CN115437044A - 微透镜制备方法及微透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微透镜制备方法及微透镜，微透镜制备方法包括以下步骤：S1、在衬底上涂覆光刻胶，以在所述衬底上形成光刻胶层；S2、对所述光刻胶层进行光刻、显影处理，使所述光刻胶层形成一个或多个圆柱状的光刻胶柱；S3、对所述衬底进行加热，使所述光刻胶柱热回流形成具有曲面面形的光刻胶结构；同时使所述光刻胶柱处于静电场中，通过静电力对所述曲面面形进行调控；S4、通过离子束刻蚀技术，将所述光刻胶结构的曲面面形转移至所述衬底上，形成微透镜。本发明的微透镜制备方法，通过热回流和静电场的配合，使光刻胶柱在热回流时形成曲面面形，同时通过静电场施加的静电力，实现曲面面形的可调，有助于获得不同曲率的微透镜。
Description
技术领域
本发明涉及微透镜制备技术领域，尤其涉及一种微透镜制备方法及微透镜。
背景技术
透镜作为一种常见的光学元件，能够用来汇聚、发散、准直光束，被广泛运用于生活的方方面面。随着时代的发展，各种元器件的集成需求不断提高，利用传统方法制备的透镜由于工艺复杂、不易集成且体积大等劣势使得其运用面临一定的局限性，所以近些年基于微光学技术发展了微透镜的制备。微透镜不仅能够实现透镜的基本功能，还能实现光计算、光数据传输、两维点光源产生等一系列功能。目前已经报道的制作微透镜的主要有全息法、平面工艺离子交换法、菲涅耳波带透镜法、光敏玻璃法、光刻胶热熔法等，其中光刻胶热熔法由于制备工艺简单、周期短、成本低等优点，成为微透镜研究领域的热点之一。
对于光刻胶热熔法，光刻胶热熔后与衬底形成的接触角决定了微透镜面形，而接触角的大小与光刻胶的属性以及衬底表面的属性紧密相关，与光刻胶的厚度、微透镜的半径等参数无关，因此其制备的微透镜存在的主要问题是：当选定光刻胶和衬底后，通过热回流工艺形成的光刻胶的面形的固定的，这就在很大程度上限制了通过光刻胶热熔融发制备的微透镜的面形及其应用范围。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种利用静电场调控微透镜面形的微透镜制备方法以及制得的微透镜。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种微透镜制备方法，包括以下步骤：
S1、在衬底上涂覆光刻胶，以在所述衬底上形成光刻胶层；
S2、对所述光刻胶层进行光刻、显影处理，使所述光刻胶层形成一个或多个圆柱状的光刻胶柱；
S3、对所述衬底进行加热，使所述光刻胶柱热回流形成具有曲面面形的光刻胶结构；同时使所述光刻胶柱处于静电场中，通过静电力对所述曲面面形进行调控；
S4、通过离子束刻蚀技术，将所述光刻胶结构的曲面面形转移至所述衬底上，形成微透镜。
优选地，所述衬底的材料包括硅、锗、玻璃、石英和蓝宝石中至少一种。
优选地，步骤S1中，所述衬底的厚度大于所述光刻胶层的厚度。
优选地，所述光刻胶层的厚度为5μm～100μm；
所述光刻胶柱的直径为50μm～2000μm。
优选地，步骤S3中，将两个极板分别设置在所述衬底的上方和下方；对两个所述极板施加500V～10000V的电压，形成静电场。
优选地，一所述极板置于所述衬底的下方，另一所述极板通过支架固定在所述衬底和光刻胶柱的上方。
优选地，步骤S3中，所述衬底置于可加热底板上，通过所述可加热底板对所述衬底及其上的光刻胶柱加热。
优选地，所述离子束刻蚀技术选用感应耦合等离子刻蚀，蚀刻气体为SF6和O2。
优选地，对所述衬底的加热温度为100℃～200℃，加热时间为1min～10min。
本发明还提供一种微透镜，采用以上任一项所述的微透镜制备方法制成。
本发明的有益效果：通过热回流和静电场的配合，使光刻胶柱在热回流时形成曲面面形，同时通过静电场施加的静电力，实现曲面面形的可调，有助于获得不同曲率的微透镜。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明一实施例的微透镜制备方法中光刻胶层形成在衬底上的剖面结构示意图；
图2是本发明一实施例的微透镜制备方法中光刻胶层形成光刻胶柱的剖面结构示意图；
