專利名稱：四棱錐形微結(jié)構(gòu)陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微透鏡陣列的制作方法，特別是一種四棱錐形微結(jié)構(gòu)陣列的制作方法。
背景技術(shù)：
四棱錐微結(jié)構(gòu)陣列由于其特殊的結(jié)構(gòu)特征，可作為溯源反光元件和分光元件，在民用以及軍用科研等領(lǐng)域具有非常好的應用前景。但采用現(xiàn)有的微細加工方法不僅會帶來嚴重的高頻損失，而且還會導致微結(jié)構(gòu)的低頻部分產(chǎn)生嚴重的失真。由于制作的元件存在一定的缺陷，所以一直難以成為有價值的器件。后來，2000年10月出版的《光電工程》27卷第5期19頁中公開用于微細加工的移動掩模法，該方法主要是通過在曝光過程中移動掩模，對光致抗蝕劑表面進行與掩模圖形成比例的曝光，再經(jīng)過顯影、堅膜等程序，獲得要刻蝕的微結(jié)構(gòu)陣列。但是，這種方法在制作這種四棱錐形微結(jié)構(gòu)時仍然存在一定缺陷，即由于抗蝕劑材料的非線性和曝光、刻蝕的非線性，設(shè)計的曝光量分布不能高保真地在抗蝕劑上形成所需的面形分布。從圖1看出，用現(xiàn)有移動掩模法制作的口徑為200微米的微結(jié)構(gòu)陣列的剖面圖形(圖中曲線1)，與標準曲線(圖中曲線2)相差較大。當要制作的連續(xù)表面微結(jié)構(gòu)陣列的浮雕深度較大時，尤其如此。因此這種方法只能用于制作較小浮雕深度(刻蝕深度最大為4微米)的四棱錐微結(jié)構(gòu)陣列，無法用于制作較大深度的四棱錐微結(jié)構(gòu)陣列，而對于某些特殊的應用領(lǐng)域來講，微浮雕的深度將直接影響到元件的應用效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種可制作較大浮雕深度的四棱錐微結(jié)構(gòu)陣列的制作方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案通過以下步驟完成
(1)由需要刻蝕深度和刻蝕口徑，計算出需要制作的四棱錐形微結(jié)構(gòu)陣列的剖面圖；(2)根據(jù)四棱錐形微結(jié)構(gòu)陣列的剖面圖設(shè)計出抗蝕劑表面所需的曝光分布；(3)由所需的曝光分布設(shè)計出掩模單元圖形；(4)在曝光過程中連續(xù)移動掩模，獲得所需的曝光分布；(5)顯影，堅膜。
上述的步驟(1)中的四棱錐形微結(jié)構(gòu)陣列的剖面圖為f(x)=2h×|x|k,-k/2<x<k/2]]>，式中f(x)為四棱錐微結(jié)構(gòu)拋面圖，h為微結(jié)構(gòu)矢高，k為微結(jié)構(gòu)口徑。
上述的步驟(2)中的曝光分布為g(x)＝Q×ea×f(x)式中g(shù)(x)為抗蝕劑表面的曝光分布，α為光刻膠吸收系數(shù)，Q為光刻閾值，f(x)為四棱錐微結(jié)構(gòu)拋面圖。
上述的步驟(3)中的掩模單元圖形為g0(x)＝c×g(x)式中g(shù)0(x)為掩模單元圖形，g(x)為抗蝕劑表面的曝光分布，c為常數(shù)。
上述的步驟(4)中在曝光過程中連續(xù)移動掩模，獲得所需的曝光分布通過采用現(xiàn)有的移動掩模曝光方法即可實現(xiàn)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有以下優(yōu)點在對光刻過程、顯影過程、正性光刻膠的光特性進行深入分析的基礎(chǔ)上，提出了一種獨特的光刻掩模設(shè)計方案，得到更適合光刻膠的光響應模型以及刻蝕過程的掩模單元優(yōu)化圖形。根據(jù)此掩模優(yōu)化圖形，對光刻膠實施精確的曝光分布。由于該方法主要是利用顯影過程中光刻膠自身的顯影特性對刻蝕深度和面形進行控制，因此能在刻蝕深度比較大的情況下，保證刻蝕結(jié)果的面形精度，從而得到了較大深度的四棱錐微結(jié)構(gòu)陣列。