CN1287161C - 大浮雕深度微透镜阵列的制作方法 - Google Patents

Abstract

大浮雕深度微透镜阵列的制作方法通过刻蚀深度和刻蚀口径计算所要刻蚀的微透镜阵列浮雕的剖面图，并根据刻蚀深度-曝光量的关系对获得的掩模单元图形进行优化，由优化后的掩模图形进行曝光、显影、坚膜，完成微透镜阵列的制作。本发明能在刻蚀深度比较大的情况下，高保真的将目标图形传递到光刻胶上，制作的微透镜阵列的浮雕深度比现有技术提高近三倍。

Description

大浮雕深度微透镜阵列的制作方法

技术领域

本发明涉及 一种微透镜阵列的制作方法，属于对现有连续浮雕微透镜阵列的制作方法--移动掩模法的改进。

背景技术

连续浮雕微透镜阵列的制作方法一直是研究的热点。1992出版的《物理》杂志21卷4期197页公开的旋转照相法对此进行了探讨，但由于其存在的缺陷，难以作成有价值的器件。此后，本发明人发明了可以制作出实用器件的移动掩模法(在2000年10月出版的《光电工程》27卷第5期19页中公开)，该方法主要是通过在曝光过程中移动掩模，对光致抗蚀剂表面进行与掩模图形成比例的曝光，再经过显影、坚膜等程序，获得要刻蚀的微透镜阵列的浮雕形状，制作连续浮雕微透镜阵列。但是，这种方法仍然存在一定缺陷：由于抗蚀剂材料的非线性和曝光、刻蚀的非线性，设计的曝光量分布不能高保真地在抗蚀剂上形成所需的面形分布。从图1看出，用现有移动掩模法制作的口径为146微米的微透镜阵列的剖面图形(图中曲线1)，与标准曲线(图中曲线2)相差较大，当要制作的连续表面微透镜阵列的浮雕深度较大时，尤其如此。因此这种方法只能用于制作较小浮雕深度(刻蚀深度最大为4微米)的连续表面微透镜阵列，无法用来制作较大深度的连续浮雕微透镜阵列。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种大浮雕深度微透镜阵列的制作方法，采用该方法可制作大浮雕深度的连续表面微透镜阵列。

本发明的技术解决方案是：大浮雕深度微透镜阵列的制作方法，通过以下步骤完成：

①由刻蚀深度和刻蚀口径要求计算刻蚀的微透镜阵列浮雕的剖面图；

②对光致抗蚀剂的曝光阈值进行测定；

③根据目标浮雕面形及测量得到的抗蚀剂曝光阈值求解抗蚀剂表面的曝光量分布；采用g(x)＝c×Q×e^α×f(x)对抗蚀剂表面曝光量分布进行求解，并以此对光刻掩模进行设计，式中α为光刻胶吸收系数，c为任意常数，Q为光刻阈值，f(x)为对应坐标x点的浮雕矢高；

④据获得的抗蚀剂表面的曝光量分布设计光刻掩模图形；

⑤掩模单元优化图形参数制作掩模；

⑥将掩模图形投影到光刻胶上，进行曝光，在曝光过程中连续移动掩模；

⑦显影，坚膜。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：在对光刻过程、显影过程、正性光刻胶的光特性进行深入分析的基础上，提出了一种独特的光刻掩模设计方案，得到更适合光刻胶的光响应模型以及刻蚀过程的掩模单元优化图形。由于该方法主要是利用显影过程中光刻胶自身的显影特性对刻蚀深度和面形进行控制，因此能在刻蚀深度比较大的情况下，保证刻蚀结果的面形精度，从而得到了较大深度的连续浮雕微透镜阵列。这种方法使连续深浮雕微透镜阵列的刻蚀深度范围增加了三倍多(当制作的连续深浮雕微透镜阵列的口径相同时，刻蚀深度范围从以前的最大深度40几微米提高到150微米)，而且，在显影过程中，面形精度随着显影时间的增加逐步提高，浮雕深度同时也逐步接近设计值，因此，该方法对显影时间的控制精度要求不高，不仅简化了工艺过程，并且，还可使连续深浮雕微透镜阵列的浮雕面型精度得到提高，这一点可从图5所示实施例1制作完成的微透镜阵列的剖面图形(曲线3)与标准曲线(曲线4)的拟合图中看出，二者误差很小。而且该方法还保持了现有移动掩模法制作的微透镜阵列填充因子约100％、工艺过程简单等各种优点。

附图说明

图1是用现有技术制作的口径146微米的微透镜阵列与标准曲线的拟合图(图中纵坐标表示微透镜阵列单元的浮雕深度，每刻度单位：3微米；横坐标表示微透镜阵列单元的口径，每刻度单位：20微米)。

