CN101576624B - 聚光器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种聚光器件及其制造方法。聚光器件包括：中心块；一对分别位于中心块左侧和右侧的竖向衍射光栅块，以及一对分别位于所述中心块上方和下方的横向衍射光栅块。竖向衍射光栅块包括形式为在竖轴方向延伸的线的平行的竖向衍射光栅，横向衍射光栅块包括形式为在横轴方向延伸的线的平行的横向衍射光栅。

Description

聚光器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种光学器件及其制造方法，更特别地，涉及一种聚光器件及其制造方法。
背景技术
Fresnel(菲涅耳)透镜通常被用作聚光器件，实现与凸透镜相同的功能，但是其结构的厚度减少，其中，凸透镜的表面被分割为同心的环形部分并被排列在一个平面。被分割的部分被称为Fresnel区。至少一个位于中心的Fresnel区是球面的。
为了制造这种Fresnel透镜，使用金钢石刀具将具有与Fresnel区对应的轮廓的模具从模制板上切割下来，随后使用该模具对Fresnel透镜模制。
然而，当使用这种方法时，会限制F透镜尺寸的减小。如果半导体技术被用于形成Fresnel透镜，则透镜的尺寸能够减小，但是利用半导体加工技术形成球面Fresnel区会是极其困难的。
发明内容
本发明涉及能够利用半导体加工技术制造的小型聚光器件，以及制造该器件的方法。
根据本发明的一方面，提供一种聚光器件。聚光器件包括中心块；一对竖向衍射光栅块，分别位于中心块的左侧和右侧；以及一对横向衍射光栅块，分别位于中心块的上方和下方。竖向衍射光栅块包括在竖轴方向延伸的线形式的平行的竖向衍射光栅，和在横轴方向延伸的线形式的平行的横向衍射光栅。
根据本发明的另一方面，提供一种聚光器件的制造方法。首先，提供模制基板，包括：中心区以及分别位于中心区上方、下方、左侧和右侧的上区、下区、左侧区和右侧区。平行的竖向沟槽线在左侧区和右侧区内部形成，平行的横向沟槽线在上区和下区内部形成。通过在包括沟槽线的成型基板上提供光学树脂，形成聚光器件，该聚光器件包括：中心块；一对竖向衍射光栅块，分别位于中心块左侧和右侧并包括形式为在竖轴方向延伸的线的平行的竖向衍射光栅；以及一对横向衍射光栅块，分别位于中心块上方和下方并包括形式为在横轴方向延伸的线的平行的横向衍射光栅。
附图说明
从下文结合附图对示例性实施方式的描述，本发明的上述和/或其它目的、方面及优点将更明显且更易于理解，附图中：
图1是根据本发明的示例性实施例的聚光器件的俯视图；
图2是图1沿I-I′线的剖视图；
图3是使用根据本发明的示例性实施例的聚光器件聚光的方法的示意图；
图4是根据本发明的示例性实施例的太阳能单体电池模块的示意图；
图5A至图5E是示出根据本发明的示例性实施例的聚光器件制造方法的剖视图；
图6A和图6B是模制图案的SEM(scanning electron microscope，扫描电子显微镜)照片；
图7是传输效率相对于衍射光栅深度的图；以及
图8A和图8B是归一化衍射光栅强度相对于衍射角度的图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明，其中示例性实施例在附图中示出。本发明可以以多种不同方式实施，但不应将其理解成限制于此处描述的示例性实施例。无论何时在附图中出现或在说明书中提及的元件，均由相同的附图标记表示。
应当理解，尽管术语第一、第二、A、B等在此可被用于表示各种元件，但这些元件不受限于这些术语。这些术语仅仅用于将一个元件与另一个元件区分。例如，第一元件可被称为第二元件，并且类似地，第二元件可被称为第一元件，而不脱离该示例性实施例的范围。如此处使用的，术语“和/或”包括一个或更多相关列举项目的任意一个和所有组合。
