CN101144978B - 一种成形微透镜列阵结构的方法 - Google Patents

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Abstract

一种成形微透镜列阵结构的方法，其步骤为：(1)选择基底，在其表面涂布抗蚀剂层；(2)将涂有抗蚀剂层的基底进行前烘处理；(3)对三维微透镜列阵目标面形进行抽样，设计掩模；(4)采用上述设计的掩模，进行曝光；(5)将曝光后的基底进行显影和后烘；(6)通过反应离子刻蚀RIE工艺将面形传递到所述基底上。本发明可以成形各种面形以及各种口径形状的微透镜阵列，且工艺简单、效率高。

Description

一种成形微透镜列阵结构的方法
技术领域
本发明属于微纳结构加工技术领域，具体地说是一种成形微透镜列阵结构的方法。
背景技术
微透镜列阵以其重量轻、体积小、设计灵活等优点，已经在光纤通信，Shack-Hatrmann传感，航空航天、生物医学、激光一机械加工等领域发挥着越来越多的作用。目前已经发展了多种可用于制作微透镜列阵的方法，如光刻热熔法，激光直写法，灰度掩模法等，光刻热熔法成形微光学元件表面光洁度高，但只能成形面形为半球形的元件；激光直写法可以成形任意面形的结构，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镜列阵；灰度掩模技术虽然设计灵活、制作效率高、能生成任意面形，但该技术不仅需要电子束直写来制备高精度的掩模，而且在曝光过程中需要进行光学滤波，工艺复杂。移动掩模法可以用于成形微透镜列阵结构，它主要采用二值化的掩模进行曝光，通过匀速移动掩模，在抗蚀剂表面形成连续曝光量分布，显影后获得连续面形的微光学元件，对于矩形口径的微透镜列阵，移动掩模法需要进行两次相互垂直的移动曝光，因此对设备的机械结构和移动定位精度等都提出了很高的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种工艺简单、效率高，且可以成形任意面形任意口径形状的微透镜列阵成形方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种成形微透镜列阵结构的方法包括以下步骤：
(1)选择基底，在其表面涂布抗蚀剂层；
(2)将涂有抗蚀剂层的基底进行前烘处理；
(3)对三维微透镜列阵目标面形进行抽样，设计掩模；
(4)采用上述设计的掩模，进行曝光；
(5)将曝光后的基底进行显影和后烘；
(6)通过反应离子刻蚀RIE工艺将面形传递到所述基底上。
所述步骤(1)的基底材料为可见光材料，或红外材料等。
所述步骤(1)的抗蚀剂厚度可以为几百纳米到几十微米。
所述步骤(1)的抗蚀剂根据要制作的目标面形的矢高来确定，为光刻胶AZ9260，AZ1500等。
所述步骤(2)的前烘处理温度根据胶的不同为几十度到200度，前烘时间根据胶的不同和胶厚为几分钟到几十分钟。
所述步骤(3)中的设计掩模采用公式 D = L + L 2 + ad , 其中D为抽样间隔，a为微透镜口径，d为激光直写的分辨率，L为激光直写所能制作的最小线宽，应用上述的抽样间隔D将三维微透镜列阵在某一方向上量化成一系列等间隔的条形子区域，将每个子区域等比例投影到其位置处的抽样间隔内，作为每个子区域的子掩模，最后将所有子掩模进行组合，得到单元掩模结构，该掩模结构为一种非周期的掩模。将该单元掩模结构列阵化即可得到总掩模结构。
所述步骤(3)中的三维微透镜列阵结构可以是双曲面形，或抛物线面形，或椭球面形，或圆球面形等。
所述步骤(3)中的三维微透阵列透镜的口径为四边形，或六边形，或八边形，或任意形状。
所述步骤(4)中是将掩模在抽样方向上移动一个抽样间隔，进行一次曝光而成，在曝光过程中，每个子区域内的曝光量由其子掩模来调制，总曝光量由每个子区域内曝光量相互迭加形成。
所述步骤(5)中的后烘温度根据抗蚀剂种类来确定，后烘时间根据抗蚀剂种类和已制作的目标面形厚度来确定，为几十度到200度。
所述步骤(6)RIE刻蚀中的刻蚀气体根据基底材料来确定，刻蚀时间根据胶厚以及基底材料来确定，为几分钟到几百分钟。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)现有的光刻热熔只能制作半球形的微透镜列阵结构，本发明可以用于制作各种面形微透镜列阵结构。
(2)现有的灰度掩模是对整个三维结构进行抽样，从而将其量化成一系列的圆点结构或者方块结构，采用电子束直写技术来制作掩模结构，设计过程数据量大，并且在制作过程中需要进行光学滤波，工艺复杂。本发明只在一维方向上进行抽样量化，数据量大大减小，掩模采用激光直写技术制作，因此制作工艺简单。
(3)现有的移动掩模法在进行掩模设计的时候，是将目标面形在水平面上进行投影，然后将该投影阵列化，组成掩模图形，是一种周期性掩模。本发明是将抽样而成的条形子区域等比例投影到该位置处的抽样间隔内，形成子掩模，然后将子掩模组合而成掩模图形，这是一种非周期性的掩模设计方法。移动掩模法在用于制作四边形口径微透镜列阵的时候，是通过进行两次相互垂直的交叉曝光，才能形成需要的曝光量分布。本发明在进行实际制作的时候，只需要一次移动曝光就可以形成需要的曝光量分布，简化了工艺过程，并且该发明还可以用于制作六边形、八边形等其他口径形状的微透镜。，可以用于成形口径为几十微米到几毫米的微透镜列阵结构，为微透镜列阵结构的更广泛应用提高了途径。
附图说明
图1为本发明中的在基底Ge表面涂覆7um抗蚀剂后的结构；
图2为本发明中针对四边形口径的透镜设计所得的掩模结构示意图，插图表示掩模图形的部分放大图；
图3为本发明中的应用移动曝光系统进行曝光的结构；
图4为本发明中的表示经过显影之后的结构；
图5表示应用RIE刻蚀将结构传递到基底上去的结构。
图中：1、Ge基底，2、抗蚀剂AZ9260，3、设计所得的掩模，4、曝光光源，5、金属铬，6、K9玻璃。
具体实施方式
下面结合具体实施方式及附图对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下列实施例，应包括权利要求书中的全部内容。
本发明的方法成形微透镜列阵结构的过程如下：
(1)选择锗Ge材料作为基底，并在其表面涂覆光刻胶AZ9260，甩胶机转速为5000转/S，甩胶时间为30s，前烘温度为65℃，前烘时间为25min，如图1所示；
(2)针对口径为1.5mm的透镜，采用ISI 1802激光直写系统进行掩模制作，该系统参数为：d＝0.1μm，L＝1μm。采用前述的公式(1)计算确定最佳抽样间隔，得到D＝13.28μm，为了使抽样数为整数，在此选择抽样间隔为12.5μm，用此抽样间隔将三维微透镜量化成120个等间隔的条形子区域，取每个子区域在抽样间隔内的等比例投影，作为该子区域的子掩模。最后将所有子掩模进行组合，得到单元透镜掩模结构。将该单元掩模列阵化，即可得到总掩模图形。如图2所示，其中的插图表示掩模的部分放大图，h1，h2，h3表示每个抽样单元内金属铬所占的比例，其中h1＞h2＞h3；
(3)采用移动掩模系统应用设计所得掩模进行移动曝光，移动距离为12.5μm，移动速度为12.5μm/s，曝光时间为20s，如图3所示；
(4)将曝光之后的光刻胶进行显影，可以在光刻胶上得到目标面形结构，如图4所示；
(5)将目标面形结构进行后烘处理，后烘温度为120度，后烘时间为30分钟，采用  RIE刻蚀将结构传递到基底上，刻蚀气体为六氟化硫(SF6)和氧气(O2)，刻蚀时间为16分钟，获得结构如图5所示。
同理，根据上述的实施例的叙述本领域技术人员即可实现权利要求中的全部内容。

