CN110673238A - 微透镜阵列的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微透镜阵列的制作方法,包括:设计并制备超表面掩模;提供透明基底,在基底上涂覆光刻胶,烘干固膜;将超表面掩模紧贴光刻胶面,采用紫外波段下的线偏振光入射超表面掩模,在超表面掩模下方对应的光刻胶区域上进行曝光;移动超表面掩模,在光刻胶的其他区域上进行曝光,直至在光刻胶所需区域上都完成曝光;之后对涂有光刻胶的基底进行显影,显影后在曝光过的光刻胶上形成微透镜阵列结构;以光刻胶上的微透镜阵列结构为模板对基底进行离子束刻蚀,将所述光刻胶上的微透镜阵列结构转印到所述基底上。本发明利用超表面代替传统掩模版,提高了曝光的分辨率,可以直接实现曝光剂量的连续精确调节,降低了成本,提高了加工精度。
Description
技术领域
本发明涉及微纳光学及微透镜阵列制备的技术领域,具体涉及一种利用超表面掩模代替传统掩模版通过一次光刻在光刻胶表面形成所需要的浮雕轮廓从而形成微透镜阵列的制作方法。
背景技术
目前,微型化和智能化已经是现代仪器设备发展的一种主要趋势,传统的光学元件由于尺寸、体积的限制已经不能跟上发展的需求。透镜作为光学系统中最重要的基本元件之一,其尺寸大小对整个光学系统的体积有着重要的影响。微透镜阵列不仅具有传统透镜的聚焦、成像等基本功能,还由于其体积小、重量轻、功耗小等优点,已经在光信息处理、光计算、光互连、光数据传输等领域得到了非常广泛的应用。
目前微透镜阵列主流的制作方法有光刻胶热回流法、能量束直写法、灰度掩模法、光敏玻璃热成型法、反应离子刻蚀法、热压模成型法、微滴喷射法等。其中,灰度掩模法可以把多次光刻和图形转移的复杂过程简化为一次光刻,无套刻中对准误差等问题,具有生产周期短、生产成本低、适于大批量生产等优点引起了广泛的关注,得到了较多的应用。灰度掩模法的关键在于灰度等级掩模版的制作,其常用的两种是彩色编码掩模版和高能电子束敏感玻璃掩模版(HEBS)。其中,彩色编码掩模版存在的主要问题是分辨率低,灰度等级直接受到打印机彩色等级的限制;而HEBS灰度等级掩模版存在的主要问题是随着灰度等级的增加,制作难度大大增加,制作成本也大幅提高。并且,目前传统的灰度掩模法的加工精度也较低,在一些领域达不到要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微透镜阵列的制作方法,该方法加工精度高、制作成本低,制作出来的微透镜阵列具有连续浮雕轮廓且透镜尺寸可以更小。
本发明解决上述技术问题所采用的方案是:
一种微透镜阵列的制作方法,包括如下步骤:
设计并制作超表面掩模,所述超表面掩模包括纳米砖阵列,所述纳米砖阵列包括多个纳米砖结构单元,优化得到以紫外波段的线偏振光垂直入射时其功能等效为起偏器的纳米砖结构单元的结构参数,再根据所需加工的微透镜阵列在光刻时不同位置需要的曝光剂量分布确定所述纳米砖阵列中每个纳米砖单元中纳米砖的转向角的排布;
提供透明基底,在基底的表面上涂覆光刻胶,烘干固膜;
将所述超表面掩模紧贴光刻胶面,采用紫外波段下的线偏振光入射所述超表面掩模,在所述超表面掩模下方对应区域的光刻胶上进行曝光;
移动所述超表面掩模,在光刻胶上的其他区域进行曝光,直至在光刻胶所需的所有区域都完成曝光;
对涂有光刻胶的基底进行显影,显影后在曝光过的光刻胶上形成微透镜阵列结构;
以光刻胶上的微透镜阵列结构为模板对所述基底进行离子束刻蚀,将所述光刻胶上的微透镜阵列结构转印到所述基底上。
进一步地,所述纳米砖结构单元包括工作面和设置在所述工作面上的纳米砖,以平行于所述工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系,所述纳米砖上与工作面平行的面上具有长轴L和短轴W,所述纳米砖的转向角为所述纳米砖的长轴L与x轴的夹角
