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2017-03-21 22:35 |
微透镜的制作工艺
微透镜阵列作为一种重要的光学元件，具有体积小、重量轻、集成度高的特点，吸引了大量的目光。伴随着半导体工业的发展，光刻和微细加工技术的提高，自上世纪八十年代起，相继出现了一系列崭新的微透镜阵列制作技术。由于透镜阵列器件分为折射型微透镜阵列和衍射型微透镜阵列，它们在制作工艺也开发出不同的方法。 *;E\,,Io
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1.折射微透镜的制作方法 Qs\m" y x
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由于折射微透镜阵列器件在聚光、准直、大面阵显示、光效率增强、光计算、光互连及微型扫描等方面越来越广泛的应用，它的制作工艺和方法得到了日益深入的研究。到目前为止，已经出现很多制备折射微透镜阵列的方法，光刻胶热回流方法、激光直写方法、微喷打印法、溶胶一凝胶法、反应离子刻蚀法、灰度掩模法、热压模成型法、光敏玻璃热成型法删等。下面主要介绍几种主流的微透镜阵列制作方法。 H\r-
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(1)光刻胶热回流技术 7{W# i< W
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光刻胶热回流法(熔融光刻胶法)是Poporie于1988年提出的，整个工艺过程可以分为三步，见下图：一、对基板上的光刻胶在掩模的遮蔽下进行曝光，曝光图案呈圆形，矩形或正六边形；二、对曝光后的光刻胶进行显影并清洗残余物质；三、放置于加热平台上，热熔成型。由于这种方法具有工艺简单，对材料和设备的要求较低，工艺参数稳定且易于控制，复制容易等优点，被广泛地用于微透镜阵列的制作当中。 g
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然而利用这种技术制作的微透镜阵列也存在诸多缺点：一、由于光刻胶对于基板材料存在浸润现象，当光刻胶在熔融状态时与基板的附着力是一定的，那么当熔融光刻胶最终成型以后微透镜球面轮廓与基板之间存在浸润角，使微透镜的边缘存在一定的曲率，而中间部分下陷；二、一般情况下微透镜阵列的填充因子不会超过80%，而且光刻胶在熔化后容易粘连，相邻的熔融光刻胶一旦接触后，不会形成透镜的面形。由于填充因子不高，使入射的光不能充分利用，并且会引起背景噪声；三、由于光刻胶本身的机械性能和化学性能比较差，光学性能也不高，不适于作为最终的微透镜或其他微结构的材料。 fYgEia p
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(2)激光直写技术 7)-uYi]
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目前，由于激光直写方法易于操作，并且具有制作的微光学元件尺寸小、精度高的优点，其在微精细研究和加工领域得到了广泛的应用。激光直写技术利用强度可变的激光束对涂在基片表面的光刻胶进行变剂量曝光，显影后在光刻胶表面形成所需要的浮雕轮廓。激光直写的最大优点是器件定位后可一次写出多个相位阶数或连续相位的二元光学器件，从而避免了多次掩模套刻丧失的共轴精度。激光直写制作微透镜阵列的工艺过程可以分为三步： ]a=n(`l?
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使用CAD设计出微透镜阵列的曝光结构，并传入激光直写设备的系统当中；将涂敷有光刻胶的基片放置于直写平台，对光刻胶进行激光写入；对曝光后的光刻胶进行显影并清洗残余物质，最后得到排列整齐，结构均匀的微透镜阵列结构。激光直写法适用于高精度单件和模型制作。使用激光直写制作完成微透镜阵列的原型以后，使用的是铸模工艺方法中的电铸技术将微透镜转化为金属模型，用于大规模的生产。由于电铸复制工艺能够保证最终产品的形状，因此能够对微透镜阵列进行大规模的生产。利用这些先进的技术，重复制作出微单元结构，从而制作高品质低成本的微透镜阵列元件。 #[ odjSb
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2.衍射微透镜的制作方法 ?1afW)`a.v
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衍射微透镜有会聚光能、矫正像差和成像的作用，并且体积小、质量轻、集成度高、易于复制而被广泛地应用于红外光电探测器、图像识别和处理、光通讯、激光医学、空间光学等许多领域。其主要的制作方法有二元光学技术、电子束直写技术以及灰度掩模技术等方法。 bJ!(co6t
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（1）二元光学技术 SJ7-lben 3
