CN105372726A - 一种金刚石微透镜阵列及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金刚石微透镜阵列及其制备方法，其中所述制备方法包括以下步骤：a）在金刚石衬底上通过转移或生长的方法覆盖一层硬掩膜；b）在硬掩膜上涂覆一层光刻胶；c）使用三维光刻胶曝光法或热熔法产生光刻胶的微透镜阵列；d）根据所需制备的微透镜高度与直径的比值，分别确定对硬掩膜和金刚石衬底进行等离子体刻蚀的等离子体刻蚀参数，然后按照确定的等离子体刻蚀参数对硬掩膜层和金刚石衬底进行等离子体刻蚀，得到金刚石微透镜阵列。本发明提供的制备方法能够制备出微透镜高度与直径及其比值任意可调的金刚石微透镜阵列。
Description
技术领域
本发明涉及金刚石微透镜阵列制造领域，更具体地，涉及一种金刚石微透镜阵列及其制备方法。
背景技术
金刚石具有高机械硬度、高耐磨性、高热导率、宽光透过波段区间、高化学稳定性、耐酸碱腐蚀等优越特性，而作为一种超硬材料的应用已久，在光、热、电、声等高新技术领域中应用的前景非常广阔。金刚石在光学方面的的性质特别优异，例如金刚石在紫外、可见以及红外区域很宽波长范围（0.23-3微米,6-100微米）内透明，具有比较高的折射率（n=2.4）、高的杨氏模量、低热膨胀系数、高击穿电场等性质使得金刚石在高功率红外激光器中有重要的应用价值，可以应用为高功率激光窗口和恶劣条件下工作的军用或民用设备的红外保护材料。金刚石具备的优越性能和应用前景，在世界范围内得到广泛重视。国外的金刚石研究起步更早，在金刚石光学器件的加工方面的研究和实践工作已经开展了多年，有覆盖了X射线到可见波段直至红外波段的一系列金刚石衍射元件、光栅结构、菲涅尔波片和透镜等金刚石光学器件。
透镜是在光学系统中用来对光进行会聚和发散的一种光学元件。通常的透镜一般是通过抛光加工得到，制造工艺复杂，而且制造出来的光学元件尺寸大、体积大、重量大，不能满足集成化发展的需要。目前，人们已经能够制作出直径非常小的透镜与透镜阵列，这种透镜与透镜阵列通常是不能被人眼识别的，只有用显微镜、扫描电镜、原子力显微镜等设备才能观察到，这就是微透镜和微透镜阵列。最近20多年，一种新型的平面微透镜阵列发展并壮大起来。采用光刻工艺，可以制作出排列整齐、结构均匀的微透镜阵列，这些透镜阵列只有一个平面，因此易于与其它平面元件耦合连接，并且具有较好的聚光和成像功能。另外，由于单个透镜的直径小，微透镜阵列的透镜密度高，可实现信息的大容量、多通道并行处理。因此，微透镜阵列在光传感、光计算、光纤通信及其它光电子器件中获得了重要的应用。
金刚石微透镜阵列结合了金刚石优异特性和微透镜阵列的高密度、低重量优点。金刚石在高功率激光和量子信息学方面的应用促进了金刚石微透镜的制作，金刚石光学部件的加工在过去十几年有了大幅进展。
传统的金刚石微透镜制作方法有三个，一是用掩膜的方法制备，只适用于直径几百微米以上的较大透镜制备；二是用聚焦离子束方法加工，只适用于直径几十微米以下的较小透镜制备且加工速度慢、成本高，不能大规模加工；三是用光刻胶热熔法结合等离子体刻蚀加工金刚石透镜，但是只能得到较为浅的透镜（即透镜高度与直径的比值较小）。大规模制备金刚石微透镜（直径从十几微米到几百微米范围）阵列的研究停留在曲率半径较大（典型数值如：微透镜直径100微米，对应球冠高度小于2微米）的微透镜制作，因为这种结构的透镜制作相对简易，但是应用受到了限制。
发明内容
本发明为解决以上现有技术的缺陷，提供了一种金刚石微透镜阵列制备方法，使用该方法能够制备出微透镜高度与直径的比值任意可调的金刚石微透镜阵列。
一种金刚石微透镜阵列制备方法，包括以下步骤：
a）在金刚石衬底上通过转移或生长的方法覆盖一层硬掩膜；
b）在硬掩膜上涂覆一层光刻胶；
c）使用三维光刻胶曝光法或热熔法产生光刻胶的微透镜阵列；
d）根据所需制备的微透镜高度与直径的比值，分别确定对硬掩膜和金刚石衬底进行等离子体刻蚀的等离子体刻蚀参数，然后按照确定的等离子体刻蚀参数对硬掩膜层和金刚石衬底进行等离子体刻蚀，得到金刚石微透镜阵列。
上述方案中，在进行两次等离子体刻蚀之前，通过对等离子体刻蚀的等离子体刻蚀参数的优化，使得制备出来的金刚石微透镜阵列微透镜高度与直径的比值，符合所需的要求。且由于本发明提供的方法利用了较为成熟的传统半导体微加工方法，可以大规模制作整片的金刚石微透镜阵列，因而是具备较大的市场潜力和应用。