进一步地,优化得到所述纳米砖结构单元的结构参数的方法为:以采用紫外波段的线偏振光垂直入射到所述纳米砖结构单元,沿所述纳米砖短轴方向偏振的线偏振光的光强透过率不低于90%,沿所述纳米砖长轴方向偏振的线偏振光的光强透过率不高于1%为目标,通过电磁仿真优化得到纳米砖结构单元的工作面边长C以及纳米砖的长轴L、短轴W、高H的尺寸。
进一步地,设计超表面掩模的方法还包括采用偏振方向沿y轴且光强为I0的线偏振光垂直入射所述超表面掩模,根据马吕斯定律和所需要加工的微透镜阵列在光刻时不同位置需要的曝光剂量分布确定每个所述纳米砖结构单元的纳米砖转向角最后将所述纳米砖阵列根据得到的各位置处对应的纳米砖转向角进行阵列排布获得超表面掩模。
进一步地,所述工作面采用二氧化硅制成,所述纳米砖采用二氧化钛制成。
与现有技术相比,本发明至少具有以下有益效果:
1)本发明通过构建超表面掩模,用超表面掩模来代替传统制作方法中用到的掩模,通过设计超表面的纳米砖转向角的排布来实现曝光剂量连续精确的调节,在相同曝光时间条件下,实现不同曝光深度,最终在光刻胶中将图案往深度方向传递,故与目前的灰度掩模法相比,本发明具有曝光剂量调节连续精确、加工精度高、制作成本低、透镜尺寸更小等重要优点,符合未来光器件微型化的发展趋势;
2)本发明所涉及微透镜制作方法与现有工艺相兼容,仅需一次光刻,即可加工制作连续浮雕轮廓的微透镜阵列,可进行大规模、低成本的复制生产,具有极大的产业化前景;
3)本发明所涉及的超表面的纳米砖结构单元尺寸是亚波长量级,可进行连续精确的曝光剂量调控,因此可以更精确地控制加工的微透镜阵列的结构,加工效果更加理想;
4)本发明所提出的微透镜阵列制作方法,可通过在曝光时控制超表面掩模的移动来实现单个微透镜加工制作或者微透镜阵列的制作,使得设计与加工更加灵活便捷。
附图说明
图1是本发明实施例提供的微透镜阵列的制作方法的流程示意图;
图2是本发明实施例纳米砖结构单元的结构示意图;
图3是本发明实施例纳米砖结构单元对不同偏振态光波的偏振响应能力图;
图4是本发明实施例的超表面掩模的结构示意图;
图5是本发明实施例提供的微透镜阵列的制作方法的工艺示意图。
其中,1:纳米砖;2:工作面;3:基底;4:光刻胶;5:超表面掩模;6:进行光刻的波长为365nm的线偏振光。
具体实施方式
为更好的理解本发明,下面的实施例是对本发明的进一步说明,但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
鉴于现有技术中灰度掩模法制作微透镜阵列存在灰度等级受限且制作成本较高、灰度调控等级有限的问题,本发明提供一种微透镜阵列的制作方法,其制作流程如图1所示,包括如下步骤:
首先,设计并制作超表面掩模;超表面掩模包括纳米砖阵列,而纳米砖阵列包括多个纳米砖结构单元,每个纳米砖结构单元包括工作面和设置在工作面上的纳米砖,以平行于工作面的两条边的方向分别设为x轴和y轴建立xoy坐标系,纳米砖上与工作面平行的面上具有长轴L和短轴W,纳米砖的转向角为纳米砖的长轴L与x轴的夹角优化得到以紫外波段的线偏振光垂直入射纳米砖结构单元时其功能等效为微纳起偏器的纳米砖结构单元的结构参数,具体的方法为:以采用紫外波段的线偏振光垂直入射纳米砖结构单元时,沿纳米砖短轴方向偏振的线偏振光的光强透过率不低于90%,沿所述纳米砖长轴方向偏振的线偏振光的光强透过率不高于1%为目标,通过电磁仿真软件CST对纳米砖结构单元进行优化仿真,得到对应的纳米砖结构单元的工作面边长C以及纳米砖的长轴L、短轴W、高H的尺寸;再根据所需要加工的微透镜阵列在光刻时不同位置需要的曝光剂量分布确定每个所述纳米砖结构单元的纳米砖转向角最后将纳米砖阵列根据得到的各位置处对应的纳米砖转向角进行阵列排布获得超表面掩模。
