CN1125352C - 一种制作微透镜列阵的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制作微透镜列阵的方法。该方法包含设计、制作二元掩模，将掩模经光学系统投影在光刻材料上，在曝光过程中移动掩模，刻蚀、复制等步骤。该方法克服了二元光学方法、激光直写技术、光刻热熔法等方法存在的缺陷和上述方法在制作大面积、大深度的连续浮雕微透镜列阵时的工艺困难。与上述方法比较，本发明制作工序少、生产成本低、生产的连续浮雕微透镜列阵成像质量好。故该方法可推广应用于高质量的微透镜列阵批量生产。
Description
本发明涉及一种制作微透镜列阵的方法。
随着微透镜列阵在许多科学领域日益重要和广泛的应用，很多科技工作者致力于研究微透镜列阵的制作方法。目前虽然有一些微透镜列阵的制作方法，如二元光学方法、激光直写技术、光刻胶熔融法、激光诱导刻蚀和生长方法等，但这些方法都存在一定缺陷。
二元光学方法主要利用微电子技术中的VLSA工艺，在光学元件表面刻蚀出二元多台阶结构，形成二元微透镜列阵。理论上二元台阶级数越多衍射效率越高，但制作难度也加大，需要进行多次掩模套刻，工艺过程繁琐复杂，随之的制作误差又将导致元件的衍射率降低。而且该方法制作的二元透镜列阵还存在严重的衍射色差问题，通常只适用于单色或波长范围很窄的系统。因此这种方法的限制性很大。
激光直写技术利用连续光强输出激光直写系统的聚焦光束在光刻材料表面逐点曝光，曝光后的光刻材料经显影过程将连续的曝光分布转化为微透镜列阵的微浮雕结构。该方法的缺陷在于设备昂贵复杂，曝光时间较长，一般为十几小时乃至几十小时。并且由于激光聚焦光斑有一定的大小(约1μm)，激光直写方式本质上是量化的；另一方面，由于聚焦光斑随深度增加逐渐离散，激光直写系统不能直接制作较大浮雕深度的连续浮雕微透镜列阵(深度不能超过几个微米)。
光刻热熔法通过二元掩模在光刻胶上曝光，经显影得到圆柱形小岛列阵，然后在一定温度下进行烘烤，使光刻胶处于熔融状态，每个圆柱形小岛由于流体自身的表面张力成近似球冠而形成微透镜单元。这种方法的缺陷在于为保证熔融状态的光刻胶不相连接，要求微透镜单元之间有一定的间隙，因此该方法制作的微透镜列阵单元之间存在大量的死区，这部分能量不仅不能利用，还会产生背景噪声。此外，热熔法制作的微透镜表面形貌不能控制，也不能制作小数值孔径的微透镜列阵。
本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种快速有效的、制作大面积大深度微透镜列阵的方法-移动掩模法。
本发明的目的可通过以下步骤完成：
1、按照制作的微透镜列阵要求设计、制作二元掩模；
2、将二元掩模经光学系统投影在光刻材料上；
3、曝光，在曝光过程中移动掩模；
4、对光刻材料进行刻蚀；
5、复制。
本发明与现有技术相比有以下优点：
用该方法可以制作各种单元尺寸(几微米到几百微米)、各种数值孔径(0.01～0.3)、面积最大为100mm×100mm(进一步可达到400mm×400mm)的连续浮雕微透镜列阵，其表面粗糙度的Ra值小于10nm。
由于该方法能制作的微透镜列阵具有连续表面形貌，克服了二元光学方法的缺陷，消除了衍射色差，能够对宽带光波进行聚焦和成像。并且不需要套刻，彻底消除了多掩模套刻引入的套刻误差，衍射效率高于二元光学微透镜列阵。
该方法所需的曝光时间极短(十几秒)，比激光直写方法所需曝光时间少二至三个数量级，并且不需购置昂贵的设备，节约了制作和生产成本。同时，该方法能够制作大面积和大深度的微透镜列阵。
该方法制作的连续浮雕微透镜列阵，其组成微透镜列阵的微透镜单元之间不存在死区，故具有接近100％的填充因子、良好的表面形貌和成像性能。
由于以上优点，该方法可推广应用于高质量的微透镜列阵的批量制作和生产。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明实施例1制作的微透镜列阵的一个透镜单元截面的表面曲线。
图2是本发明实施例1制作的微透镜列阵单个透镜成像的爱里斑。
图3为本发明实施例2制作的微透镜列阵的一个透镜单元截面的表面曲线。
图4是本发明实施例3制作的连续浮雕微透镜列阵的干涉显微照片。
实施例1是利用本发明制作一个小数值孔径微透镜列阵。根据实施例1所制作的微透镜列阵的纵向深度远小于横向宽度的要求，设计、制作二元掩模；并将二元掩模经光学系统投影在光刻材料上；然后曝光，并在曝光过程中移动掩模；再经过对光刻材料进行刻蚀，复制等制作步骤，得到小数值孔径微透镜列阵。该微透镜列阵的单元透镜尺寸400μm×400μm，N.A.数为0.017。图1中所示为实施例1制作的连续浮雕微透镜列阵一个透镜单元的截面的表面曲线，其横向深度为3.3μm，对角线深度为6.2μm。
图2是实施例1制作的微透镜列阵的单个透镜成像的爱里斑，主极大的横向宽度为38μm，接近衍射极限值37.2μm。
实施例2是利用本发明制作一个大数值孔径微透镜列阵。在单元大小固定的情况下，微透镜列阵的数值孔径越大，所需的刻蚀深度也越大。经过下列步骤：设计、制作微透镜列阵二元掩模；将二元掩模经光学系统投影在光刻材料上；曝光，在曝光过程中移动掩模；对光刻材料进行刻蚀和复制，完成大数值孔径微透镜列阵的制作。图3是实施例2制作的数值孔径为0.1，单元尺寸500μm，浮雕深度23μm的柱面透镜的表面曲线。
实施例3是利用本发明制作一个小单元尺寸微透镜列阵。首先，设计、制作二元掩模；然后将二元掩模经光学系统投影在光刻材料上进行曝光，并在在曝光过程中移动二元掩模；再经过对光刻材料进行刻蚀和复制等步骤，完成小单元尺寸微透镜列阵的制作。该微透镜列阵的透镜单元尺寸50μm×50μm，横向深度0.6μm，纵向深度1.2μm。图4是实施例3制作的连续浮雕微透镜列阵的干涉显微照片。
Claims (1)
1、一种制作微透镜列阵的方法，其特征在于包括下列步骤：
(1)按照制作的微透镜列阵要求设计、制作二元掩模；
(2)将二元掩模经光学系统投影在光刻材料上；
(3)曝光，在曝光过程中移动二元掩模；
(4)对光刻材料进行刻蚀；
(5)复制。
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