应当理解，当元件被称为被“连接”或“结合”到其它元件时，该元件可被直接连接或结合到其它元件或可能存在中间元件。相反地，当元件被称为被“直接连接”或“直接结合”到其它元件时，则不会存在中间元件。
在此使用的单数形式的术语也会包括复数形式，除非在上下文中清楚地另有说明。应当进一步理解，当在此使用“包括”、“包含”等时，特别说明的是存在所述的特征、数量、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除一个或更多其它特征、数量、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或增加。
除非另外定义的，在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)的含义与本发明所属领域的技术人员通常理解的含义相同。应当进一步理解，在普通字典中定义的术语应当在相关技术背景范围内解释，而不是理想化或过于形式化的意义，除非在此清楚地这样定义。
图1是根据本发明的示例性实施例的聚光器件的俯视图。图2是图1沿I-I’线的剖视图。
参照图1和图2，聚光器件100包括中心块C、分别位于中心块C左侧和右侧的第一和第二竖向衍射光栅块VB1和VB2，以及分别位于中心块C上方和下方的第一和第二横向衍射光栅块HB1和HB2。聚光器件的材料可以是玻璃、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、或聚碳酸脂。
中心块C可以是在其中不形成衍射光栅的区域。
竖向衍射光栅块对VB1和VB2包括与竖向衍射光栅块VB1和VB2与中心块C之间的边界线平行的多个竖向衍射光栅D_V。竖向衍射光栅D_V可以是平行线的形式，并且其侧壁可基本垂直于竖向衍射光栅D_V的顶部表面。竖向衍射光栅D_V以第一周期P1被排列，并且各个竖向衍射光栅D_V的宽度可被表示为第一周期P1×第一填充因子F1。这里，填充因子指的是衍射光栅的宽度与其周期之比。例如，第一填充因子F1可以是0.5。
横向衍射光栅块对HB1和HB2包括与横向衍射光栅块HB1和HB2与中心块C之间的边界线平行的多个横向衍射光栅D_H。横向衍射光栅D_H也可以是平行线的形式，并且其侧壁可基本垂直于横向衍射光栅D_H的顶部表面。横向衍射光栅D_H以第二周期P2被排列，并且各个横向衍射光栅D_H的宽度可被表示为第二周期P2×第二填充因子F2。例如，第二周期P2可与第一周期P1相同，并且第二填充因子F2可以是0.5。
此外，斜向衍射光栅块DB1、DB2、DB3和DB4可位于中心块C的四个角附近。斜向衍射光栅块DB1、DB2、DB3和DB4可包括位于第一竖向衍射光栅块VB1和第一横向衍射光栅块HB1之间的第一斜向衍射光栅块DB1、位于第一横向衍射光栅块HB1和第二竖向衍射光栅块VB2之间的第二斜向衍射光栅块DB2、位于第二竖向衍射光栅块VB2和第二横向衍射光栅块HB2之间的第三斜向衍射光栅块DB3，以及位于第二横向衍射光栅块HB2和第一竖向衍射光栅块VB1之间的第四斜向衍射光栅块DB4。
每一个斜向衍射光栅块DB1、DB2、DB3和DB4可包括斜向彼此相邻地排列的矩形六面体衍射光栅D_C。长方体衍射光栅D_C可具有立方体、平截头体或四棱锥的形式。斜向彼此相邻地排列的矩形六面体衍射光栅D_C的至少某些角可彼此接触。
矩形六面体衍射光栅D_C以第三周期PH在横轴H的方向和以第四周期PV在竖轴H的方向被排列。此外，各个矩形六面体衍射光栅D_C在横轴H方向上的宽度可表示为第三周期PH×第三填充因子FH，各个矩形六面体衍射光栅D_C在竖轴V方向上的宽度可表示为第四周期PV×第四填充因子FV。作为一个例子，各个矩形六面体衍射光栅D_C在横向方向上的宽度(PH·FH)可与在竖向方向上的宽度(PV·FV)相同。换句话说，矩形六面体衍射光栅D_C的顶部表面可以是正方形。进一步地，第三周期PH可与第四周期PV相同，并且第三填充因子FH和第四填充因子FV都可以是0.5。
