CN106707381A - 一种微透镜阵列制作的工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微透镜阵列制作的工艺方法，本工艺方法是制备微透镜阵列的一种工艺技术，具体涉及制作微透镜时用PMMA代替厚光刻胶并且通过薄金属层实现图形的无损转移的工艺方法，属于半导体光电器件微细加工技术领域。利用PMMA和薄金属层结构代替传统的厚光刻胶，采用工艺重复性更好的干法刻蚀技术，代替厚光刻胶的曝光显影工艺实现微透镜表面结构，工艺具有更好的一致性和重复性。

Description

一种微透镜阵列制作的工艺方法
技术领域
本发明是制备微透镜阵列的一种工艺技术，具体涉及制作微透镜时用PMMA代替厚光刻胶并且通过薄金属层实现图形的无损转移的工艺方法，属于半导体光电器件微细加工技术领域。
背景技术
随着科学技术的飞速发展，当前的仪器设备已朝着光、机、电集成的趋势发展。利用传统方法制造出来的光学元件不仅制造工艺复杂，而且制造出来的光学元件尺寸大、重量大，已不能满足当今科技发展的需要。微光学技术所制造出的光学元件以其体积小、重量轻、便于集成化、阵列化等优点，已成为新的发展方向。微透镜阵列是一种目前应用得十分广泛的微光学元件，它被广泛地应用于光束整形、光学器件互连、三维成像等领域。
目前，用于制作微透镜阵列的方法有离子交换法、光敏玻璃热成形法、光刻胶热熔法、光电反应刻蚀法、聚焦离子束刻蚀与沉积法、化学气象沉积法等方法。由于光刻胶热熔法具有制作周期短、制作成本低、效率高等优点，因而成为研究的热点。光刻胶热熔法制作的微透镜阵列是连续面形，具体步骤是利用具有适当孔径的光刻掩模板对具有一定厚度的光刻胶进行紫外曝光，经过显影后在基底上就形成了相对应的孤立的圆柱形胶体，加热基板至圆柱形胶体呈熔融态,此时熔融的光刻胶由于表面张力的作用，会形成以图案孔径为边界的光滑的球面，进而冷却得到折射型微透镜的表面结构。
此种方法有以下缺陷：
1)制作微透镜时需要的光刻胶厚度与透镜的尺寸有关，微透镜越大，胶膜越厚。采用常规的光刻机对胶膜进行曝光时，由于大部分能量被上层光刻胶所吸收,下层光刻胶曝光相对不足,易形成较厚的底膜。实验发现，这种情况若单纯增加显影时间，不能有效地去除较厚的底膜，反而会造成光刻胶的溶胀，使光刻图形扩大和变形，降低图形质量。增加曝光时间，虽可将胶膜曝透，但光刻胶图形易呈梯形,柱型胶体的体积变小，熔融时得不到所需的表面结构。
2)对于显影过程中，经过曝光和未经过曝光的光刻胶在显影液中都会有不同程度地溶解，光刻胶在显影过程中不光有纵向腐蚀也有横向腐蚀，使显影之后得到的光刻胶图形呈梯形，并且光刻胶的厚度和宽度都有所改变，最终就得不到所需的曲率半径的微透镜阵列。
发明内容
本发明的目的在于克服上述工艺的缺点，提出一种微透镜阵列的制作方法。
本发明采用的技术方案为一种微透镜阵列制作的工艺方法，该工艺方法包括以下步骤：
(1)清洗基片，去除基片表面吸附的灰尘和油脂。
(2)烘干基片，去除基片上部引入的水分和易挥发物质。
(3)利用甩胶机在基片上旋涂PMMA膜。
(4)利用烘箱对步骤(3)中的PMMA膜进行前烘。
(5)在PMMA膜上溅射一层薄金属。
(6)在薄金属上再旋涂一层薄光刻胶。
(7)进行曝光、显影得到预设的图形。
(8)腐蚀掉裸露出的薄金属层。
(9)利用刻蚀工艺去除保护金属层的光刻胶和裸露出的PMMA层。
(10)腐蚀掉剩余的薄金属层。
(11)热熔PMMA层，通过控制热熔的温度和时间得到透镜表面结构。
本发明的优点
本发明的重点是采用熔融温度更高的PMMA层和薄金属层结构代替厚光刻胶，采用干法刻蚀技术代替对厚光刻胶的曝光显影。这样做的优点是：
1)避免了厚光刻胶曝光不足所带来的底膜较厚或过渡显影带来的横向腐蚀，致使光刻胶溶胀、变形等问题。
2)采用PMMA和薄金属层结构可以利用干法刻蚀技术代替湿法腐蚀工艺，发挥干法刻蚀时界面陡直，图形变形少的优点，这有利于保证得到适合曲率的微透镜表面结构，同时，干法刻蚀工艺的稳定性也保证了工艺的重复性。
3)PMMA材料具有比一般光刻胶更高的熔点，这保证了在后续的溅射等工艺中，不会由于温度升高而影响PMMA本身的性质。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
图1：在清洗后的基片上先涂一层厚的PMMA，然后在PMMA上溅射一层薄金属，再在金属上涂一层薄光刻胶。
图2：利用标准的紫外曝光工艺，将掩模板上的图形通过曝光、显影等一系列工艺，转移到薄光刻胶上。
图3：用金属腐蚀液腐蚀掉露出的金属。
图4：利用离子束刻蚀，刻蚀掉金属上面的薄光刻胶和未被金属遮挡住的PMMA。
图5：利用金属腐蚀液腐蚀掉剩余的金属。
图6：进行热熔，得到微透镜整列结构。
图中：1、基片，2、金属，3、PMMA，4、基片，5、光刻机的激光，6、光刻板。
具体实施方式
以下结合附图1-6和实施例对本发明作进一步详细陈述。
一种微透镜阵列制作的工艺方法，工艺步骤如下：
(1)将基片1依次放入丙酮和乙醇中加热煮沸，然后用去离子水清洗基片30遍；
(2)氮气吹干基片1后，将基片1放到加热台上烘5分钟，除去基片1上的水分；
(3)把基片1放到甩胶机上，先将甩胶机调至200/rad(3.4HZ)慢速旋转滴PMMA，再将转速调至1500/rad(25.5HZ)旋转30s摊匀PMMA；
(4)将加热台时间调到90s，温度调到130℃后，把基片1放到加热台上进行前烘5-10分钟；
(5)在PMMA上溅射一层厚度约为100nm的金层；
(6)把基片放到甩胶机上，将甩胶机调至2000/rad(34HZ)涂上除湿剂旋转15s；再将转速调至4000/rad(68HZ)后，涂上AZ 5214光刻胶旋转30s；
(7)将加热台的加热时间调到60s，温度调到100℃，把基片放到加热台上进行前烘5分钟；
(8)采用紫外曝光机对基片进行曝光28s，显影28-30s至图形完全出来；
(9)将加热台温度调到100℃，时间调到180s，把基片放到加热台上进行后烘5分钟，用打胶机进行打胶2min；
(10)用金层的腐蚀液，腐蚀液的组份I2:H2O:KI＝1g:40ml:4g，将裸露出的金层腐蚀掉；
(11)清洗基片1后，用离子束刻蚀机(RIE)对基片1进行刻蚀，刻蚀条件为：气体压力750mTorr、氧气流量15cm3、刻蚀功率300W。刻蚀将把金属上面的薄光刻胶AZ 5214去掉，把裸露出的PMMA刻蚀掉；
(12)用金腐蚀液去掉PMMA上剩余的金层；
(13)最后进行热熔：将基片1放入烘箱中，烘箱温度为230℃，时间为5分钟，在此温度下，基片1表面的PMMA会在表面张力的控制下熔融成具有微透镜表面结构的形状。