图2是本发明实施例一根据要制作的微透镜阵列浮雕图形计算的结果(图中纵坐标表示微透镜阵列单元的浮雕深度，每刻度单位：15微米；横坐标表示微透镜阵列单元的口径，每刻度单位：50微米)。

图3是对本发明实施例一制作的微透镜阵列掩模图形计算结果优化后的曲线(图中纵坐标表示微透镜阵列单元的浮雕深度，每刻度单位：20微米；横坐标表示微透镜阵列单元的口径，每刻度单位：50微米)。

图4是本发明实施例一制作出的微透镜阵列剖面扫描图(图中纵坐标表示微透镜阵列单元的浮雕深度，每刻度单位：100微米；横坐标表示微透镜阵列单元的口径，每刻度单位：500微米)。

图5是本发明实施例一制作完成的微透镜阵列的剖面图形与标准曲线的拟合图(图中纵坐标表示微透镜阵列单元的浮雕深度，每刻度单位：15微米；横坐标表示微透镜阵列单元的口径，每刻度单位：50微米)。

具体实施方式

本发明实施例一是制作的口径φ＝500μm，刻蚀深度h＝134μm的连续深浮

雕微透镜阵列，采用正性光刻胶为光刻材料，其制作过程如下：

①首先对经过前烘的正性光刻胶光刻阈值进行测量，设：测量结果为Q。

②设计用于微透镜列阵刻蚀的掩模版，掩模版的单元图形曲线函数为：

                   g(x)＝c×Q×e^α×f(x)

α为光刻胶吸收系数，c为任意常数，Q为光刻阈值，f(x)为对应坐标x点的浮雕矢高。

③以正性光刻胶为光刻材料，不同的刻蚀深度，需要对光刻胶施加不同的曝光量，但各点之间的曝光相对分布是相同的，完全由掩模图形决定。

④根据曝光量和蚀刻深度，进行显影。

⑤对显影后的元件进行清洗，烘干，得到光刻胶质元件。

完成连续表面微透镜阵列的浮雕制作，得到口径500um的连续深浮雕微透镜阵列，如图4所示，该微透镜阵列的剖面图形表明其高频损失少，图5表明，该微透镜阵列的剖面图形(曲线3)与标准曲线(曲线4)比较，误差较小。

本发明实施例二是制作一个口径φ＝17μm的小口径连续深浮雕微透镜阵列(面形为抛物面)，采用正性光刻胶为光刻材料，刻蚀深度h＝5μm，其制作步骤如下：

①根据所要刻蚀的微透镜阵列浮雕的刻蚀深度(h＝5μm)和刻蚀口径(φ＝17μm)，很容易计算出抛物面微透镜浮雕的剖面函数为：

$y\left(x\right)=k\&times;x^2(-\frac{17}{2}<x<\frac{17}{2})$

$k=5/{\left(\frac{17}{2}\right)}^2$

②根据刻蚀深度、以及浮雕目标面形的关系，对光刻掩模进行设计。令f(x)＝y(x)，并按照实施例一中的第②步骤的关系式，对掩模单元图形进行优化、修正，获得掩模单元优化图形。

③采用激光直写系统，按优化后的掩模单元图形函数(如下式)进行掩模加工、制作。

$g\left(x\right)=m\&times;e^{\mathrm{\&alpha;}\&times;k\&times;x^2}(-\frac{17}{2}<x<\frac{17}{2})$

m为常数，α为光刻材料吸收系数

④利用投影曝光系统，将制作好的掩模单元投影在光刻胶上，进行曝光；在曝光过程中，连续移动掩模，对光刻胶进行曝光；

⑤对连续曝光后的光刻胶进行定时显影，坚膜，完成微透镜阵列的浮雕制作，得到口径Φ＝17um、

Claims (1)

1、大浮雕深度微透镜阵列的制作方法，其特征在于通过以下步骤完成：

①由刻蚀深度和刻蚀口径要求计算刻蚀的微透镜阵列浮雕的剖面图；

②对光致抗蚀剂的曝光阈值进行测定；

③根据目标浮雕面形及测量得到的抗蚀剂曝光阈值求解抗蚀剂表面的曝光量分布；采用g(x)＝c×Q×e^α×f(x)对抗蚀剂表面曝光量分布进行求解，并以此对光刻掩模进行设计，式中α为光刻胶吸收系数，c为任意常数，Q为光刻阈值，f(x)为对应坐标x点的浮雕矢高；

④据获得的抗蚀剂表面的曝光量分布设计光刻掩模图形；

⑤掩模单元优化图形参数制作掩模；

⑥将掩模图形投影到光刻胶上，进行曝光，在曝光过程中连续移动掩模；

⑦显影，坚膜。

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