微透镜阵列的光刻胶热熔制作技术
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图像传感器集成微透镜阵列设计页数:26
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光刻胶热熔法制备硅微透镜产品的方法及系统
一、概述光刻技术是当代微纳加工领域中的重要工艺之一，其应用广泛，包括半导体制造、光学元件制造等。
其中，光刻胶热熔法制备硅微透镜是一种常见且有效的方法。
本文将对光刻胶热熔法制备硅微透镜产品的方法及系统进行探讨和介绍，以便读者对这一工艺有更深入的了解。
二、光刻胶热熔法制备硅微透镜的基本原理1. 光刻胶的选择和涂布光刻胶是光刻工艺中的关键材料，选择合适的光刻胶对于制备硅微透镜至关重要。
常见的光刻胶有正胶和负胶两种。
正胶通常用于制备光刻胶模板，而负胶则用于制备光刻胶模具。
在制备硅微透镜时，首先需要选择合适的光刻胶，并将其均匀涂布在硅基片表面。
涂布工艺的精准度和一致性对于后续的制备工艺至关重要。
2. 光刻胶的光刻图案制备光刻是通过将光刻胶暴露在特定光照条件下，形成所需图案的工艺。
光刻胶的选择、光刻胶的暴露时间和光刻机的参数设置都会对光刻图案的质量产生影响。
在制备硅微透镜时，光刻图案的设计和制备是必不可少的步骤。
通过精确的光刻工艺，可以在光刻胶上形成微透镜的轮廓图案。
3. 热熔硅的填充和加工热熔硅是一种常用的材料，可用于填充光刻胶模具中形成微透镜的凸起结构。
在制备过程中，需要将热熔硅预热至一定温度，并在光刻胶模具中进行填充和加工。
热熔硅的填充和加工工艺涉及到温度控制、压力控制等多个参数的调节，对于最终微透镜产品的质量具有重要影响。
4. 后续工艺及检测在热熔硅填充和加工完成后，需对微透镜产品进行后续工艺，如去除残留的光刻胶、清洗表面等步骤。
对于制备出的微透镜产品需要进行质量检测，包括形貌观测、光学特性测试等。
三、硅微透镜制备系统的研究和设计1. 光刻机光刻机是光刻工艺中不可或缺的设备，其性能对于光刻图案的质量和精度具有重要影响。
在制备硅微透镜时，需要选择合适的光刻机，并进行参数设置和调节，以实现所需的微透镜结构。
2. 热熔设备热熔设备用于预热和加工热熔硅材料，其稳定的温度控制和压力控制对于微透镜产品的质量至关重要。
微透镜阵列的光刻胶热熔制作技术
[5] [ 1, 2 ]
熔法具有制作周期短 、制作成本低 、效率高等优 点 , 因而成为研究的热点 。本文介绍了光刻胶热熔 法制作微透镜阵列的原理 、工艺流程 、关键技术并 给出了实验结果 。
1 微透镜阵列的设计与制作
利用光刻胶热熔法制作微透镜阵列的原理如图
1 所示 , 在基片上涂上一定厚度的光刻胶 , 在圆形
设曝光后圆柱的底面直径 (即掩模板直径 ) 为 D、高度 (即涂胶厚度 ) 为 t, 融化后球冠曲率 半径为 R、球冠高度为 h, 如图 2 所示 。假设融化 π 3 2 后 , 球冠的体积 ( V2 =πH R - H ) 变为圆柱体 3 π 2 积 ( V1 = D t) 的 k 倍 , 即 V2 = kV1 , 则可求出为 4
图 1 微透镜阵列制作工艺流程
F ig 11 Fa b rica tio n se que nce o f the m ic ro le n s a rra y
分 , 这样就使得圆柱体阵列的体积减小 , 因此 k 一 般可取 018 左右 , 但 k 的精确数值则要由具体的实 验环境和实验设备决定 。
14
长春理工大学学报
2006 年
到 140 ℃, AZ1805 型 正 性 光 刻 胶 的 温 度 范 围 是
160 ℃ 到 180 ℃。
精度高且稳定可靠的技术 , 下面主要对此技术进行 研究 。 离子束刻蚀技术是指用具有能量单色性很强及 一定密度的大面积 、准直均匀离子束发射到材料表 面 , 通过离子撞击表面原子与材料原子间的级联碰 撞过程 , 离子将其携带的动量 (能量 ) 转移给材 料原子 , 打破原子间的结合并产生活化原子的动量 矢量反转 , 形成材料原子的物理溅射 , 从而使材料 被蚀去一定的厚度的过程 。 然而 , 由于光刻胶与石英基片的刻蚀速率不 同 , 刻蚀后微透镜阵列的面形与光刻胶微透镜阵列 的面形有很大的差别 。为使光刻胶与石英基片具有 相同的刻蚀速率 , 可以采用反应离子刻蚀法 , 即在 刻蚀过程中加入反应气体 , 通过控制气体与石英基 片及光刻胶的反应来达到相同的刻蚀速率 。例如 , 加入氟化物气体会增大石英基片的刻蚀速率 , 加入 氧气会增大光刻胶的刻蚀速率 。 另外 , 由于利用光刻胶热熔法制作的微透镜阵 列存在球差 , 而且相对孔径较大 , 通过加入不同的 反应气体并调节气体的浓度可以减小球差并制作出 相对孔径较小的微透镜阵列 , 甚至还可以制作出非 球面结构的微透镜阵列 。 本文利用反应离子刻蚀技术对图 3 所示的光刻 胶微透镜阵列进行刻蚀实验 , 经过充分的刻蚀 , 便 可在将微透镜阵列面型转移到玻璃基底上 , 如图 4 所示 。
