TWI613534B - 雙層微透鏡陣列光學元件 - Google Patents

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Abstract

本發明係有關一種雙層微透鏡陣列光學元件，其主要係於一基板之一面具有陣列排列之複數針孔結構，且該基板之兩面分別具有一光學微透鏡陣列，該等微透鏡光學陣列均包含複數對應該等針孔結構位置之非球面微透鏡，本發明雙層微透鏡陣列光學元件使用時，主要係將經由DMD(Digital Mirror Device,DMD，數位微反射鏡陣列裝置)晶片折射之UV光，由晶基板一面之光學微透鏡陣列的複數非球面微透鏡分別聚焦在各個針孔結構的位置，並形成一個小光點，而光點會在通過針孔結構之後開始發散，接著再由基板另一面之光學微透鏡陣列的複數非球面微透鏡重新將光束在聚焦面上獲得一個逼近物理繞射極限的極小圓形光點極小的光點。形成之光點陣列可應用於掃描式的無光罩與直寫式的曝光微影製程。

Description

雙層微透鏡陣列光學元件
本發明係有關一種無光罩式微影技術使用之光學元件，尤指一種可直接取代或減少光學成像鏡組的使用，提高無光罩式微影技術解析能力及減少曝光能量損失的雙層微透鏡陣列光學元件。
以DMD(Digital Mirror Device,DMD，數位微反射鏡陣列裝置)為核心的無光罩微影技術可以分成二大類：(1)影像成像(Image Forming)、與(2)光點陣列掃描(Light Point Array Scanning)。
其中，光點陣列掃描(Light Point Array Scanning)的無光罩微影技術，主要是UV光源經過DMD將影像投影至第一成像鏡組，利用第一成像鏡組將光源與DMD形成的數位光學影像投射至微透鏡陣列空間濾波器，接著再利用第二成像鏡組將經過微透鏡陣列空間濾波器的數位光學影像，重新成像於旋塗有光阻層(PR layer)的基材表面，以進行PR的UV曝光。
然而，當第二成像鏡組將經過微透鏡陣列空間濾波器的數位光學影像，重新成像於旋塗有光阻層(PR layer)的基材表面過程中，會發散掉一些UV光的能量，且第二成像鏡組的品質會影響成像品質，甚至導致成像時出現扭曲變形的狀況。
本案發明人鑑於上述光點陣列掃描(Light Point Array Scanning)的無光罩微影技術所衍生的各項缺點，乃亟思加以改良創新，並經多年苦心孤詣潛心研究後，終於成功研發完成本件雙層微透鏡陣列光學元件。
為解決前述習知技術之問題，本發明之一目的係在於提供一種可以有效提高光能量使用率之雙層微透鏡陣列光學元件。
為解決前述習知技術之問題，本發明之一目的係在於提供一種可以有效提高無光罩式微影機台解析能力的雙層微透鏡陣列光學元件。
為達成上述之目的，本發明雙層微透鏡陣列光學元件主要包括一基板、一第一光學微透鏡陣列及一第二光學微透鏡陣列，該基板為玻璃或石英材質，該基板一側表面具有以蒸鍍機鍍上之一阻擋層，且該基板與該阻擋層間具有同樣以蒸鍍機鍍上之一黏著層，該阻擋層及該黏著層上具有陣列排列之針孔結構，該第一光學為透鏡係設於該基板之一側表面上，該第二光學微透鏡陣列係設於基板相對第一光學微透鏡陣另一側之表面上。
其中，該第一光學微透鏡陣列包括複數分別對應該等針孔結構之第一非球面微透鏡。
其中，該第二光學微透鏡陣列包括複數分別對應該等針孔結構之第二非球面微透鏡。
上述之第一光學微透鏡陣列係設於該基板具有黏著層及阻擋層之一面，或該第二光學微透鏡陣列係設於該基板具有黏著層及阻擋層之一面。
1‧‧‧雙層微透鏡陣列光學元件
11‧‧‧基板
111‧‧‧針孔結構
112‧‧‧黏著層
113‧‧‧阻擋層
12‧‧‧第一光學微透鏡陣列
121‧‧‧第一非球面微透鏡
13‧‧‧第二光學微透鏡陣列
131‧‧‧第二非球面微透鏡
2‧‧‧UV光源
3‧‧‧反射鏡
4‧‧‧DMD晶片
圖1係為本發明雙層微透鏡陣列光學元件之立體外觀示意圖；圖2係為本發明雙層微透鏡陣列光學元件之立體分解示意圖；圖3係為本發明雙層微透鏡陣列光學元件之使用狀態示意圖；圖4係為本發明雙層微透鏡陣列光學元件使用狀態之光路示意圖。
以下將描述具體之實施例以說明本創作之實施態樣，惟其並非用以限制本發明所欲保護之範疇。