這種方法使連續(xù)深浮雕微結(jié)構(gòu)陣列的刻蝕深度范圍大大提高(刻蝕深度范圍從以前的最大深度40幾微米提高到150微米)，在顯影過程中，面形精度隨著顯影時間的增加逐步提高，浮雕深度同時也逐步接近設(shè)計值，因此，該方法對顯影時間的控制精度要求不高，簡化了工藝過程。這一點可從圖5所示實施例1制作完成的微結(jié)構(gòu)陣列的剖面圖形(曲線3)與標準曲線(曲線4)的擬合圖中看出，二者誤差很小。而且該方法還保持了現(xiàn)有移動掩模法制作的微結(jié)構(gòu)陣列填充因子約100％、工藝過程簡單等各種優(yōu)點。


圖1為采用現(xiàn)有技術(shù)制作的口徑200微米的微結(jié)構(gòu)陣列與標準曲線的擬合圖(圖中縱坐標表示微結(jié)構(gòu)陣列單元的浮雕深度，每刻度單位3微米；橫坐標表示微結(jié)構(gòu)陣列單元的口徑，每刻度單位20微米)；圖2為本發(fā)明實施例1要制作的微結(jié)構(gòu)陣列浮雕圖形(圖中縱坐標表示微結(jié)構(gòu)陣列單元的浮雕深度，每刻度單位15微米；橫坐標表示微結(jié)構(gòu)陣列單元的口徑，每刻度單位50微米)；圖3為對本發(fā)明實施例1制作的微結(jié)構(gòu)陣列掩模圖形計算結(jié)果優(yōu)化后的曲線(圖中縱坐標表示微結(jié)構(gòu)陣列單元的浮雕深度，每刻度單位20微米；橫坐標表示微結(jié)構(gòu)陣列單元的口徑，每刻度單位50微米)；圖4為本發(fā)明實施例1制作出的微結(jié)構(gòu)陣列剖面掃描圖(圖中縱坐標表示微結(jié)構(gòu)陣列單元的浮雕深度，每刻度單位100微米；橫坐標表示微結(jié)構(gòu)陣列單元的口徑，每刻度單位500微米)；圖5為本發(fā)明實施例1制作完成的微結(jié)構(gòu)陣列的剖面圖形與標準曲線的擬合圖(圖中縱坐標表示微結(jié)構(gòu)陣列單元的浮雕深度，每刻度單位15微米；橫坐標表示微結(jié)構(gòu)陣列單元的口徑，每刻度單位50微米)；圖6是采用本發(fā)明實施例1制作的四棱錐形微結(jié)構(gòu)實驗結(jié)果示意圖。
具體實施例方式
如圖2、3、4、5、6所示，本發(fā)明實施例1是制作的口徑k＝500μm，刻蝕深度h＝134μm的連續(xù)深浮雕微結(jié)構(gòu)陣列，采用正性光刻膠為光刻材料，其具體制作步驟如下
(1)首先由需要刻蝕深度和刻蝕口徑，計算出需要制作的四棱錐形微結(jié)構(gòu)陣列的剖面圖；f(x)=2h×|x|k,-k/2<x<k/2]]>f(x)為四棱錐微結(jié)構(gòu)拋面圖，h為微結(jié)構(gòu)矢高，k為微結(jié)構(gòu)口徑(2)設(shè)計用于微結(jié)構(gòu)列陣所需的曝光分布函數(shù)為g(x)＝Q×ea×f(x)α為光刻膠吸收系數(shù)，Q為光刻閾值，f(x)為對應坐標x點的浮雕矢高(3)設(shè)計所需的掩模函數(shù)g0(x)＝c×g(x)g0(x)為掩模單元圖形，g(x)為抗蝕劑表面的曝光分布，c為常數(shù)(4)采用現(xiàn)有的移動掩模法曝光，控制移動速度和曝光時間，獲得所需的曝光分布；(5)顯影、堅膜、后烘等。
完成微結(jié)構(gòu)陣列的浮雕制作，得到口徑500um的四棱錐微結(jié)構(gòu)陣列。如圖4所示，該微結(jié)構(gòu)陣列的剖面圖形表明其高頻損失少。圖5表明，該微結(jié)構(gòu)陣列的剖面圖形(曲線3)與標準曲線(曲線4)比較，誤差較小。