图3是本发明一实施例的微透镜制备方法中光刻胶柱热回流及处于静电场中的剖面结构示意图；
图4是本发明一实施例的微透镜制备方法中光刻胶柱形成具有曲面面形的光刻胶结构的剖面结构示意图；
图5是本发明一实施例的微透镜制备方法制得的微透镜的俯视图；
图6是本发明另一实施例的微透镜制备方法制得的微透镜的俯视图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1-5所示，本发明一实施例的微透镜制备方法，包括以下步骤：
S1、在衬底100上涂覆光刻胶，以在衬底100上形成厚度均匀的光刻胶层201，如图1所示。
其中，衬底100可选用硅、锗、玻璃、石英和蓝宝石等可应用于微透镜的材料制成。涂胶前，使用丙酮、异丙醇和水对衬底100表面进行清洗。
可采用匀胶机/旋涂仪等设备将光刻胶均匀涂覆在衬底100的表面上，所形成的光刻胶层201的厚度可通过改变匀胶机/旋涂仪的转速、时间以及旋涂次数进行控制，并且使得形成的光刻胶层201的厚度小于衬底100的的厚度，从而保证后续离子束刻蚀技术将光刻胶的结构转移到衬底100上，形成微透镜。
衬底100厚度可为50μm～1000μm，例如可选500μm。光刻胶层201的厚度可为5μm～100μm。
S2、对光刻胶层201进行光刻、显影处理，使光刻胶层201形成一个或多个圆柱状的光刻胶柱202，如图2所示。
图2示出了在衬底100上形成一个光刻胶柱202的结构示意图。当在衬底100上形成多个光刻胶柱202时，多个光刻胶柱202可呈阵列排布。
对于厚度为5μm～100μm的光刻胶层201，曝光后形成的光刻胶柱202的直径为50μm～2000μm，直径结合厚度设置，以保证微透镜具有良好的曲面面形。
该步骤S2具体操作如下：对光刻胶层201进行紫外曝光，再经过显影液浸泡，去除变性的光刻胶，使得光刻胶图形化，形成光刻胶柱202。
结合图1至图2，以上步骤S1和S2，在一选择性实施方式中，选用光刻胶AR-P 3220，旋涂仪转速为1000rpm，时间为90s，形成70μm后的光刻胶层201。经过紫外曝光，剂量设置为950mJ/cm2，然后再经过显影液AR 300-26浸泡6min，形成图形化的光刻胶柱202。
S3、对衬底100进行加热，使光刻胶柱202上通过热回流形成曲面面形，形成具有曲面面形的光刻胶结构203。
在加热的同时，使光刻胶柱202处于静电场中，通过静电力对光刻胶结构203上的曲面面形进行调控，使光刻胶结构203与衬底100之间的接触角α具有所需的角度，进而形成具有所需接触角α的光刻胶结构203，如图2至图3所示。
热回流技术利用光刻胶熔化过程中表面张力的作用，将光刻胶表面积减到最小从而形成透镜形状。该表面张力包括光刻胶柱202与周围空气之间的表面张力，光刻胶柱202与衬底100之间的表面张力以及衬底100与周围空气之间的表面张力三部分构成。当光刻胶柱202、衬底100与周围气氛固定后，表面张力是一个常数，这就使得热回流技术制备的微透镜呈现明显的临界角现象，面形曲率的成形范围大大受限。因此，在热回流同时配合静电力进行调控，增大面形曲率的成形范围。
其中，作为加热的可选实施方式，对衬底100进行加热，使其达到符合光刻胶柱202热回流的温度，使光刻胶柱202上通过热回流形成曲面面形。或者，衬底100置于可加热底板(未图示)上，通过可加热底板对衬底100及其上的光刻胶柱202加热，使光刻胶柱202上通过热回流形成曲面面形。
作为选择，对衬底100的加热温度为100℃～200℃，加热时间为1min～10min。
加热的温度和时间根据光刻胶的种类不同而不同。
在一选择性实施方式中，采用AR-P 3220光刻胶形成厚度为70μm的光刻胶柱202，对衬底100的加热温度为150℃，加热时间为8min，保证光刻胶进行充分地热回流。
另外，如图3-图4所示，将两个极板301、302分别设置在衬底100的上方和下方，其中一极板302置于衬底100的下方，另一极板301通过支架固定在衬底100和光刻胶结构203的上方。
热回流过程中，对两个极板301、302施加500V～10000V的电压，形成静电场。光刻胶结构203在两个极板301、302间静电场作用下发生极化带电，从而在光刻胶结构203表面、两个极板301、302间形成静电力，进而可对光刻胶结构203的形貌进行调控，即可以调控其中接触角α的角度等。
