CN100343698C - 一种连续深浮雕非球面微透镜阵列制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种连续深浮雕非球面微透镜阵列制作方法，根据要求制作的微透镜阵列的尺寸设计制作二元掩模，对光刻胶进行两次涂胶，进行60℃-75℃低温、50min-90min长时间前烘，并将二元掩模经光学系统投影在经过涂胶和前烘工艺后的光刻胶上，然后采用移动掩模法进行曝光，即在曝光过程中移动掩模，再经过显影、漂洗及由70℃低温连续升温至120℃高温、90min-120min长时间后烘培，得到微透镜阵列。本发明所需的曝光时间极短(几十秒到几百秒)，比激光直写方法所需曝光时间少二至三个数量级，并且不需购置昂贵的设备，节约了制作成本，而且利用该方法制作的连续微透镜阵列，其组成微透镜阵列的透镜单元之间不存在死区，故填充因子接近100%。
Description
技术领域
本发明涉及一种连续深浮雕非球面微透镜阵列制作方法，属于微光学元件制作技术。
背景技术
微阵列光学元件不仅具有传统光学元件的基本功能，而且具有单元尺寸小、集成度高的特点，能够完成传统光学元件无法完成的功能，并能构成许多新型光学系统。尤其是连续深浮雕非球面微透镜阵列元件以其大数值孔径、大浮雕深度、高填充因子、高衍射效率等显著优势在现代国防科学技术和工业领域中具有重要的应用价值和广阔的应用前景。
现有的微透镜阵列制作技术主要有：激光直写技术和光刻热熔法等，这些方法都存在一定缺陷，
激光直写技术利用连续光强输出直写系统的聚焦光束在光刻材料表面逐点曝光，曝光后的光刻材料经显影将连续的曝光分布转化为微光学元件的微浮雕结构。由于聚焦光斑随深度增加逐渐离散，激光直写技术不能直接制作较大浮雕深度的连续微光学元件(深度不能超过几个微米)；另一方面，激光直写设备昂贵复杂，曝光时间较长，一般为十几小时乃至几十小时。并且激光聚焦光斑有一定的大小(约1μM)，激光直写方法本质上是量化的。2002年《微光学》一书(国防工业出版社)即介绍了这种采用激光直写技术在S1828光刻胶上研制出连续浮雕微光学元件的最大浮雕深度为5μm。
光刻热熔法通过二元掩模在光刻胶上曝光，经显影得到圆柱型小岛列阵，然后在一定温度下烘烤，使光刻胶处于熔融状态，每个圆柱型小岛由于流体自身的表面张力成近似球冠而形成微透镜单元。这种方法的缺陷在于透镜表面形貌不能控制，难以制作非球面面型的微透镜列阵；同时为保证熔融状态的光刻胶不相连接，要求微透镜单元之间有一定的间隙，因此所制作的微透镜列阵单元之间存在大量的死区(低填充因子)，这部分能量不仅不能利用，还会产生背景噪声。
这两种制作技术对光刻胶均采用一次涂胶(胶厚＜30μm)，高温(＞90℃)快速(60s到120s)前烘，及高温(＞120℃)快速(60s到120s)后烘工艺条件制作。
因此，这两种技术都难以解决连续深浮雕非球面微透镜阵列制作中浮雕深度和非球面面型控制这两大主要难点。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，主要针对浮雕深度和非球面面型控制两大难点，提供一种移动掩模法结合全新的工艺条件制作深浮雕非球面微透镜阵列的方法。
本发明的技术解决方案通过以下步骤完成：一种连续深浮雕非球面微透镜阵列制作方法，其特点在于包括下列步骤：
(1)根据要求制作的微透镜阵列尺寸设计制作二元掩模；
(2)对光刻胶进行两次涂胶；
(3)进行60℃-75℃低温、50min-90min长时间前烘培；
(4)将二元掩模经光学系统投影在经过涂胶和前烘工艺后的光刻胶上；
(5)然后采用移动掩模法进行曝光，并在曝光过程中移动掩模；
(6)再经过显影、漂洗及由70℃低温，到120℃高温连续升温及90min-120min长时间后烘培，得到微透镜阵列。
上述步骤(1)中的二元掩模为抛物线或双曲线面型二元函数，步骤(2)中两次涂胶的总胶厚＞30μm。
本发明与现有技术相比有以下优点：由于该方法采用移动掩模法，曝光过程中通过移动二值化掩模来对光强实行连续调制，曝光后的光刻材料经显影将连续的曝光分布转化为微光学元件的微浮雕结构。因此，利用该方法和新工艺条件能够制作大面积、大深度、非球面面型微透镜阵列；同时，该方法所需的曝光时间极短(几十秒到几百秒)，比激光直写方法所需曝光时间少二至三个数量级，并且不需购置昂贵的设备，节约了制作成本。利用该方法制作的连续微透镜阵列，其组成微透镜阵列的透镜单元之间不存在死区，故填充因子接近100％。
