專利名稱:一種成形微透鏡列陣結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于微納結(jié)構(gòu)加工技術(shù)領(lǐng)域,具體地說是一種成形微透鏡列陣結(jié)構(gòu)的方法。
技術(shù)背景微透鏡列陣以其重量輕、體積小、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)在光纖通信,Shaek-Hatrmann 傳感,航空航天、生物醫(yī)學(xué)、激光一機(jī)械加工等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越多的作用。目前已經(jīng)發(fā) 展了多種可用于制作微透鏡列陣的方法,如光刻熱熔法,激光直寫法,灰度掩模法等,光 刻熱熔法成形微光學(xué)元件表面光潔度高,但只能成形面形為半球形的元件;激光直寫法可 以成形任意面形的結(jié)構(gòu),但是制作效率低,成本高,只用于掩模的制作,不直接用于成形微 透鏡列陣;灰度掩模技術(shù)雖然設(shè)計(jì)靈活、制作效率高、能生成任意面形,但該技術(shù)不僅需 要電子束直寫來制備高精度的掩模,而且在曝光過程中需要進(jìn)行光學(xué)濾波,工藝復(fù)雜。移動(dòng)掩 模法可以用于成形微透鏡列陣結(jié)構(gòu),它主要采用二值化的掩模進(jìn)行曝光,通過勻速移動(dòng)掩模, 在抗蝕劑表面形成連續(xù)曝光量分布,顯影后獲得連續(xù)面形的微光學(xué)元件,對(duì)于矩形口徑的微 透鏡列陣,移動(dòng)掩模法需要進(jìn)行兩次相互垂直的移動(dòng)曝光,因此對(duì)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)和移動(dòng)定 位精度等都提出了很高的要求, 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種工藝簡(jiǎn)單、效率高,且可以成形任意面形任意口徑形狀的微透鏡列陣成形方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案 一種成形微透鏡列陣結(jié)構(gòu)的方法包括以下步驟(1) 選擇基底,在其表面涂布抗蝕劑層;(2) 將涂有抗蝕劑層的基底進(jìn)行前烘處理;(3) 對(duì)三維微透鏡列陣目標(biāo)面形進(jìn)行抽樣,設(shè)計(jì)掩模;(4) 采用上述設(shè)計(jì)的掩模,進(jìn)行曝光;(5) 將曝光后的基底進(jìn)行顯影和后烘(6) 通過反應(yīng)離子刻蝕RIE工藝將面形傳遞到所述基底上。 所述步驟(1)的基底材料為可見光材料,或紅外材料等。 所述步驟(1)的抗蝕劑厚度可以為幾百納米到幾十微米。 所述步驟(l)的抗蝕劑根據(jù)要制作的目標(biāo)面形的矢高來確定,為光刻膠AZ9260,AZ1500等。所述步驟(2)的前烘處理溫度根據(jù)膠的不同為幾十度到200度,前烘時(shí)間根據(jù)膠的不 同和膠厚為幾分鐘到幾十分鐘。所述步驟(3)中的設(shè)計(jì)掩模采用公式Z)-丄+ VF^,其中D為抽樣間隔,a為微透 鏡口徑,d為激光直寫的分辨率,Z為激光直寫所能制作的最小線寬,應(yīng)用上述的抽樣間隔 Z)將三維微透鏡列陣在某一方向上量化成一系列等間隔的條形子區(qū)域,將每個(gè)子區(qū)域等比 例投影到其位置處的抽樣間隔內(nèi),作為每個(gè)子區(qū)域的子掩模,最后將所有子掩模進(jìn)行組合, 得到單元掩模結(jié)構(gòu),該掩模結(jié)構(gòu)為一種非周期的掩模。將該單元掩模結(jié)構(gòu)列陣化即可得到 總掩模結(jié)構(gòu)。所述步驟(3)中的三維微透鏡列陣結(jié)構(gòu)可以是雙曲面形,或拋物線面形,或橢球面形, 或圓球面形等。所述步驟(3)中的三維微透陣列透鏡的口徑為四邊形,或六邊形,或八邊形,或任意 形狀。所述步驟(4)中是將掩模在抽樣方向上移動(dòng)一個(gè)抽樣間隔,進(jìn)行一次曝光而成,在曝 光過程中,每個(gè)子區(qū)域內(nèi)的曝光量由其子掩模來調(diào)制,總曝光量由每個(gè)子區(qū)域內(nèi)曝光量相 互迭加形成。所述步驟(5)中的后烘溫度根據(jù)抗蝕劑種類來確定,后烘時(shí)間根據(jù)抗蝕劑種類和己制 作的目標(biāo)面形厚度來確定,為幾十度到200度。所述步驟(6) RIE刻蝕中的刻蝕氣體根據(jù)基底材料來確定,刻蝕時(shí)間根據(jù)膠厚以及基 底材料來確定,為幾分鐘到幾百分鐘。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(1) 現(xiàn)有的光刻熱熔只能制作半球形的微透鏡列陣結(jié)構(gòu),本發(fā)明可以用于制作各種面 形微透鏡列陣結(jié)構(gòu)。