請參閱圖1~2，本發明雙層微透鏡陣列光學元件1是在透明的基板上製作一組類似於空間濾波器的針孔陣列結構之光學元件，並在其元件的正反兩面都結合微透鏡陣列，達到結構為”微透鏡-濾波器-微透鏡”的光學元件，其主要包括一基板11、一第一光學微透鏡陣列12及一第二光學微透鏡陣列13，該基板11一側表面具有陣列排列之複數針孔結構111，該第一光學微透鏡陣列12係設於該基板11一面，該第一光學微透鏡陣列12包括複數分別對應該等針孔結構111之位置的第一非球面微透鏡121，該第二光學微透鏡陣列13係設於該基板11相對第一光學微透鏡陣列12之另一面，該第二光學微透鏡陣列13包括複數分別對應該等針孔結構111之位置的第二非球面微透鏡131。
本發明雙層微透鏡陣列光學元件1主要是在直徑2寸、厚度260μm的玻璃基板11上先製作陣列排列之複數針孔結構111，再製作第一光學微透鏡陣列12及第二光學微透鏡陣列13，其流程如下： a.在基板11上先以蒸鍍機鍍上10nm鉻作為其他金屬與玻璃的黏著層112，及較厚的50nm金作為UV光的阻擋層113。
b.接著以標準的黃光微影製程製作陣列排列之複數針孔結構111；c.在金屬層上旋塗一層1.4μm厚度的正光阻(AZ1800)，再由7μm大小與110μm周期的孔洞陣列之玻璃光罩覆蓋曝光，完成曝後烤與顯影的程序後，在光阻上形成相同大小的以陣列排列之針孔結構111，然後經過金或鉻金屬的蝕刻即完成針孔陣列在黏著層112及阻擋層113上的轉移。
d.在基材11之另一面旋塗一層厚度為25μm的SU-8結構型負光阻(SU-8 3025)，經軟烤曝光硬烤後，確保SU-8光阻在石英玻璃上穩固。
e.最後，以高分子PC材料用OCA膠帶黏於陣列排列之針孔結構111那一面。完成試片的準備後以準分子雷射雙軸拖拉加工技術來製作出第一光學微透鏡陣列12及第二光學微透鏡陣列13；第一光學微透鏡陣列12的每一個第一非球面微透鏡，及第二光學微透鏡陣列13的每一個第二非球面微透鏡的直徑跟週期皆為110μm。
其中，準分子雷射雙軸拖拉技術在製造第一光學微透鏡陣列12及第二光學微透鏡陣列13之流程，主要由雷射通過光罩圖案持續延著兩互相垂直軸向射出雷射光束，每發週期32ns，當雷射通量為100mJ/cm2時，加工深度為0.065μm，雷射重複頻率為5Hz，每發雷射間隔距離2μm，基板移動速度10μm/s。加工過程中為了可以準確地將微透鏡陣列與針孔陣列的光軸對應上，因此加入了CCD相機來協助對準。由CCD可直接觀察到針孔陣列是否有在加工軸上以 及是否在中央位置。完成後由光學顯微鏡10X倍物鏡底下觀測及X.Y軸上每一個光點的強度及對位。並在光學顯微鏡20X倍物鏡觀察其強度及加工精度。
最終利用光學顯微鏡來做LED及MLSFA最後聚焦平面上所呈現的光點大小，調整LED強度及物鏡，找到對焦平面約為210μm處，在20倍物鏡下4x3的陣列光點峰值約為1.95W/cm2，在聚焦平面上通過透鏡的單一光點能量分佈示意圖如圖(4)(b).圖(4)(c)在X-X^".Y-Y^"軸剖面，當能量等級為1/e2時，光點大小約為10.24μm跟14.1μm，而當能量等級為FWHM時，光點大小約為7.05μm跟8.5μm。
請參閱圖3~4，為本發明雙層微透鏡陣列光學元件1之使用狀態，主要係將光源2發射之UV光經過均光與準直處理之後，透過一反射鏡3將UV光以一特定之角度投射於DMD(Digital Mirror Device,DMD，數位微反射鏡陣列裝置)晶片4，UV光經DMD晶片4折射後，先經由第一光學微透鏡陣列12之複數第一非球面微透鏡121分別聚焦在各個針孔結構111的位置，並形成一個小光點，而光點會在通過針孔結構111之後開始發散，接著再由第二光學微透鏡陣列13的複數第二非球面微透鏡131重新將光束在聚焦面上獲得一個逼近物理繞射極限的極小圓形光點極小的光點。其中針孔結構111即類似於空間濾波器，目的是能夠過濾去除入射的非平行光源或非球面微透鏡邊緣的雜散光，使最後聚焦的光點擁有良好的光學品質，如更佳的光點真圓度，更一致的光點能量分佈...等。除此之外，本發明雙層微透鏡陣列光學元件1僅只有四個鏡片間的轉換界面，也因此減少了UV光在鏡片間的界面反射與吸收問題，進而提高光能量的使用效率。再者，發明雙層微透鏡陣列光學元件1也能夠直接與紫外光燈源做搭配，應 用在周期性光束筆微影系統的設備上；此外，對於近年來所發展的無光罩式微影製程設備也具有性能改善與製造成本的降低的明顯優勢。
上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。
1‧‧‧雙層微透鏡陣列光學元件
11‧‧‧基板
111‧‧‧針孔結構
112‧‧‧黏著層
113‧‧‧阻擋層
12‧‧‧第一光學微透鏡陣列
121‧‧‧第一非球面微透鏡
13‧‧‧第二光學微透鏡陣列
131‧‧‧第二非球面微透鏡