熔法具有制作周期短 、制作成本低 、效率高等优 点 , 因而成为研究的热点 。本文介绍了光刻胶热熔 法制作微透镜阵列的原理 、工艺流程 、关键技术并 给出了实验结果 。
1 微透镜阵列的设计与制作
利用光刻胶热熔法制作微透镜阵列的原理如图
1 所示 , 在基片上涂上一定厚度的光刻胶 , 在圆形
设曝光后圆柱的底面直径 (即掩模板直径 ) 为 D、高度 (即涂胶厚度 ) 为 t, 融化后球冠曲率 半径为 R、球冠高度为 h, 如图 2 所示 。假设融化 π 3 2 后 , 球冠的体积 ( V2 =πH R - H ) 变为圆柱体 3 π 2 积 ( V1 = D t) 的 k 倍 , 即 V2 = kV1 , 则可求出为 4
图 1 微透镜阵列制作工艺流程
F ig 11 Fa b rica tio n se que nce o f the m ic ro le n s a rra y
分 , 这样就使得圆柱体阵列的体积减小 , 因此 k 一 般可取 018 左右 , 但 k 的精确数值则要由具体的实 验环境和实验设备决定 。
14
长春理工大学学报
2006 年
到 140 ℃, AZ1805 型 正 性 光 刻 胶 的 温 度 范 围 是
160 ℃ 到 180 ℃。
精度高且稳定可靠的技术 , 下面主要对此技术进行 研究 。 离子束刻蚀技术是指用具有能量单色性很强及 一定密度的大面积 、准直均匀离子束发射到材料表 面 , 通过离子撞击表面原子与材料原子间的级联碰 撞过程 , 离子将其携带的动量 (能量 ) 转移给材 料原子 , 打破原子间的结合并产生活化原子的动量 矢量反转 , 形成材料原子的物理溅射 , 从而使材料 被蚀去一定的厚度的过程 。 然而 , 由于光刻胶与石英基片的刻蚀速率不 同 , 刻蚀后微透镜阵列的面形与光刻胶微透镜阵列 的面形有很大的差别 。为使光刻胶与石英基片具有 相同的刻蚀速率 , 可以采用反应离子刻蚀法 , 即在 刻蚀过程中加入反应气体 , 通过控制气体与石英基 片及光刻胶的反应来达到相同的刻蚀速率 。例如 , 加入氟化物气体会增大石英基片的刻蚀速率 , 加入 氧气会增大光刻胶的刻蚀速率 。 另外 , 由于利用光刻胶热熔法制作的微透镜阵 列存在球差 , 而且相对孔径较大 , 通过加入不同的 反应气体并调节气体的浓度可以减小球差并制作出 相对孔径较小的微透镜阵列 , 甚至还可以制作出非 球面结构的微透镜阵列 。 本文利用反应离子刻蚀技术对图 3 所示的光刻 胶微透镜阵列进行刻蚀实验 , 经过充分的刻蚀 , 便 可在将微透镜阵列面型转移到玻璃基底上 , 如图 4 所示 。
MOEMS器件的硅微透镜阵列制造工艺
收稿日期：２０１８－０８－１９
流动形成微透镜。 Ｐｈ Ｎｕｓｓｂａｕｍ、Ｈｉｒｏｓｈｉ Ｔｏｓｈｉｙｏｓｈｉ 和 Ｔ．Ｈ．Ｌｉｎ 等人先后对此进行了研究［６－１０］ 。 该方法制作 微透镜工艺简单、成本低，且表面光洁，适于制作微米 级的透镜，对毫米级的透镜制作则较为困难。
对于焦平面阵列器件来说，尽管单个像元是 μｍ 级，但包含 Ｍ×Ｎ 像元阵列的芯片则达到了 ｍｍ 级，与 此对应的单个透镜的有效通光口径也达到了 ｍｍ 级。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｓｉｍｐｌｅ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ ａｒｒａｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｆｏｒ ＭＯＥＭＳ ｄｅｖｉｃｅ．Ｍａｓｓ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ ａｒｒａｙ ｗｅｒｅ ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｏｎｔｏ ｓｉｌｉｃｏｎ ｗａｆｅｒ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｂｏｔｈ ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｆｌｏｗ ｏｆ ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ ａｎｄ ＩＣＰＲＩＥ．Ｔｈｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ２．