CN102621604A

CN102621604A - 亚微米尺度球面或者柱面微透镜阵列的制备方法

Info

Publication number: CN102621604A
Application number: CN2012101076371A
Authority: CN
Inventors: 罗先刚; 刘凯鹏; 赵泽宇; 王长涛; 高平; 冯沁; 刘玲
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2012-08-01

Abstract

本发明提供一种亚微米尺度球面或者柱面微透镜阵列的制备方法，用于提供制造表面光滑的凹球面微透镜、凸球面微透镜和截面为圆弧形的柱型微透镜及其阵列。其主要步骤为：在基底上制备孔结构、或直线沟槽、或孔结构阵列、或直线沟槽阵列，使用腐蚀液对基底进行各向同性腐蚀，控制湿法腐蚀的深度就能得到预定的凹球面微透镜、截面为圆弧形的柱型微透镜、或这些结构构成的阵列，若以此凹面微透镜为模具可以浇铸或压印得到凸面微透镜。本发明该方法通过控制孔或直线沟槽的深度、孔或直线沟槽阵列结构的周期、湿法腐蚀的深度，可以得到口径和曲率半径独立可调的填充因子接近100％的球面微透镜阵列或柱型微透镜阵列。

Description

亚微米尺度球面或者柱面微透镜阵列的制备方法

技术领域

本发明涉及亚微米尺度球面或者柱面微透镜阵列的制备方法，尤其涉及湿法腐蚀方法制备球面微透镜阵列、截面为圆弧形的柱型微透镜阵列的方法。

背景技术

球面微透镜，尤其是口径和曲率半径独立可调的球面微透镜阵列仍然具有很大的应用价值。现有微透镜制作方法有干法和湿法两部分。干法主要包括灰度掩模曝光、掩模移动曝光、激光直写、光刻热熔法等，上述这些方法主要用于形成抗蚀剂微结构，再通过ICP等干法刻蚀将抗蚀剂微结构传递到石英/玻璃等基底表面；由于光存在衍射效应光刻方法很难控制微米级口径的微透镜的面形，光刻热熔法很难制备填充因子大的球面微透镜或柱型沟槽。湿法为在玻璃表面形成掩模层，在掩模层上制备圆形开孔、直线开口，通过开口部分对基底进行化学腐蚀，可以得到半球形的凹面、截面为半圆形的柱型沟槽；这种半球形凹面、柱型沟槽的口径固定为曲率半径的2倍，不能独立调节，不利于实际应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有连续浮雕微透镜阵列制造的限制之处，提出亚微米尺度球面或者柱面微透镜阵列的制备方法，该方法只需要采用常规的光刻技术、湿法腐蚀技术，就可以制备得到口径宽度范围为100纳米到500微米，深度范围为20纳米到100微米的球面微透镜阵列。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：亚微米尺度球面或者柱面微透镜阵列的制备方法，步骤如下：

步骤(1)在基底上制备孔结构、或直线沟槽、或孔结构阵列、或直线沟槽阵列；

步骤(2)使用腐蚀液对基底进行各向同性湿法腐蚀；

步骤(3)控制湿法腐蚀的深度，得到预定的凹球面微透镜或凹球面微透镜阵列，或截面为圆弧形的柱型微透镜或截面为圆弧形的柱型微透镜阵列；

步骤(4)若以此凹球面微透镜、柱型微透镜为模具可以浇铸或压印得到凸球面微透镜阵列、凸的柱型微透镜。

所述步骤(1)中的基底为石英、玻璃或单晶硅材料。

所述步骤(1)中，制备孔结构、直线沟槽或其阵列的方法可以为FIB、电子束直写、激光直写或光学曝光光刻。

所述步骤(2)中的对衬底进行湿法腐蚀时可以以恒定速度搅拌或不搅拌腐蚀液。

所述步骤(2)中，所述腐蚀液为氢氟酸或KOH溶液。

所述步骤(3)和(4)中，所述球面微透镜阵列、柱型微透镜的深度小于或等于其口径的1/2。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明制作的球面微透镜、截面为圆弧形的柱型微透镜的口径和曲率半径独立可调，填充因子最大可以接近100％；只需要采用常规的光刻技术、湿法腐蚀技术，就可以制备得到口径宽度范围为100纳米到500微米，深度范围为20纳米到100微米的球面微透镜、截面为圆弧形的柱型微透镜及其阵列；可极大降低微透镜阵列的制备成本。

