CN113031129A - 光刻和湿法刻蚀相结合制备双面随机微透镜阵列的方法 - Google Patents
光刻和湿法刻蚀相结合制备双面随机微透镜阵列的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种光刻和湿法刻蚀相结合制备双面随机微透镜阵列的方法，包括：设计两个图案呈镜像对称的掩模版，利用高精度激光直写技术制备设计的掩模版，在双面抛光的玻璃基材的正反两侧镀铬膜层作为湿法刻蚀的掩蔽层，将光刻胶上的图案及对准标记传递到该侧铬膜层，在此过程中需要对玻璃基材的另一侧的铬膜层进行保护，将基材放入HF溶液中进行刻蚀，在玻璃基材一侧形成随机矩形分布的微透镜阵列结构；在另一侧铬膜层表面旋涂光刻胶，利用双面曝光技术进行曝光，将掩模版上的图案传递到光刻层，再次将基材放入去铬液中使光刻胶图案转移到铬膜层；完成双面随机微透镜阵列的制备。打破微透镜阵列的周期性，消除干涉的影响获得高均匀性的匀化光斑。
Description
技术领域
本发明涉及激光光束匀化领域，具体涉及一种光刻和湿法刻蚀相结合制备双面随机微透镜阵列的方法。
背景技术
近年来，激光发展迅速，被应用于多个领域，它被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”，它有很多其他光源无法代替的优点，包括单色性好、亮度高、光束准直性好、寿命长、能耗低、绿色环保等优点。在一些应用情况下，需要对激光进行匀化处理，将高斯分布的激光整形成均匀的平顶光。实现激光光束匀化的方法有很多，比如非球面透镜组法、自由曲面透镜法，这两种方法虽然能得到光斑均匀性高达90％，可应用于宽波段，但是它实现不了微型化、集成化，因此在微系统中无法应用。还可以利用光学衍射元件实现激光光束匀化，但是该结构一般不能适用于宽波段，只能适用于单波长的系统中，限制其应用范围。微透镜阵列实现激光光束匀化，近年来得到关注，因为它不仅可以实现激光光束匀化，还可以实现微型化、集成化、低损耗，应用于宽波段的系统，在使用不同波长的激光器时不用单独设计光学器件，节省成本。但是周期的微透镜阵列在对高相干性的激光光束进行匀化时，会出现干涉条纹甚至点阵现象。
发明内容
本发明要解决技术问题是：克服现有激光光束匀化无法同时实现系统小型化、集成化、应用于宽波段等不足，提出一种利用光刻技术和湿法刻蚀相结合制备双面随机微透镜阵列的方法，获得更高的光斑均匀性。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：
光刻和湿法刻蚀相结合制备双面随机微透镜阵列的方法，包含以下步骤：
步骤(1)、设计两个图案呈镜像对称的掩模版，掩模版图案为随机矩形排布的微孔，并在掩模版图案边缘设计一套十字对准标记，一个掩模版上为粗线宽十字丝，另一个掩模版上为细线宽十字丝；
步骤(2)、利用高精度激光直写技术制备设计的掩模版；
步骤(3)、在双面抛光的玻璃基材的正反两侧镀铬膜层作为湿法刻蚀的掩蔽层；
步骤(4)、在玻璃基材一侧的铬膜层表面旋涂光刻胶，并通过曝光、显影等工艺将带有粗线宽十字丝对准标记掩模版上的图案及对准标记传递到光刻胶层；
步骤(5)、利用去铬液对携带有光刻胶图案信息的铬膜层进行化学反应，将光刻胶上的图案及对准标记传递到该侧铬膜层，在此过程中需要对玻璃基材的另一侧的铬膜层进行保护，避免该侧铬膜层与去铬液反应；
步骤(6)、将基材放入HF溶液中进行刻蚀，HF溶液从铬膜层图案微孔中渗透侵蚀玻璃基材，在玻璃基材一侧形成随机矩形分布的微透镜阵列结构；
步骤(7)、在另一侧铬膜层表面旋涂光刻胶，利用双面曝光技术进行曝光，曝光过程中，选用带有细线宽十字丝对准标记的掩模版，将细线宽的十字丝标记对准到粗线宽的十字丝内，实现两个呈镜像对称的掩模版图案的精确对准，再进行显影等操作，将掩模版上的图案传递到光刻层；