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上世纪八十年代中期，美国MIT林肯实验室Veldkamp领导的研究组在设计新型的传感系统中，．率先提出了“二元光学’’的概念。它不同于传统的制作方式，利用了制作集成电路的生产方法，使用的掩模是二元的，且掩模用二元编码的形式进行分层。随后二元光学迅速发展成为--I'-J技术，受到学术界和工业界的青睐。二元光学技术非常适合于衍射微透镜阵列的制作，其中微透镜的边界容易做到整齐和尖锐，微透镜阵列的填充因子可达100%，而且具有重量轻、造价低、易于微型化、阵列化等优点。二元光学采用相位量化的二元编码和制作顺序是在N个工艺步骤中形成的相位级数由N+I提高到2N，见图1．2，大大减少了工艺步骤迭代的次数，降低了制造高衍射效率的衍射光学元件所需要的加工成本。二元光学台阶衍射微透镜制作过程基于成熟的微电子工艺，适于大批量生产。 R+&{lc
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当位相台阶数增加时，二元光学元件也能象连续浮雕元件一样，具有很高的衍射效率。当位相台阶数分别为2、4、8、16时，理论衍射效率分别为4l%、81%、95%和99%。随着台阶数的增加，衍射效率增加，同时制作难度也会加大，对准精度要求也更高。为确保高的衍射效率和制作精度，需采用多次光刻和刻 (F+]h]KSi
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蚀工艺来产生多位相台阶衍射微透镜。在光刻工艺中，二元光学元件的位相等级数L和所需的掩模数N之间存在这样的关系：L=2Ⅳ。因此制作8相位台阶和16相位台阶微透镜分别需要三块和四块掩模版。实际制作中一般采用三块掩模版，经三次光刻和三次刻蚀技术制造八相位(或八台阶)衍射微透镜阵列，可基本满足要求。微透镜阵列的制作工艺主要包括掩模版的设计和制作，利用光刻技术将所设计的掩模版图形转印到光刻胶上，利用干法刻蚀或湿法刻蚀技术将光刻胶图形高保真地转移到衬底表面，形成所需的浮雕结构。 +~ n"@ /
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(2)电子束直写技术 5>\Lk>rI
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为了避免多次套刻出现的误差累积问题，人们开发出了多种一次成型的加工技术，如金刚石车削法、激光直写法、化学沉积法等。直写法是比较实用的方法，分为电子束直写、离子束直写以及激光束直写三种。采用电子直写技术制作微光学器件始于80年代初，电子束直写原理与激光束直写不同，在进行直写前，必须在基底上预先镀一层导电膜(如Au，In，O，等)，以便曝光时泄露电子。电子束直写的分辨率非常高，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校电子工程系利用电子束直写技术制作的直径为45um的微透镜，其临界尺寸仅为60nm。电子束直写是制作亚波长结构微透镜的重要手段。 &iTTa l.6
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(3)灰度掩模技术 y F;KyY{
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灰度掩模技术利用灰度等级掩模版经一次光刻实现多台阶衍射光学元件或连续位相变化的浮雕图形，然后经刻蚀(或薄膜沉积)，将图形高保真地转移到基底上，见下图。该技术把复杂的多次光刻和图形转移简化为一次完成，无套刻中对准误差等问题，适合于大批量生产，缩短了生产周期和降低了成本。灰度掩模技术关键之处就是灰度等级掩模版的制作。目前比较常用的两种方法是彩色编码掩模版和高能电子束敏感玻璃掩模版。前者利用不同颜色，表示不同的灰度等级，一种颜色代表一个灰度等级，四相位表面浮雕分布，用四种颜色表示，八相位浮雕表面分布用八种颜色表示，然后再将用颜色表示的灰度图形，用高分辨率彩色打印机打印在透明胶片上，再将此彩色胶片通过精缩转到成黑白透明胶片上，这样就形成了具有不同灰度等级掩模版，通过一次曝光可得到多相位台阶的浮雕表面分布结构。这种掩模版分辨率较低，器件的相位轮廓台阶束直接受到打印机彩色等级限制。高能电子束敏感玻璃掩模版(HEBS)利用其对不同能量电子束的敏感程度不同，形成透过率为台阶变化或连续变化的真正灰度掩模版。这种掩模版分辨率高，可达500个灰度等级，且掩模版制作过程简单，成本低。利用HEBS扶度等级掩模版所制作的元件具有分辨率高，衍射效率局等其它方法所无法比拟的优点。随着扶度等级的升高。浮雕分布近似连续分布，但是扶度掩模的制作随着其灰阶的增多将变得十分困难，制作成本也将大幅度上。 ,>3b|-C-
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以上所迷的各种微透镜阵列的制作方法，对于制作小批量的微透镜阵列较为台适。但是，直¨果需要大批量生产微透镜阵列，以上方法就不太方便，而且成本高，总的生产过程复杂，产品均匀性难以保证。因此发展复制技术成为降低微光学器件成本、推J1应用的关键。一般在光刻胶表面制作微结构具有以下缺点： {>h, @
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一、光刻胶材料表面比较粗糙，易引起漫敞射，降低器件的光学性能； FT;I|+H*P
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二、光刻胶材料表面机械强度低，易受磨损且不适用于恶劣环境。
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很好！