作为一个例子，聚光器件100可以是3×3矩阵的形式。在这种情况下，以3×3矩阵的形式排列的块的横轴H方向上的宽度可以是第一到第三横向宽度LH1、LH2和LH3，块的竖轴V方向上的宽度可以是第一到第三竖向宽度LV1、LV2和LV3。作为一个例子，各个块的形状可以是正方形。在这种情况下，第一到第三横向宽度LH1、LH2和LH3以及第一到第三竖向宽度LV1、LV2和LV3中的所有宽度都相同。
图3是使用根据本发明的示例性实施例的聚光器件聚光的方法的示意图。
参照图2和图3，光线L入射到聚光器件100的前小面。例如，入射光线L可垂直于聚光器件100的前小面入射。
入射到中心块C上的光线L从聚光器件100的后小面以与入射光线L传播方向相同的方向射出。因此，当入射光线L垂直于聚光器件100的前小面时，从中心块C出射的出射光线L_S可同样地垂直于聚光器件100的后小面。
入射到第一竖向衍射光栅块VB1上的光线从聚光器件100的后小面衍射而形成在中心向竖轴V的任一方向发散的第一光束L_VB1。此外，入射到第二竖向衍射光栅块VB2上的光线从聚光器件100的后小面衍射而形成在中心向竖轴V的任一方向发散的第一光束L_VB2。第一光束L_VB1和L_VB2在中心块C的下方进行相长干涉，而形成在竖轴V方向延伸的竖向聚光区域L_VB。
类似地，入射到第一和第二横向衍射光栅块HB1和HB2中每一个上的光线从聚光器件100的后小面衍射而形成在中心向横轴H的任一方向发散的第一光束L_HB1和L_HB2。第一光束L_HB1和L_HB2在中心块C的下方进行相长干涉，而形成在横轴H方向延伸的横向聚光区域L_HB。
另外，入射到第一到第四斜向衍射光栅块DB1、DB2、DB3和DB4中每一个上的光线从聚光器件100的后小面衍射而形成在四个对角线方向发散的四个第一光束L_DB1、L_DB2、L_DB3和L_DB4。在第一和第三斜向衍射光栅块DB1和DB3中衍射的第一和第三光束L_DB1和L_DB3在中心块C的下方进行相长干涉，而形成在第一对角线方向延伸的第一聚光区域L_DB13。并且，在第二和第四斜向衍射光栅块DB2和DB4中衍射的第二和第四光束L_DB2和L_DB4在中心块C的下方进行相长干涉，而形成在第二对角线方向延伸的第二聚光区域L_DB24。
从中心块C、竖向聚光区域L_VB、横向聚光区域L_HB、第一斜向聚光区域L_DB13和第二斜向聚光区域L_DB24出射的出射光线L_S都在中心块C的下方相互叠加，而形成中心聚光区域LC。然而，即使在第一到第四斜向衍射光栅块DB1、DB2、DB3和DB4中没有形成衍射光栅时也可形成中心聚光区域LC。只是中心聚光区域LC中的聚集的光的强度弱些。
为了便于理解，图中所示的聚光区域L_VB、L_HB、L_DB 13、L_DB24和LC的范围仅示出聚光效率超过设定大小的情况，并且光线不仅在聚光区域L_VB、L_HB、L_DB13、L_DB24和LC的内部射出。为了进行详细说明，聚光效率从聚光区域L_VB、L_HB、L_DB13、L_DB24和LC向外减小。
由于这样的聚光器件100包括线形或矩形六面体形状的衍射光栅，因此它能够利用如下描述的半导体加工工艺形成。相应地，聚光器件的集成度能被大幅度地提高。
图4是根据本发明的示例性实施例的太阳能单体电池模块的示意图。参照图4，太阳能单体电池模块200包括太阳能单体电池阵列基板210，以及位于太阳能单体电池阵列基板210上的聚光器件阵列基板220，其中，太阳能单体电池SC排列在太阳能单体电池阵列基板210上。