通过调整极板301、302之间电压的大小即可以控制静电力，从而在静电场调控下实现曲面面形在大范围内连续可调。
S4、通过离子束刻蚀技术，将光刻胶结构203的曲面面形转移至衬底100上，形成微透镜204，如图4-图5所示。
其中，以光刻胶结构203作为掩模，采用反应离子蚀刻工艺使光刻胶结构203和底部的衬底100实现1：1的刻蚀速率，当光刻胶结构203被完全刻蚀干净时，光刻胶结构203的图案也就成功转移到衬底100上，形成微透镜204。
离子束刻蚀技术可选反应离子束刻蚀(RIE)或者感应耦合等离子刻蚀(ICP)，优选地采用刻蚀光洁度较高的ICP进行刻蚀。
对于感应耦合等离子刻蚀，蚀刻气体为SF6和O2。进一步地，反应刻蚀气体流量及其种类为50sccm的SF6和10sccm的O2，ICP功率为2000W，HF功率为250W，刻蚀腔体内压强为30mtorr。
针对70μm厚的光刻胶结构203，刻蚀时间可为60min，以使光刻胶结构203能够充分刻蚀，图案成功转移到衬底100上，形成微透镜204。
上述实施例的微透镜制备方法制得的微透镜，可如图5所示，在衬底100上形成一个微透镜204。由于在制备过程中通过静电力实现曲面面形的可调，从而得到具有所需曲率的微透镜204。
在其他实施例中，通过在衬底100上形成多个阵列排布的光刻胶柱202，通过后续的热回流、静电力调控及蚀刻等，在衬底100上形成阵列排布的多个微透镜204，如图6所示。
上述的微透镜，由于在制备过程中通过静电力实现曲面面形的可调，从而得到具有所需曲率的微透镜204。
本发明的制备方法实现了不同曲率微透镜的制备获得。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种微透镜制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在衬底上涂覆光刻胶，以在所述衬底上形成光刻胶层；
S2、对所述光刻胶层进行光刻、显影处理，使所述光刻胶层形成一个或多个圆柱状的光刻胶柱；
S3、对所述衬底进行加热，使所述光刻胶柱热回流形成具有曲面面形的光刻胶结构；同时使所述光刻胶柱处于静电场中，通过静电力对所述曲面面形进行调控；
S4、通过离子束刻蚀技术，将所述光刻胶结构的曲面面形转移至所述衬底上，形成微透镜。
2.根据权利要求1所述的微透镜制备方法，其特征在于，所述衬底的材料包括硅、锗、玻璃、石英和蓝宝石中至少一种。
3.根据权利要求1所述的微透镜制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述衬底的厚度大于所述光刻胶层的厚度。
4.根据权利要求1所述的微透镜制备方法，其特征在于，所述光刻胶层的厚度为5μm～100μm；
所述光刻胶柱的直径为50μm～2000μm。
5.根据权利要求1所述的微透镜制备方法，其特征在于，步骤S3中，将两个极板分别设置在所述衬底的上方和下方；对两个所述极板施加500V～10000 V的电压，形成静电场。
6.根据权利要求5所述的微透镜制备方法，其特征在于，一所述极板置于所述衬底的下方，另一所述极板通过支架固定在所述衬底和光刻胶柱的上方。
7.根据权利要求1所述的微透镜制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述衬底置于可加热底板上，通过所述可加热底板对所述衬底及其上的光刻胶柱加热。
8.根据权利要求1所述的微透镜制备方法，其特征在于，所述离子束刻蚀技术选用感应耦合等离子刻蚀，蚀刻气体为SF6和O2。
9.根据权利要求1-8任一项所述的微透镜制备方法，其特征在于，对所述衬底的加热温度为100℃～200℃，加热时间为1 min～10min。
10.一种微透镜，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的微透镜制备方法制成。
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