很多，而光阻先天特性是考量的重點，

為得到一外形、輪廓符合要求之閃耀式光柵，須知道光阻之高度、表面特性與 特定烘烤條件、曝光條件、顯影條件之相對關係。此步驟需先決定最佳之製程 參數，並建立光阻特性與光密度值之特性曲線關係，在此，我們先以灰階光罩 之校正片進行測試，來找出此一關係，其做法為設計製作出光密度值 0 至 1.5，

灰階階數 200 階，每一階為 5 μm 之校正片，對此校正片進行相同參數之製程

過程後，對光阻之殘留高度進行量測，再繪出光阻殘留高度與光密度值之間關 光罩設計、佈局軟體，如AutoCAD、Cadence 等軟體，完成光學元件的設計。

光密度(O.D) v.s 光阻厚度

圖3-5 運用灰階光罩製作微光學元件流程圖

圖 3-6 即為本團隊設計之灰階光罩外型圖。在實際進行灰階光罩製作前，

必須向製造商定出我們所需之規格，我們分述如下：

圖3-6 灰階光罩設計圖

閃耀式光柵：

我們設定其每一灰階之寬度為 0.2μm，而一個閃耀式光柵有六階之灰階，

且光柵間之距離設定為0.4μm，光密度值依序由 0.1 至 0.8 之間分佈，所需要的 光柵總面積為5mm× 5mm。由此一例子，我們可以計算出先柵的週期寬度為 0.2

×6+0.4 = 1.6μm。而其中灰階之階數，我們分別設計由六階至十八階不等，故光 柵之週期寬度亦隨之而不同，如圖3-7所示。

圖3-7 閃耀式光柵灰階光罩設計示意圖

微透鏡：

對於微透鏡來說，我們規定其光密度值由 0 至 1.0 分佈，透鏡之直徑為 25 μm、曲率半徑為 80μm 與每一圈灰階之寬度為 1μm，如圖3-8 所示。

圖 3-8微透鏡灰階光罩設計示意圖 設定完上述之規格後，便可向灰階光罩製造廠訂製。