步骤(8)、再次将基材放入去铬液中使光刻胶图案转移到铬膜层；
步骤(9)、最后，将制备完成的随机微透镜阵列保护起来，再将基材放入HF溶液中进行刻蚀，在基材另一侧形成第二面的随机矩形排布的微透镜阵列结构，最终完成双面随机微透镜阵列的制备。
进一步地，步骤(1)中设计的掩模版是两个呈镜像对称的图形区，其图形区中的图案为带有随机矩形排布的微孔，以使得最后制备的微透镜阵列上的结构为随机分布。
进一步地，步骤(1)中设计的掩模版是两个呈镜像对称的图形区，其图形区中的图案为带有随机矩形排布的微孔，其矩形口径变化范围几十微米量级，微孔处于矩形的中心位置，半径为微米量级。
进一步地，步骤(1)中掩模版图案边缘设计的一套十字对准标记，为一个粗线宽十字丝，一个细线宽十字丝，其宽度为微米量级。
进一步地，步骤(1)中设计的掩模版是两个呈镜像对称的图形区，其图形区中的图案为带有随机矩形排布的微孔，掩模版中微孔为透光区域，其他区域不透光。
进一步地，步骤(3)中在玻璃基材两个面上镀铬膜层，膜层厚度在百纳米量级。
进一步地，步骤(4)中掩模版上的带有粗线宽十字丝对准标记的图案和十字丝对准标记按照1:1的比例传递到玻璃基材的光刻胶层。
进一步地，步骤(5)中基材置于去铬液中，将裸露在外的铬层去除，去除厚度为百纳米量级。
进一步地，步骤(6)中所述将基材放入HF溶液中进行刻蚀，HF溶液是由去离子水、氢氟酸(40％)和浓硝酸(65％-68％)按照5:2:2的比例配制而成，可以实现表面粗糙度为±13nm的光滑表面制备。
进一步地，步骤(7)中所述双面对准曝光技术，需要基于双面曝光机开展，通过预先锁定掩模版，捕获掩模版图案；再调节基片台，将玻璃基材所携带的对准标记结构与掩模版的对准标记精密对准，实现图案层与结构层的双面对准制备。
本发明的有益效果在于：制备的双面随机微透镜阵列，可以打破微透镜阵列的周期性，消除干涉的影响获得高均匀性的匀化光斑。与单面随机微透镜阵列相比，双面随机微透镜阵列随机性更强，得到的光斑均匀性更高制备的双面随机微透镜阵列可以实现小型化集成化，成本也比较低。
附图说明
图1为实施例中设计掩模版的局部示意图；
图2为实施例中利用带有粗线宽十字丝对准标记的掩模版对玻璃基材铬膜层表面的光刻胶层进行曝光示意图；
图3为实施例中带有粗线宽十字丝对准标记掩模版图案传递到光刻胶层的结构示意图；
图4和图8为实施例中光刻胶层的图案传递到铬膜层的结构示意图；
图5为实施例中玻璃基材放入HF溶液中刻蚀形成单面连续面型的随机微透镜阵列；
图6为实施例中利用双面曝光机技术对玻璃基材铬膜层表面的光刻胶层进行曝光示意图，使用的掩模版为带有细线宽十字丝对准标记的掩模板；
图7为实施例中带有细线宽的掩模版图案传递到光刻胶层的结构示意图；
图9为实施例中基材放入HF溶液中刻蚀形成双面连续面形随机微透镜阵列的结构示意图；
图10为形成的连续面型的双面随机微透镜阵列的结构示意图。
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，本领域技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
具体实施例中一种光刻技术和湿法刻蚀相结合制备双面随机微透镜阵列的方法如下：
图1为设计掩模版10和掩模版11的局部示意图。掩模版10和掩模版11呈镜像对称，其由随机矩形排布的半径为1.8微米的微孔和十字丝对准标记组成，相邻微孔的距离随机变化，变化范围为24微米到45微米。在制备掩模版时，微孔和十字对准标记为透光区，其他区域为不透光区。掩模版10的十字丝对准标记的线宽为4微米，掩模版11的十字丝对准标记的线宽为12微米。利用高精度的激光直写技术制备完成掩模版10和掩模版11。