４１ ｍｍ ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ ａｒｒａｙ ｗｉｔｈ ９９．９ μｍ ｉｎ ｈｅｉｇｈｔ ｗａｓ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｍｉｃｒｏ⁃ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ ｃｏａｔｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｒｏｍ １１５ ℃ ｔｏ １３０ ℃ ａｔ ｔｈｅ ｒａｔｅ ｏｆ ２．５ ℃ ／ ｍｉｎ．Ｔｈｅ ｅｘａｃｔ ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ ｃｕｒｖａｔｕｒｅ ｗｅｒｅ ｔｒａｎｓｆｅｒｅｄ ｏｎｔｏ ｓｉｌｉｃｏｎ ｗａｆｅｒ ｂｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｅｔｃｈｉｎｇ ｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ＩＣＰＲＩＥ ａｓ ａｂｏｕｔ １ ∶ １ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｉｌｉｃｏｎ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ ａｒｒａｙｓ； ＭＯＥＭＳ （ ｍｉｃｒｏ⁃ｏｐｔｏ⁃ｅｌｅｃｔｒｏ⁃ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ） ； ｓｉｌｉｃｏｎ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ； ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅ⁃ ｆｌｏｗ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ； ＩＣＰＲＩＥ（ ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）
流动形成微透镜。 Ｐｈ Ｎｕｓｓｂａｕｍ、Ｈｉｒｏｓｈｉ Ｔｏｓｈｉｙｏｓｈｉ 和 Ｔ．Ｈ．Ｌｉｎ 等人先后对此进行了研究［６－１０］ 。 该方法制作 微透镜工艺简单、成本低，且表面光洁，适于制作微米 级的透镜，对毫米级的透镜制作则较为困难。
对于焦平面阵列器件来说，尽管单个像元是 μｍ 级，但包含 Ｍ×Ｎ 像元阵列的芯片则达到了 ｍｍ 级，与 此对应的单个透镜的有效通光口径也达到了 ｍｍ 级。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｓｉｍｐｌｅ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ ａｒｒａｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｆｏｒ ＭＯＥＭＳ ｄｅｖｉｃｅ．Ｍａｓｓ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ ａｒｒａｙ ｗｅｒｅ ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｏｎｔｏ ｓｉｌｉｃｏｎ ｗａｆｅｒ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｂｏｔｈ ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｆｌｏｗ ｏｆ ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ ａｎｄ ＩＣＰＲＩＥ．Ｔｈｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ２．４１ ｍｍ ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ ａｒｒａｙ ｗｉｔｈ ９９．９ μｍ ｉｎ ｈｅｉｇｈｔ ｗａｓ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｍｉｃｒｏ⁃ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ ｃｏａｔｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｒｏｍ １１５ ℃ ｔｏ １３０ ℃ ａｔ ｔｈｅ ｒａｔｅ ｏｆ ２．