Claims (11)

1.一种成形微透镜列阵结构的方法，其特征在于主要由以下步骤完成：
(1)选择基底，在其表面涂布抗蚀剂层；
(2)将涂有抗蚀剂层的基底进行前烘处理；
(3)对三维微透镜列阵目标面形进行抽样，设计掩模；
(4)采用上述设计的掩模，进行曝光；
(5)将曝光后的基底进行显影和后烘；
(6)通过反应离子刻蚀RIE工艺将步骤(5)已制作后的目标面形传递到所述基底上。
2.根据权利要求1所述的一种成形微透镜列阵结构的方法，其特征在于：所述步骤(1)的基底材料为可见光材料，或红外材料。
3.根据权利要求1所述的一种成形微透镜列阵结构的方法，其特征在于：所述步骤(1)的抗蚀剂厚度可以为几百纳米到几十微米。
4.根据权利要求1所述的一种成形微透镜列阵结构的方法，其特征在于：所述步骤(1)的抗蚀剂为光刻胶AZ9260，AZ1500。
5.根据权利要求1所述的一种成形微透镜列阵结构的方法，其特征在于：所述步骤(2)的前烘处理温度根据抗蚀剂的不同为几十度到200度，前烘时间根据抗蚀剂的不同和抗蚀剂厚为几分钟到几十分钟。
6.根据权利要求1所述的一种成形微透镜列阵结构的方法，其特征在于：所述步骤(3)中的设计掩模采用公式
Figure FSB00000083128800011
其中D为抽样间隔，a为微透镜口径，d为掩模制作系统的最小移动距离，即为步长，L为掩模制作系统的分辨率，即所能制作的最小线宽，应用上述的抽样间隔D将三维微透镜列阵在某一方向上量化成一系列等间隔的条形子区域，将每个子区域等比例投影到其位置处的抽样间隔内，作为每个子区域的子掩模，最后将所有子掩模进行组合，得到单元掩模结构，该掩模结构为一种非周期的掩模，将该单元掩模结构列阵化即可得到总掩模结构。
7.根据权利要求1所述的一种成形微透镜列阵结构的方法，其特征在于：所述步骤(3)中的三维微透镜列阵结构可以是双曲面形，或抛物线面形，或椭球面形，或圆球面形。
8.根据权利要求1所述的一种成形微透镜列阵结构的方法，其特征在于：所述步骤(3)中的三维微透阵列透镜的口径为任意形状。
9.根据权利要求1所述的一种成形微透镜列阵结构的方法，其特征在于：所述步骤(4)中是将掩模在抽样方向上移动一个抽样间隔，进行一次曝光而成，在曝光过程中，每个子区域内的曝光量由其子掩模来调制，总曝光量由每个子区域内曝光量相互迭加形成。
10.根据权利要求1所述的一种成形微透镜列阵结构的方法，其特征在于：所述步骤(5)中的后烘温度根据抗蚀剂种类来确定，后烘时间根据抗蚀剂种类和已制作的目标面形厚度来确定，为几十度到200度。
11.根据权利要求1所述的一种成形微透镜列阵结构的方法，其特征在于：所述步骤(6)RIE刻蚀中的刻蚀气体根据基底材料来确定，刻蚀时间根据抗蚀剂厚以及基底材料来确定，为几分钟到几百分钟。
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