Claims (7)

  1. 一種雙層微透鏡陣列光學元件，其包括：一基板，該基板一側表面具有陣列排列之複數針孔結構；一第一光學微透鏡陣列，該第一光學微透鏡陣列係設於該基板之一面，該第一光學微透鏡陣列包括複數分別對應該等針孔位置之第一非球面微透鏡；一第二光學微透鏡陣列，該第二光學微透鏡陣列係設於該基板相對第一光學微透鏡陣列之另一面，該第二光學微透鏡陣列包括複數分別對應該等針孔位置之第二非球面微透鏡，其中該等針孔對應設置在該第一非球面微透鏡及該第二非球面透鏡一光軸上；一光源經由該第一光學微透鏡陣列分別聚焦在各該等針孔位置，並形成一光點，該光點通過該等針孔後開始發散，再由該第二光學微透鏡陣列重新將光束在聚焦面上獲得一逼近物理繞射極限的極小圓形光點。
  2. 如請求項1所述之雙層微透鏡陣列光學元件，其中該基板為玻璃或石英材質，且該基板一側表面具有一阻擋層，該等針孔結構係陣列排列於該阻擋層上。
  3. 如請求項2所述之雙層微透鏡陣列光學元件，其中該基板及該阻擋層之間具有一黏著層。
  4. 如請求項3所述之雙層微透鏡陣列光學元件，其中該黏著層係以一蒸鍍機蒸鍍於該基板之表面。
  5. 如請求項2或3所述之雙層微透鏡陣列光學元件，其中該阻擋層及該黏著層均為不透光層。
  6. 如請求項1所述之雙層微透鏡陣列光學元件，其中該第一光學微透鏡陣列係設於該基板具有陣列排列之該等針孔結構之一面。
  7. 如請求項1所述之雙層微透鏡陣列光學元件，其中該第二光學微透鏡陣列係設於該基板具有陣列排列之該等針孔結構之一面。
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