Claims (2)

1.一种微透镜阵列制作的工艺方法，其特征在于：该工艺方法包括以下步骤：
(1)清洗基片，去除基片表面吸附的灰尘和油脂；
(2)烘干基片，去除基片上部引入的水分和易挥发物质；
(3)利用甩胶机在基片上旋涂PMMA膜；
(4)利用烘箱对步骤(3)中的PMMA膜进行前烘；
(5)在PMMA膜上溅射一层薄金属；
(6)在薄金属上再旋涂一层薄光刻胶；
(7)进行曝光、显影得到预设的图形；
(8)腐蚀掉裸露出的薄金属层；
(9)利用刻蚀工艺去除保护金属层的光刻胶和裸露出的PMMA层；
(10)腐蚀掉剩余的薄金属层；
(11)热熔PMMA层，通过控制热熔的温度和时间得到透镜表面结构。
2.根据权利要求1所述的一种微透镜阵列制作的工艺方法，其特征在于：工艺步骤如下：
(1)将基片依次放入丙酮和乙醇中加热煮沸，然后用去离子水清洗基片30遍；
(2)氮气吹干基片后，将基片放到加热台上烘5分钟，除去基片1上的水分；
(3)把基片放到甩胶机上，先将甩胶机调至200/rad(3.4HZ)慢速旋转滴PMMA，再将转速调至1500/rad(25.5HZ)旋转30s摊匀PMMA；
(4)将加热台时间调到90s，温度调到130℃后，把基片1放到加热台上进行前烘5-10分钟；
(5)在PMMA上溅射一层厚度约为100nm的金层；
(6)把基片放到甩胶机上，将甩胶机调至2000/rad(34HZ)涂上除湿剂旋转15s；再将转速调至4000/rad(68HZ)后，涂上AZ 5214光刻胶旋转30s；
(7)将加热台的加热时间调到60s，温度调到100℃，把基片放到加热台上进行前烘5分钟；
(8)采用紫外曝光机对基片进行曝光28s，显影28-30s至图形完全出来；
(9)将加热台温度调到100℃，时间调到180s，把基片放到加热台上进行后烘5分钟，用打胶机进行打胶2min；
(10)用金层的腐蚀液，腐蚀液的组份I2:H2O:KI＝1g:40ml:4g，将裸露出的金层腐蚀掉；
(11)清洗基片后，用离子束刻蚀机(RIE)对基片进行刻蚀，刻蚀条件为：气体压力750mTorr、氧气流量15cm3、刻蚀功率300W；刻蚀将把金属上面的薄光刻胶AZ 5214去掉，把裸露出的PMMA刻蚀掉；
(12)用金腐蚀液去掉PMMA上剩余的金层；
(13)最后进行热熔：将基片放入烘箱中，烘箱温度为230℃，时间为5分钟，在此温度下，基片表面的PMMA会在表面张力的控制下熔融成具有微透镜表面结构的形状。
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