(2) 現(xiàn)有的灰度掩模是對(duì)整個(gè)三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽樣,從而將其量化成一系列的圓點(diǎn)結(jié)構(gòu) 或者方塊結(jié)構(gòu),采用電子束直寫技術(shù)來制作掩模結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)過程數(shù)據(jù)量大,并且在制作過 程中需要進(jìn)行光學(xué)濾波,工藝復(fù)雜。本發(fā)明只在一維方向上進(jìn)行抽樣量化,數(shù)據(jù)量大大減 小,掩模采用激光直寫技術(shù)制作,因此制作工藝簡(jiǎn)單。(3) 現(xiàn)有的移動(dòng)掩模法在進(jìn)行掩模設(shè)計(jì)的時(shí)候,是將目標(biāo)面形在水平面上進(jìn)行投影, 然后將該投影陣列化,組成掩模圖形,是一種周期性掩模。本發(fā)明是將抽樣而成的條形子 區(qū)域等比例投影到該位置處的抽樣間隔內(nèi),形成子掩模,然后將子掩模組合而成掩模圖形,
這是一種非周期性的掩模設(shè)計(jì)方法。移動(dòng)掩模怯在用于制作四邊形口徑微透鏡列陣的時(shí)候, 是通過進(jìn)行兩次相互垂直的交叉曝光,才能形成需要的曝光量分布。本發(fā)明在進(jìn)行實(shí)際制 作的時(shí)候,只需要一次移動(dòng)曝光就可以形成需要的曝光量分布,簡(jiǎn)化了工藝過程,并且該 發(fā)明還可以用于制作六邊形、八邊形等其他口徑形狀的微透鏡。,可以用于成形口徑為幾十 微米到幾毫米的微透鏡列陣結(jié)構(gòu),為微透鏡列陣結(jié)構(gòu)的更廣泛應(yīng)用提高了途徑。
圖1為本發(fā)明中的在基底Ge表面涂覆7um抗蝕劑后的結(jié)構(gòu);圖2為本發(fā)明中針對(duì)四邊形口徑的透鏡設(shè)計(jì)所得的掩模結(jié)構(gòu)示意圖,插圖表示掩模圖形 的部分放大圖;圖3為本發(fā)明中的應(yīng)用移動(dòng)曝光系統(tǒng)進(jìn)行曝光的結(jié)構(gòu); 圖4為本發(fā)明中的表示經(jīng)過顯影之后的結(jié)構(gòu);圖5表示應(yīng)用RIE刻蝕將結(jié)構(gòu)傳遞到基底上去的結(jié)構(gòu)。圖中1、 Ge基底,2、抗蝕劑AZ9260, 3、設(shè)計(jì)所得的掩模,4、曝光光源,5、金屬 鉻,6、 K9玻璃。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施方式
及附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明,但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限 于下列實(shí)施例,應(yīng)包括權(quán)利要求書中的全部?jī)?nèi)容。 本發(fā)明的方法成形微透鏡列陣結(jié)構(gòu)的過程如下(1) 選擇鍺Ge材料作為基底,并在其表面涂覆光刻膠AZ9260,甩膠機(jī)轉(zhuǎn)速為5000 轉(zhuǎn)/S,甩膠時(shí)間為30s,前烘溫度為65^,前烘時(shí)間為25min,如圖1所示;(2) 針對(duì)口徑為1.5mm的透鏡,采用ISI 1802激光直寫系統(tǒng)進(jìn)行掩模制作,該系統(tǒng) 參數(shù)為d = 0.1 丄=lpm。采用前述的公式(1 )計(jì)算確定最佳抽樣間隔,得到D = 13.28nm, 為了使抽樣數(shù)為整數(shù),在此選擇抽樣間隔為12.5pm,用此抽樣間隔將三維微透鏡量化成120 個(gè)等間隔的條形子區(qū)域,取每個(gè)子區(qū)域在抽樣間隔內(nèi)的等比例投影,作為該子區(qū)域的子掩 模。最后將所有子掩模進(jìn)行組合,得到單元透鏡掩模結(jié)構(gòu)。將該單元掩模列陣化,即可得 到總掩模圖形。如圖2所示,其中的插圖表示掩模的部分放大圖,hl,h2,h3表示每個(gè)抽樣單 元內(nèi)金屬鉻所占的比例,其中h^h2^3;(3) 采用移動(dòng)掩模系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)所得掩模進(jìn)行移動(dòng)曝光,移動(dòng)距離為12.5pm,移動(dòng)速 度為12.5fim/s,曝光時(shí)間為20s,如圖3所示;(4) 將曝光之后的光刻膠進(jìn)行顯影,可以在光刻膠上得到目標(biāo)面形結(jié)構(gòu),如圖4所示;(5) 將目標(biāo)面形結(jié)構(gòu)進(jìn)行后烘處理,后烘溫度為120度,,后烘時(shí)詞.為30分鐘,釆用IE刻蝕將結(jié)構(gòu)傳遞到基底上,刻蝕氣體為六氟化硫(SF6)和氧氣(02),刻蝕時(shí)間為16 分鐘,獲得結(jié)構(gòu)如圖5所示。同理,根據(jù)上述的實(shí)施例的敘述本領(lǐng)域技術(shù)人員即可實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求中的全部?jī)?nèi)容。
權(quán)利要求