附图说明

图1是本发明实施例1中，石英衬底的剖面结构示意图；

图2是本发明实施例1中，制备出孔阵列结构后石英基底的剖面结构示意图；

图3是本发明实施例1中，用氢氟酸缓冲液湿法腐蚀时石英基底的剖面结构示意图；

图4是本发明实施例1中，用氢氟酸缓冲液湿法腐蚀后石英基底的剖面结构示意图；

图5是本发明实施例3中，用氢氟酸缓冲液湿法腐蚀后石英基底的的剖面结构示意图；

图中，1代表基底材料石英；2代表小孔；3代表腐蚀中的凹球面透镜；4代表制备完成的凹球面微透镜，5代表基底材料硅。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

实施例1，制作每个微透镜单元的曲率半径为500nm的凹球面透镜阵列，制作过程如下：

(1)选择厚度为360μm的石英片作为基底，通过光刻，在衬底上制备出如图2所示的孔阵列结构。单个孔的深度为150nm，孔阵列的周期为600nm。

(2)利用氢氟酸缓冲液对石英基底进行各向同性湿法腐蚀，如图3所示。

(3)湿法腐蚀到预定的深度后的停止腐蚀，得到预定的凹球面微透镜阵列，如图4所示。湿法腐蚀的时间约为6分钟，腐蚀的深度约为500nm。得到的凹球面透镜阵列的每个微透镜单元的曲率半径约为500nm。

实施例2，制作1个曲率半径为1μm的凹球面透镜，制作过程如下：

(1)选择厚度为1毫米的微晶玻璃片作为基底，通过光刻，在衬底上制备出1个深度为500nm的孔。

(2)利用氢氟酸缓冲液对微晶玻璃基底进行各向同性湿法腐蚀。

(3)湿法腐蚀到预定的深度后的停止腐蚀，得到预定的凹球面微透镜阵列。湿法腐蚀的时间约为20分钟，腐蚀的深度约为1μm。得到的凹球面透镜的曲率半径约为1μm。

实施例3，制作每个微透镜单元的曲率半径为10μm的凸球面透镜阵列，制作过程如下：

(1)选择厚度为525μm的单晶硅片作为基底，通过光刻，在衬底上制备出数量为10x10的孔阵列结构。单个孔的深度为5μm，孔阵列的周期为40μm。

(2)利用KOH溶液对进行单晶硅基底进行各向同性湿法腐蚀。

(3)湿法腐蚀到预定的深度后的停止腐蚀，得到预定的凹球面微透镜阵列，如图4所示。湿法腐蚀的时间约为100分钟，腐蚀的深度约为10μm。得到的凹球面透镜阵列的每个微透镜单元的曲率半径约为10μm。

(4)利用得到的凹球面透镜阵列为模具，进行压印光刻，制备得到每个微透镜单元曲率半径为10μm的凸球面透镜阵列，如图5所示。

实施例4，制作每个微透镜单元的曲率半径为500nm的圆弧形截面的柱型透镜阵列，制作过程如下：

(1)选择厚度为1000μm的石英片作为基底，通过光刻，在衬底上制备出10条的直线沟槽。直线沟槽的深度为160nm长度为20μm，直线沟槽阵列的周期为10μm。

(2)利用氢氟酸缓冲液对石英基底进行各向同性湿法腐蚀。

(3)湿法腐蚀到500nm的深度后的停止腐蚀，得到预定的圆弧形截面的柱型透镜阵列。湿法腐蚀的时间约为12分钟。得到的圆弧形截面的柱型透镜阵列的每个微透镜单元的曲率半径约为500nm，深度为160nm。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims

1.一种亚微米尺度球面或者柱面微透镜阵列的制备方法，其特征步骤如下：

步骤(2)使用腐蚀液对基底进行各向同性湿法腐蚀；

2.根据权利要求1所述的亚微米尺度球面或者柱面微透镜阵列的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的基底为石英、玻璃或单晶硅材料。

3.根据权利要求1所述的亚微米尺度球面或者柱面微透镜阵列的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，制备孔结构、直线沟槽或其阵列的方法可以为FIB、电子束直写、激光直写或光学曝光光刻。

4.根据权利要求1所述的亚微米尺度球面或者柱面微透镜阵列的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的对衬底进行湿法腐蚀时可以以恒定速度搅拌或不搅拌腐蚀液。

5.根据权利要求1所述的亚微米尺度球面或者柱面微透镜阵列的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述腐蚀液为氢氟酸或KOH溶液。

6.根据权利要求1所述的亚微米尺度球面或者柱面微透镜阵列的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)和(4)中，所述球面微透镜阵列的深度小于或等于其口径的1/2。