附图说明
图1为本发明中实施例1制作的微透镜阵列截面的表面曲线。
图2为本发明实施例1制作的微透镜阵列俯视照片；
图3为本发明实施例1根据微透镜的设计参数得到的理想双曲线面型和实际元件面型的拟合曲线；
图4为本发明实施例2制作的微柱透镜阵列截面的表面曲线；
图5为本发明实施例2制作的微柱透镜阵列的扫描电镜照片；
图6为本发明实施例2根据微透镜的设计参数得到的理想抛物线面型和实际元件面型的拟合曲线。
具体实施方式
实施例1，制作一个孔径(单元尺寸)：300μm，浮雕深度40.28μm，双曲线面型的微透镜阵列。根据上述尺寸要求，设计、制作二元双曲线面型掩模，再对光刻胶进行两次涂胶，两次涂胶总厚度大于30μm，并进行70℃左右低温、90分钟长时间前烘培，将上述二元掩模经光学系统投影在经过涂胶和前烘工艺后的光刻胶上，然后曝光，并在曝光过程中移动掩模，再经显影、漂洗，70℃低温，到120℃高温连续升温及120min长时间后烘培，得到微透镜阵列。图1所示为实施例1制作的深浮雕非球面微透镜阵列截面的表面曲线，其横向宽度为300μm，纵向深度为40.28μm，图2是实施例1制作的微透镜阵列俯视照片，图3是实施例1根据微透镜的设计参数得到的理想双曲线面型和实际元件面型的拟合曲线。图中，横坐标表示微透镜的口径(坐标单位为1/10微米)，纵坐标表示微透镜的浮雕深度(坐标单位为微米)。
实施例2，制作一个孔径(单元尺寸)：500μm，浮雕深度23.08μm，抛物线面型的微透镜阵列。根据上述尺寸总要求，设计、制作二元抛物线面型掩模，再对光刻胶进行两次涂胶，两次涂胶总厚度大于30μm，并进行65℃低温、60分钟左右长时间前烘培，将上述二元掩模经光学系统投影在经过涂胶和前烘工艺后的光刻胶上，然后曝光，并在曝光过程中移动掩模，再经显影、漂洗，65℃低温，到120℃高温连续升温及90min长时间后烘培，得到微透镜阵列。图4所示为实施例2制作的微柱透镜阵列截面的表面曲线，其横向宽度为500μm，纵向深度为23.08μm，图5是实施例2制作的微柱透镜阵列的扫描电镜照片，图6是实施例2根据微透镜的设计参数得到的理想抛物线面型和实际元件面型的拟合曲线。图中，横坐标表示微透镜的口径(坐标单位为1/10微米)，纵坐标表示微透镜的浮雕深度(坐标单位为微米)。
同理，利用本发明可以制作：单元尺寸范围为100μm到600μm，浮雕深度为20μm到60μm，数值孔径为0.01到0.6，填充因子接近100％，最大面积为400mm×400mm，单元透镜为抛物线或双曲线面型的连续深浮雕微透镜阵列。
Claims (4)
1、一种连续深浮雕非球面微透镜阵列制作方法，其特点在于包括下列步骤：
(1)根据要求制作的微透镜阵列的尺寸设计制作二元掩模；
(2)对光刻胶进行两次涂胶；
(3)进行60℃-75℃低温、50min-90min长时间前烘培；
(4)将二元掩模经光学系统投影在经过涂胶和前烘工艺后的光刻胶上；
(5)然后采用移动掩模法进行曝光，并在曝光过程中移动掩模；
(6)再经过显影、漂洗及由70℃低温连续升温至120℃高温、90min-120min长时间后烘培，得到微透镜阵列。
2、根据权利要求1所述的连续深浮雕非球面微透镜阵列制作方法，其特点在于：上述步骤(1)中的二元掩模为抛物线面型的二元函数，或双曲线面型的二元函数。
3、根据权利要求1所述的连续深浮雕非球面微透镜阵列制作方法，其特点在于：上述步骤(2)中两次涂胶的总胶厚＞30μm。
4、根据权利要求1所述的连续深浮雕非球面微透镜阵列制作方法，其特征在于：通过上述六个主要步骤可以制作浮雕深度范围为20μm到60μm，单元尺寸范围为100μm到600μm，数值孔径范围为0.01到0.6，填充因子接近100％，最大面积为400mm×400mm，单元透镜为抛物线或双曲线面型的连续深浮雕微透镜阵列。
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