1、 一種成形微透鏡列陣結(jié)構(gòu)的方法,其特征在于主要由以下步驟完成-(1) 選擇基底,在其表面涂布抗蝕劑層;(2) 將涂有抗蝕劑層的基底進(jìn)行前烘處理;(3) 對(duì)三維微透鏡列陣目標(biāo)面形進(jìn)行抽樣,設(shè)計(jì)掩模;(4) 采用上述設(shè)計(jì)的掩模,進(jìn)行曝光;(5) 將曝光后的基底進(jìn)行顯影和后烘;(6) 通過反應(yīng)離子刻蝕RIE工藝將面形傳遞到所述基底上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種成形微透鏡列陣結(jié)構(gòu)的方法,其特征在于所述步驟(1) 的基底材料為可見光材料,或紅外材料等。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種成形微透鏡列陣結(jié)構(gòu)的方法,其特征在于所述步驟(1) 的抗蝕劑厚度可以為幾百納米到幾十微米。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種成形微透鏡列陣結(jié)構(gòu)的方法,其特征在于所述步驟(1) 的抗蝕劑根據(jù)要制作的目標(biāo)面形的矢高來確定,為光刻膠AZ9260, AZ1500等。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種成形微透鏡列陣結(jié)構(gòu)的方法,其特征在于所述步驟(2) 的前烘處理溫度根據(jù)膠的不同為幾十度到200度,前烘時(shí)間根據(jù)膠的不同和膠厚為幾分鐘 到幾十分鐘。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種成形微透鏡列陣結(jié)構(gòu)的方法,其特征在于所述歩驟(3)中的設(shè)計(jì)掩模采用公式£ = i + "2 + W ,其中"為抽樣間隔,"為微透鏡口徑,d為掩模制 作系統(tǒng)的最小移動(dòng)距離,即為步長(zhǎng),Z為掩模制作系統(tǒng)的分辨率,即所能制作的最小線寬, 應(yīng)用上述的抽樣間隔D將三維微透鏡列陣在某一方向上量化成一系列等間隔的條形子區(qū) 域,將每個(gè)子區(qū)域等比例投影到其位置處的抽樣間隔內(nèi),作為每個(gè)子區(qū)域的子掩模,最后 將所有子掩模進(jìn)行組合,得到單元掩模結(jié)構(gòu),該掩模結(jié)構(gòu)為一種非周期的掩模。將該單元 掩模結(jié)構(gòu)列陣化即可得到總掩模結(jié)構(gòu)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種成形微透鏡列陣結(jié)構(gòu)的方法,其1f征在于r所述步驟G) 中的三維微透鏡列陣結(jié)構(gòu)可以是雙曲面形,或拋物線面形,或橢球面形,或圓球面形等。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種成形微透鏡列陣結(jié)構(gòu)的方法,其特征在于所述步驟(3) 中的三維微透陣列透鏡的口徑為四邊形,或六邊形,或八邊形,或任意形狀。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種成形微透鏡列陣結(jié)構(gòu)的方法,其特征在于:所述步驟(4)中是將掩模在抽樣方向上移動(dòng)一個(gè)抽樣間隔,進(jìn)行一次曝光而成,在曝光過程中,每個(gè)子 區(qū)域內(nèi)的曝光量由其子掩模來調(diào)制,總曝光量由每個(gè)子區(qū)域內(nèi)曝光量相互迭加形成。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種成形微透鏡列陣結(jié)構(gòu)的方法,其特征在于所述步驟(5) 中的后烘溫度根據(jù)抗蝕劑種類來確定,后烘時(shí)間根據(jù)抗蝕劑種類和已制作的目標(biāo)面形 厚度來確定,為幾十度到200度。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種成形微透鏡列陣結(jié)構(gòu)的方法,其特征在于所述步驟(6) RIE刻蝕中的刻蝕氣體根據(jù)基底材料來確定,刻蝕時(shí)間根據(jù)膠厚以及基底材料來確定, 為幾分鐘到幾百分鐘。
全文摘要
一種成形微透鏡列陣結(jié)構(gòu)的方法,其步驟為(1)選擇基底,在其表面涂布抗蝕劑層;(2)將涂有抗蝕劑層的基底進(jìn)行前烘處理;(3)對(duì)三維微透鏡列陣目標(biāo)面形進(jìn)行抽樣,設(shè)計(jì)掩模;(4)采用上述設(shè)計(jì)的掩模,進(jìn)行曝光;(5)將曝光后的基底進(jìn)行顯影和后烘;(6)通過反應(yīng)離子刻蝕RIE工藝將面形傳遞到所述基底上。本發(fā)明可以成形各種面形以及各種口徑形狀的微透鏡陣列,且工藝簡(jiǎn)單、效率高。
文檔編號(hào)G03F7/00GK101144978SQ20071017601
公開日2008年3月19日 申請(qǐng)日期2007年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月17日
發(fā)明者史立芳, 杜春雷, 董小春, 鄧啟凌 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所