聚光器件阵列基板220包括多个单位聚光器件U1、U2、U3和U4。单位聚光器件U1、U2、U3和U4中的每一个都与参照图1到图3所描述的聚光器件相同。然而，在横轴H方向相邻的一对单位聚光器件(U1和U2，或U3和U4)共享一个竖向衍射光栅区域(VB2或VB1)，在竖轴V方向相邻的一对单位聚光器件(U1和U4，或U2和U3)共享一个横向衍射光栅区域(HB1或HB2)，以及在横轴H和竖轴V方向相邻的四个单位聚光器件U1、U2、U3和U4共享一个斜向衍射光栅区域DB1、DB2、DB3或DB4。
太阳能单体电池SC对应着聚光器件阵列基板220的中心块C排列。
与上述参照图3的描述类似，单位聚光器件U1、U2、U3和U4能够在各自相应的太阳能单体电池SC上进行聚光LC。如上所述，由于聚光器件100包括线或矩形六面体形状的衍射光栅，它能够利用如下描述的半导体加工工艺形成，从而使聚光器件阵列基板220的集成度能被大幅度地提高。因此，太阳能单体电池模块200的集成度也能被提高。
图5A至图5E是示出根据本发明的示例性实施例的聚光器件制造方法的剖视图。
参照图5A，抗蚀剂层12在模制基板10上形成。模制基板10可以是硅基板。作为一个例子，硅基板可以是尺寸为20mm×20mm和厚度为500μm的n型基板。模制基板10可包括中心区10A，以及分别位于中心区的上方、下方、左侧和右侧的上区(未示出)、下区(未示出)、左侧区10L和右侧区10R。此外，模制基板10可进一步包括与中心区10A的四个角相邻的中间区(未示出)。中心区10A、上区、下区、左侧区10L、右侧区10R和中间区可分别对应于图1中所示的中心块C、第一横向衍射光栅块HB1、第二横向衍射光栅块HB2、第一竖向衍射光栅块VB1、第二竖向衍射光栅块VB2、以及斜向衍射光栅块DB1、DB2、DB3和DB4。
包括抗蚀剂层12的模制基板10被图案化的束15照射。束15可以是电子束(e-beam)，如果是电子束，则抗蚀剂层12可适用于电子束。在这种情况下，可利用无需光掩模的直接写入法来辐射电子束。
电子束抗蚀剂层12可以是厚度为1000nm的ZEP 520(Nippon Zeon，Co.)，并且在抗蚀剂层12形成后，抗蚀剂层12可在180℃下被预烘焙三分钟。此外，电压、束电流以及电子束的剂量分别可以是30kV、10pA和56μC/cm2。
参照图5B，如果抗蚀剂层12在被光束15照射后被显影，则在模制基板10上形成抗蚀剂图案12a。通过将抗蚀剂层12浸入ZEP 520显影溶液5分钟，并利用methylethylketone(甲基甲乙酮)溶液对其清洗30秒而进行显影。随后，抗蚀剂图案12a可在110℃被后段烘焙3分钟。
参照图5C，使用抗蚀剂图案12a作为掩模对模制基板10刻蚀。结果，具有沟槽的模制图案10a在模制基板10上形成。模制图案10a可以是在左侧区10L和右侧区10R中的平行的竖向沟槽线、在上区和下区中的平行的横向沟槽线(未示出)，或是在中间区中沿斜向相邻排列的矩形六面体沟槽(未示出)。竖向和横向沟槽线可分别对应于图1中的竖向和横向衍射光栅D_V和D_H，并且矩形六面体沟槽可对应于图1中的矩形六面体衍射光栅D_C。
可通过各向异性刻蚀法刻蚀模制基板10。更具体地说，可利用高能中性粒子束刻蚀模制基板10。高能中性粒子束是指常温下具有高于正常动能的中性粒子，即高能中性粒子，并以束的形式在一个方向上流动。这种高能中性粒子束具有出众的方向性，模制基板10相对于抗蚀图像12a的刻蚀选择性接近1∶1，并且各向异性可被有效地执行。高能中性粒子束可以是FAB(fastatomic beam，高速原子束)。作为一个例子，FAB刻蚀可利用FAB 600(ABARA，Co.)以21nm/min的速度进行30分钟。
参照图5D，光学树脂20淀积在包括模制图案10a的模制基板10上，压板30被布置在光学树脂20上。光学树脂可以是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸脂树脂。