在本实施例中,设计优化组成超表面掩模的纳米砖结构单元,如图2所示,其中,纳米砖1选择二氧化钛(TiO2)为材料制作而成,纳米砖的工作面2选择二氧化硅(SiO2)为材料制作而成。纳米砖结构单元的工作面2边长用C表示,以工作波长为365nm的线偏振光垂直入射纳米砖结构单元,通过电磁仿真软件CST对纳米砖结构单元进行优化仿真,优化后得到纳米砖结构单元的C=200nm,纳米砖2的长轴尺寸L=150nm、短轴尺寸W=60nm、高度H=190nm,优化后的纳米砖结构单元在工作波长365nm的线偏振光入射时,沿纳米砖2短轴方向偏振的线偏振光的光强透过率可达95.79%,沿纳米砖2长轴方向偏振的线偏振光的光强透过率低至0.34%,其功能可等效为微纳起偏器,其偏振响应能力仿真结果如图3所示。纳米砖2长轴与x轴的夹角为纳米砖转向角采用偏振方向沿y轴且光强为I0的线偏振光入射超表面掩模,根据马吕斯定律,即每个纳米砖结构单元透射光强再根据所需要加工的微透镜结构,确定光刻时不同位置需要的曝光剂量分布(在相同曝光时间下,确定各位置处的透射光强I即可),可以得到各位置处的纳米砖结构单元的纳米砖转向角最后根据得到的各位置处对应的纳米砖转向角将多个纳米砖结构单元进行阵列排布,得到超表面掩模,其结构如图4所示。根据上述方法得到的超表面掩模可以实现连续精确的曝光剂量调节。
本发明提出的微透镜阵列制作方法工艺如图5所示。取一平面透明基底3,在基底3的一表面上涂覆一层光刻胶4,烘干固膜。之后将超表面掩模5紧贴光刻胶4,用波长为365nm且偏振方向沿定义的y轴的线偏振光6垂直入射超表面掩模,在超表面掩模下方对应区域的光刻胶上进行曝光,之后移动超表面掩模5,在光刻胶4的其他区域也进行曝光,直至在光刻胶4上所需区域都完成曝光;然后对涂有光刻胶4的基底3进行显影,显影后在曝光过的光刻胶4上形成微透镜阵列结构。最后,以光刻胶4上的微透镜阵列结构为模板对利用现有离子束刻蚀技术,对基底3进行离子束刻蚀,将光刻胶4上的微透镜阵列结构转印到基底3上。
以上所述是本发明的优选实施方式而已,当然不能以此来限定本发明之权利范围,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和变动,这些改进和变动也视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种微透镜阵列的制作方法,其特征在于,包括如下步骤:
设计并制作超表面掩模,所述超表面掩模包括纳米砖阵列,所述纳米砖阵列包括多个纳米砖结构单元,优化得到以紫外波段的线偏振光垂直入射时其功能等效为起偏器的纳米砖结构单元的结构参数,再根据所需加工的微透镜阵列在光刻时不同位置需要的曝光剂量分布确定所述纳米砖阵列中每个纳米砖单元中纳米砖的转向角的排布;
提供透明基底,在基底的表面上涂覆光刻胶,烘干固膜;
将所述超表面掩模紧贴光刻胶面,采用紫外波段下的线偏振光入射所述超表面掩模,在所述超表面掩模下方对应区域的光刻胶上进行曝光;
移动所述超表面掩模,在光刻胶上的其他区域进行曝光,直至在光刻胶所需的所有区域都完成曝光;
对涂有光刻胶的基底进行显影,显影后在曝光过的光刻胶上形成微透镜阵列结构;
以光刻胶上的微透镜阵列结构为模板对所述基底进行离子束刻蚀,将所述光刻胶上的微透镜阵列结构转印到所述基底上。
3.如权利要求2所述的微透镜阵列的制作方法,其特征在于,优化得到所述纳米砖结构单元的结构参数的方法为:以采用紫外波段的线偏振光垂直入射到所述纳米砖结构单元,沿所述纳米砖短轴方向偏振的线偏振光的光强透过率不低于90%,沿所述纳米砖长轴方向偏振的线偏振光的光强透过率不高于1%为目标,通过电磁仿真优化得到纳米砖结构单元的工作面边长C以及纳米砖的长轴L、短轴W、高H的尺寸。
5.如权利要求2所述的微透镜阵列的制作方法,其特征在于,所述工作面采用二氧化硅制成,所述纳米砖采用二氧化钛制成。
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