图2为实施例中对玻璃基材铬膜层表面的光刻胶层进行曝光示意图。玻璃基材4表面的两面镀有铬膜层30和铬膜层31，厚度分别约为140纳米。首先在铬膜层30表面旋涂光刻胶层20，光刻胶型号为AZ MIR 703，厚度为700纳米左右。然后利用型号为URE-2000S/A的曝光机对光刻胶进行曝光，曝光过程中掩模版为10，那么在中心波长为365纳米的紫外光0的照射下，紫外光0从透光区的十字丝对准标记101和随机微孔102透射，对下方的光刻胶进行照射。
图3为实施例中掩模版图案传递到光刻胶层的结构示意图。在光刻胶层被曝光后，通过显影、定影等工艺步骤，掩模版上的微孔和十字对准标记被传递到光刻胶层，形成微孔随机矩形排布的光刻胶图案结构201。
图4为实施例中光刻胶层的图案传递到铬膜层的结构示意图。首先把基材的未涂有光刻胶的铬膜层用抗酸膜5保护起来，然后将由光刻胶图案作为掩蔽层的基材放入去铬液中进行铬膜层的腐蚀。未经光刻胶覆盖的随机微孔区域和十字丝对准标记的铬裸露在去铬液中，这些区域的铬膜层将会被腐蚀。腐蚀时间设定为40秒，此时裸露在外的铬膜层被腐蚀，形成铬膜层结构301。
图5为实施例中基材放入HF溶液中刻蚀形成连续面型的随机微透镜阵列的结构示意图。将由光刻胶层和铬膜层作为掩蔽层的基材放入HF溶液中，进行刻蚀。刻蚀液由去离子水、氢氟酸(40％)和浓硝酸(65％-68％)按照5:2:2的比例配制而成。刻蚀三分钟形成结构41和42，三分钟后将十字对准标记42用光刻胶和抗酸膜保护起来，使其在后续刻蚀过程中不受影响。结构41继续被HF溶液刻蚀直至所有的光刻胶层和铬膜层脱落，最终形成随机排布的微透镜结构43。
图6为实施例中对基材上铬膜层表面的光刻胶层进行曝光示意图。在铬膜层31表面旋涂光刻胶层21，光刻胶型号为AZ MIR 703，厚度为700纳米左右。采用双面对准曝光技术，基于双面曝光机开展，通过预先锁定掩模版，捕获掩模版图案；再调节基片台，将基材上所携带的十字丝对准标记结构42与掩模版的对准标记111对准，实现图案层43与掩模版图案11的双面对准制备。曝光采用中心波长为365纳米波长紫外光0，曝光功率密度为3mW/cm2，曝光时间为20秒。
图7为实施例中掩模版图案传递到光刻胶层的结构示意图。在光刻胶层被曝光后，通过显影、定影等工艺步骤，掩模版上的微孔和十字丝对准标记被传递到光刻胶层，形成微孔随机排布的光刻胶图案结构211。
图8为实施例中光刻胶层的图案传递到铬膜层的结构示意图。将由光刻胶图案作为掩蔽层的基材放置去铬液中进行铬膜层的腐蚀。未经光刻胶覆盖的随机微孔区域和十字丝对准标记的铬裸露在去铬液中，这些区域的铬膜层将会被腐蚀。腐蚀时间设定为40秒，此时裸露在外的铬膜层被腐蚀掉，形成铬膜层结构311。
图9为实施例中基材放入HF溶液中刻蚀形成连续面型的随机微透镜阵列的结构示意图。在进行刻蚀之前先将已经制备好的随机微透镜阵列用AZ MIR 703光刻胶和抗酸膜5保护起来。然后将由光刻胶层和铬膜层作为掩蔽层的基材放入HF溶液中，进行刻蚀。刻蚀三分钟后形成结构44和45，把对准标记44用光刻胶和抗酸膜保护起来，使其在后续的刻蚀过程中不受影响。结构45继续被HF溶液刻蚀直至所有的光刻胶层和铬膜层脱落，最终形成双面随机微透镜结构46。该结构为连续面型随机微透镜阵列，可实现激光光束匀化，能量利用率高，适用于宽波段。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.光刻和湿法刻蚀相结合制备双面随机微透镜阵列的方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤(1)、设计两个图案呈镜像对称的掩模版，掩模版图案为随机矩形排布的微孔，并在掩模版图案边缘设计一套十字对准标记，一个掩模版上为粗线宽十字丝，另一个掩模版上为细线宽十字丝；