参照图5E，聚光器件100，即模制的光学树脂层通过沿着模制基板10的方向对压板30施压而形成。通过这种方式，聚光器件100可利用热压印技术被复制。
图6A和图6B是模制图案的SEM(扫描电子显微镜)照片。
参照图6A，可以看出平行的沟槽线10a_1形成。可以看出沟槽线10a_1的宽度为1.0μm，并以2.0μm的周期排列。
参照图6B，可以看出矩形六面体沟槽10a_2以斜向相邻排列方式形成。可以看出矩形六面体沟槽10a_2在横轴方向的宽度为0.714μm，并以1.428μm的周期排列，在竖轴方向的宽度为0.714μm，并以1.428μm的周期排列。
下面将描述根据本发明的示例性实施例的聚光器件的衍射光栅的深度和角度的计算方法。
衍射光栅的深度可通过下面表1列出的光学和几何条件计算出。
表1
特别地，通过标量Fourier(傅里叶)变换和RCWA(rigorous coupled-waveanalysis，矢量严格耦合波分析)利用表1中的条件，传输效率被作为衍射光栅深度的函数计算。根据衍射光栅深度的传输效率如图7所示。
参照图7，可以看出根据标量分析算出的第一最大衍射效率在深度0.65μm时为40.5％(+1st，-1st SC)，根据矢量分析算出的第一最大衍射效率在TE(transverse electric，横向电)模式下深度0.63μm时为38.3％(+1st，-1st TE)，在TM(transverse magnetic，横磁)模式下深度0.66μm时为38.7％(+1st，-1stTM)。如果忽略在深度上的微小差异，衍射光栅的深度d可被设置为0.65μm。衍射光栅的角度可通过下面表2列出的光学和几何条件计算出。
表2
Figure G2009101191698D00091
特别地，使用表2的条件，针对横向和竖向衍射光栅以及矩形六面体衍射光栅，对作为衍射角度函数的归一化衍射强度进行计算，计算结果如图8A和图8B所示。参照图8A，可以看出横向和竖向衍射光栅在衍射角度±12.6°处产生最大衍射强度。此外，参照图8B，可以看出立方体衍射光栅在衍射角度(±17.7°，±17.7°)处产生最大衍射强度。
利用这些衍射角度计算出的焦距为488μm。
根据本发明，聚光器件可包括线形的衍射光栅并且能够通过半导体制造工艺形成。因此，聚光器件的集成度可被大幅度地提高。
尽管已经对本发明的示例性实施例进行了图示和描述，但是，本领域技术人员应当理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的范围的情况下，可以对本发明所描述的示例性实施例进行各种修改。

Claims (3)

1.一种包含多个单位聚光器件的聚光器件阵列基板，
所述单位聚光器件，包括：
中心块；
一对竖向衍射光栅块，分别位于所述中心块左侧和右侧，并包括形式为在竖轴方向延伸的线的平行的竖向衍射光栅；以及
一对横向衍射光栅块，分别位于所述中心块上方和下方，并包括形式为在横轴方向延伸的线的平行的横向衍射光栅，
其中，所述多个单位聚光器件在横轴上相邻的一对单位聚光器件共享一个竖向衍射光栅块，而所述多个单位聚光器件在竖轴上相邻的一对单位聚光器件共享一个横向衍射光栅块。
2.如权利要求1所述的包含多个单位聚光器件的聚光器件阵列基板，
所述单位聚光器件进一步包括：
位于与所述中心块的四个角附近的斜向衍射光栅块，
其中，在横轴和竖轴方向相邻的四个单位聚光器件共享一个斜向衍射光栅块，
其中，入射到所述斜向衍射光栅块中每一个上的光线沿四个对角线方向衍射。
3.如权利要求2所述的包含多个单位聚光器件的聚光器件阵列基板，其中，所述斜向衍射光栅块中的每一个包括斜向排列的矩形六面体衍射光栅。
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