實施例2，制作一個口徑k＝17μm的小口徑連續(xù)深浮雕微結(jié)構(gòu)陣列。采用正性光刻膠為光刻材料，刻蝕深度h＝5μm，其制作步驟如下(與實施例1采用的步驟相似)(1)根據(jù)所要刻蝕的微結(jié)構(gòu)陣列浮雕的刻蝕深度h＝5μm和刻蝕口徑k＝17μm，計算出該微結(jié)構(gòu)浮雕的剖面圖f(x)；(2)根據(jù)微浮雕結(jié)構(gòu)f(x)，對加工四棱錐微結(jié)構(gòu)所需的掩模單元圖形g0(x)進行設(shè)計；(3)采用激光直寫技術(shù)進行掩模直寫制作；(4)利用投影曝光系統(tǒng)，將制作好的掩模單元投影在光刻膠上，進行交叉曝光，在曝光過程中，連續(xù)移動掩模；
(5)對連續(xù)曝光后的光刻膠進行定時顯影，堅膜等工序。
完成微結(jié)構(gòu)陣列的浮雕制作，得到口徑k＝17μm、刻蝕深度h＝4.951μm的連續(xù)深浮雕微結(jié)構(gòu)陣。
權(quán)利要求
1.四棱錐形微結(jié)構(gòu)陣列的制作方法，其特征在于包括下列步驟(1)由需要刻蝕深度和刻蝕口徑，計算出需要制作的四棱錐形微結(jié)構(gòu)陣列的剖面圖；(2)根據(jù)四棱錐形微結(jié)構(gòu)陣列的剖面圖設(shè)計出抗蝕劑表面所需的曝光分布；(3)由所需的曝光分布設(shè)計出掩模單元圖形；(4)在曝光過程中連續(xù)移動掩模，獲得所需的曝光分布；(5)顯影，堅膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四棱錐形微結(jié)構(gòu)陣列的制作方法，其特征在于所述的步驟(1)中的四棱錐形微結(jié)構(gòu)陣列的剖面圖為f(x)=2h×|x|k]]>-k/2＜x＜k/2，式中f(x)為四棱錐微結(jié)構(gòu)拋面圖，h為微結(jié)構(gòu)矢高，k為微結(jié)構(gòu)口徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四棱錐形微結(jié)構(gòu)陣列的制作方法，其特征在于所述的步驟(2)中的曝光分布為g(x)＝Q×eα×f(x)式中g(shù)(x)為抗蝕劑表面的曝光分布，α為光刻膠吸收系數(shù)，Q為光刻閾值，f(x)為四棱錐微結(jié)構(gòu)拋面圖。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四棱錐形微結(jié)構(gòu)陣列的制作方法，其特征在于所述的步驟(3)中的掩模單元圖形為g0(x)＝c×g(x)式中g(shù)0(x)為掩模單元圖形，g(x)為抗蝕劑表面的曝光分布，c為常數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四棱錐形微結(jié)構(gòu)陣列的制作方法，其特征在于所述的步驟(4)中在曝光過程中連續(xù)移動掩模，獲得所需的曝光分布通過采用現(xiàn)有的移動掩模曝光方法即可實現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種面型保真度高，可刻蝕深度大的制作四棱錐形微結(jié)構(gòu)陣列的方法，由需要刻蝕深度和刻蝕口徑，計算出需要制作的四棱錐形微結(jié)構(gòu)陣列的剖面圖，再由四棱錐形微結(jié)構(gòu)陣列的剖面圖計算出抗蝕劑表面所需的曝光分布，由所需的曝光分布設(shè)計掩模圖形，通過控制掩模移動速度和曝光時間，在抗蝕劑表面獲得所需的曝光分布，最后經(jīng)過顯影、堅膜，完成微結(jié)構(gòu)陣列的制作。本發(fā)明采用特殊的掩模圖形，能在刻蝕深度比較大的情況下，高保真的制作出滿足不同領(lǐng)域應用需求的四棱錐形微結(jié)構(gòu)。
文檔編號G02B3/08GK1553223SQ03123569
公開日2004年12月8日 申請日期2003年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月29日
發(fā)明者董小春, 杜春雷 申請人:中國科學院光電技術(shù)研究所