步骤(2)、利用高精度激光直写技术制备设计的掩模版；
步骤(3)、在双面抛光的玻璃基材的正反两侧镀铬膜层作为湿法刻蚀的掩蔽层；
步骤(4)、在玻璃基材一侧的铬膜层表面旋涂光刻胶，并通过曝光、显影相关光刻工艺将带有粗线宽十字丝对准标记掩模版上的图案及对准标记传递到光刻胶层；
步骤(5)、利用去铬液对携带有光刻胶图案信息的铬膜层进行化学反应，将光刻胶上的图案及对准标记传递到该侧铬膜层，在此过程中需要对玻璃基材的另一侧的铬膜层进行保护，避免该侧铬膜层与去铬液反应；
步骤(6)、将基材放入HF溶液中进行刻蚀，HF溶液从铬膜层图案微孔中渗透侵蚀玻璃基材，在玻璃基材一侧形成随机矩形分布的微透镜阵列结构；
步骤(7)、在另一侧铬膜层表面旋涂光刻胶，利用双面曝光技术进行曝光，曝光过程中，选用带有细线宽十字丝对准标记的掩模版，将细线宽的十字丝标记对准到粗线宽的十字丝内，实现两个呈镜像对称的掩模版图案的精确对准，再进行显影操作，将掩模版上的图案传递到光刻层；
步骤(8)、再次将基材放入去铬液中使光刻胶图案转移到铬膜层；
步骤(9)、最后，将制备完成的随机微透镜阵列保护起来，再将基材放入HF溶液中进行刻蚀，在基材另一侧形成第二面的随机矩形排布的微透镜阵列结构，最终完成双面随机微透镜阵列的制备。
2.根据权利要求1所述的光刻和湿法刻蚀相结合制备双面随机微透镜阵列的方法，其特征在于：步骤(1)中设计的掩模版是两个呈镜像对称的图形区，其图形区中的图案为带有随机矩形排布的微孔，以使得最后制备的微透镜阵列上的结构为随机分布。
3.根据权利要求1所述的光刻和湿法刻蚀相结合制备双面随机微透镜阵列的方法，其特征在于：步骤(1)中设计的掩模版是两个呈镜像对称的图形区，其图形区中的图案为带有随机矩形排布的微孔，其矩形口径变化范围几十微米量级，微孔处于矩形的中心位置，半径为微米量级。
4.根据权利要求1所述的光刻和湿法刻蚀相结合制备双面随机微透镜阵列的方法，其特征在于：步骤(1)中掩模版图案边缘设计的一套十字对准标记，为一个粗线宽十字丝，一个细线宽十字丝，其宽度为微米量级。
5.根据权利要求1所述的光刻和湿法刻蚀相结合制备双面随机微透镜阵列的方法，其特征在于：步骤(1)中设计的掩模版是两个呈镜像对称的图形区，其图形区中的图案为带有随机矩形排布的微孔，掩模版中微孔为透光区域，其他区域不透光。
6.根据权利要求1所述的光刻和湿法刻蚀相结合制备双面随机微透镜阵列的方法，其特征在于：步骤(3)中在玻璃基材两个面上镀铬膜层，膜层厚度在百纳米量级。
7.根据权利要求1所述的光刻和湿法刻蚀相结合制备双面随机微透镜阵列的方法，其特征在于：步骤(4)中掩模版上的带有粗线宽十字丝对准标记的图案和十字丝对准标记按照1:1的比例传递到玻璃基材的光刻胶层。
8.根据权利要求1所述的光刻和湿法刻蚀相结合制备双面随机微透镜阵列的方法，其特征在于：步骤(5)中基材置于去铬液中，将裸露在外的铬层去除，去除厚度为百纳米量级。
9.根据权利要求1所述的光刻和湿法刻蚀相结合制备双面随机微透镜阵列的方法，其特征在于：步骤(6)中所述将基材放入HF溶液中进行刻蚀，HF溶液是由去离子水、氢氟酸(40％)和浓硝酸(65％-68％)按照5:2:2的比例配制而成，可以实现表面粗糙度为±13nm的光滑表面制备。
10.根据权利要求1所述的光刻和湿法刻蚀相结合制备双面随机微透镜阵列的方法，其特征在于：步骤(7)中所述双面对准曝光技术，需要基于双面曝光机开展，通过预先锁定掩模版，捕获掩模版图案；再调节基片台，将玻璃基材所携带的对准标记结构与掩模版的对准标记精密对准，实现图案层与结构层的双面对准制备。
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