优选地，所述在硬掩膜上覆盖一层光刻胶后，先对光刻胶进行烘烤，然后进行步骤c）。
优选地，所述等离子体刻蚀参数包括离子体刻蚀的气体组分、流量、气压和功率。
优选地，所述硬掩膜为硅、氧化硅或者氮化硅中任一种。
优选地，所述金刚石衬底为单晶金刚石、多晶金刚石、非晶金刚石、微米晶金刚石和纳米晶金刚石中任一种。
同时，本发明还提供了一种金刚石微透镜阵列，所述金刚石微透镜阵列是应用本发明提供的制备方法制备而得的。
优选地，上述金刚石微透镜阵列的微透镜直径在1微米至1毫米之间。
优选地，所述金刚石微透镜阵列的微透镜的高度为直径长度的1%到400%。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的制备方法应用硅、氧化硅和氮化硅等硬掩膜材料，利用三维光刻胶曝光法或热熔法产生光刻胶的微透镜阵列，再利用两次等离子体刻蚀，可以制备出透镜高度与直径的比值任意可调的微透镜。两次等离子体刻蚀的菜单选择是制备方法的关键，通过选择气体组分、流量、气压、功率等离子体刻蚀参数可以获得光刻胶和硬掩膜以及硬掩膜和金刚石之间的不同选择比，从而制备出透镜高度与直径的比值任意可调的微透镜，同时，本方法利用了较为成熟的传统半导体微加工方法，可以大规模制作整片的金刚石微透镜阵列，因而是具备较大的市场潜力和应用的。
附图说明
图1为金刚石微透镜阵列的排列示意图。
图2为本发明提供的制备方法的流程图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
图1为本发明提供的金刚石微透镜阵列的排列示意图。微透镜阵列可以以同样直径的排列在一起构成阵列，阵列可以为N*M，N可以等于或者不等于M，N和M的取值可以从1到1000；微透镜阵列还可以把不同直径的透镜组合在一起。
上述方案中，金刚石微透镜阵列的微透镜直径在1微米至1毫米之间，金刚石微透镜阵列的微透镜的高度为直径长度的1%到400%。
图2为本发明提供的制备方法的流程示意图。在进行制备金刚石微透镜阵列之前，先要根据所需制备的微透镜高度与直径的比值，分别确定对硬掩膜和金刚石衬底进行等离子体刻蚀的等离子体刻蚀参数，然后按照确定的等离子体刻蚀参数对硬掩膜层和金刚石衬底进行等离子体刻蚀。其中等离子体刻蚀参数包括但不限于离子体刻蚀的气体组分、流量、气压和功率。
本发明提供的制备方法具体如下：
(1)在金刚石衬底上生长、转移一层硬掩膜；
(2)在硬掩膜上涂覆并烘烤光刻胶；
(3)光刻或电子束曝光；
(4)光刻胶成为微透镜；
(5)等离子体菜单1刻蚀出硬掩膜微透镜阵列；
(6)等离子体菜单2刻蚀出金刚石微透镜阵列。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种金刚石微透镜阵列制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
a）在金刚石衬底上通过转移或生长的方法覆盖一层硬掩膜；
b）在硬掩膜上涂覆一层光刻胶；
c）使用三维光刻胶曝光法或热熔法产生光刻胶的微透镜阵列；
d）根据所需制备的微透镜高度与直径的比值，分别确定对硬掩膜和金刚石衬底进行等离子体刻蚀的等离子体刻蚀参数，然后按照确定的等离子体刻蚀参数对硬掩膜层和金刚石衬底进行等离子体刻蚀，得到金刚石微透镜阵列。
2.根据权利要求1所述的金刚石微透镜阵列制备方法，其特征在于：所述在硬掩膜上覆盖一层光刻胶后，先对光刻胶进行烘烤，然后进行步骤c）。
3.根据权利要求1所述的金刚石微透镜阵列制备方法，其特征在于：所述等离子体刻蚀参数包括等离子体刻蚀的气体组分、流量、气压和功率。
4.根据权利要求1~3任一项所述的金刚石微透镜阵列制备方法，其特征在于：所述硬掩膜为硅、氧化硅或者氮化硅中任一种。
5.根据权利要求4所述的金刚石微透镜制备方法，其特征在于：所述金刚石衬底为单晶金刚石、多晶金刚石、非晶金刚石、微米晶金刚石和纳米晶金刚石中任一种。
6.一种金刚石微透镜阵列，其特征在于：使用权利要求1~5任一项所述的制备方法制备而得。
7.根据权利要求6所述的金刚石微透镜阵列，其特征在于：所述金刚石微透镜阵列的微透镜直径在1微米至1毫米之间。
8.根据权利要求6所述的金刚石微透镜阵列，其特征在于：所述金刚石微透镜阵列的微透镜的高度为直径长度的1%到400%。
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