５ ℃ ／ ｍｉｎ．Ｔｈｅ ｅｘａｃｔ ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ ｃｕｒｖａｔｕｒｅ ｗｅｒｅ ｔｒａｎｓｆｅｒｅｄ ｏｎｔｏ ｓｉｌｉｃｏｎ ｗａｆｅｒ ｂｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｅｔｃｈｉｎｇ ｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ＩＣＰＲＩＥ ａｓ ａｂｏｕｔ １ ∶ １ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｉｌｉｃｏｎ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ ａｒｒａｙｓ； ＭＯＥＭＳ （ ｍｉｃｒｏ⁃ｏｐｔｏ⁃ｅｌｅｃｔｒｏ⁃ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ） ； ｓｉｌｉｃｏｎ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ； ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅ⁃ ｆｌｏｗ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ； ＩＣＰＲＩＥ（ ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）
微透镜阵列的设计、制作及与CCD的集成技术
微透镜阵列的设计、制作及与CCD的集成技术一、本文概述随着光学技术的不断发展，微透镜阵列作为一种重要的光学元件，其在光学成像、光电子器件、光通信等领域的应用越来越广泛。
微透镜阵列的设计、制作及与CCD（电荷耦合器件）的集成技术，是提升微透镜阵列性能、拓展其应用范围的关键环节。
本文旨在全面介绍微透镜阵列的基本概念、设计原理、制作方法，以及其与CCD的集成技术，为相关领域的研究人员和技术人员提供有益的参考。
本文将介绍微透镜阵列的基本概念和特点，阐述其在不同领域的应用价值。
然后，详细阐述微透镜阵列的设计原理，包括透镜形状、尺寸、间距等参数的确定，以及优化设计方法。
接着，介绍微透镜阵列的制作技术，包括模具制作、材料选择、加工工艺等，以及制作过程中可能遇到的问题和解决方法。
本文将重点探讨微透镜阵列与CCD的集成技术。
首先介绍CCD的基本原理和特性，然后详细阐述微透镜阵列与CCD的耦合技术，包括耦合方式的选择、耦合效率的提高等。
还将介绍集成后系统的性能测试和优化方法，以及集成技术在不同领域的应用实例。
通过本文的阐述，读者可以全面了解微透镜阵列的设计、制作及与CCD的集成技术，为相关领域的研究和应用提供有益的借鉴和指导。
二、微透镜阵列的设计微透镜阵列的设计是制造高质量成像系统的关键步骤。
微透镜阵列的设计涉及多个方面，包括透镜形状、尺寸、焦距、填充因子以及阵列的整体布局。
透镜的形状是设计的核心。
常见的微透镜形状有球面、非球面和柱面。
选择合适的形状可以优化成像质量和系统性能。
例如，非球面透镜能够减少像差，提高成像的清晰度。
透镜的尺寸和焦距决定了成像系统的放大倍数和视场。
设计过程中，需要根据实际应用场景确定合适的尺寸和焦距。
例如，在需要高分辨率成像的应用中，可能需要更小的透镜尺寸和更短的焦距。
填充因子也是设计中的重要参数。
填充因子指的是透镜占据其单元格的比例。
较高的填充因子可以提高成像系统的光利用率，但也会增加制造的难度。
用于短波红外探测器的微透镜阵列制作
⽤于短波红外探测器的微透镜阵列制作摘要：采⽤光刻胶热熔法制作具有特定尺⼨的微透镜，制作的微透镜能将微透镜阵列技术应⽤于短波1µm~3µm红外探测器中，有效地提⾼探测器件的光电性能。
采⽤AZ P4620厚光刻胶，利⽤紫外光刻技术，对透镜制作中的前烘、曝光和显影、坚膜、热熔等⼯艺进⾏了深⼊细致的实验研究，确定了最优的⼯艺参数，实现了球冠直径在(5.5±0.5)µm，曲率半径3µm 的微透镜，且透镜有很好的均匀性和⼀致性，满⾜近红外探测器件的要求。
关键词：微透镜阵列；光刻胶热熔法；前烘；热熔1.引⾔随着科技的进步，当今社会的仪器和设备都向光、机、电集成的⽬标发展。
由于传统⽅法制造出来的光学元件⼯艺复杂、重量⼤且元件尺⼨⼤，因此很难满⾜当今社会的需求。
直径超⼩的透镜与透镜阵列成为了新的研究⽅向，这种透镜与透镜阵列具有体积⼩、重量轻、便于集成化、阵列化等优点，被⼴泛应⽤于光束整形、光学器件互连、三维成像增强等领域[1]。
若将微透镜阵列应⽤于红外探测器件可以实现在不增加器件噪声的前提下，增加器件的等效光敏⾯积，从⽽实现探测器件性能的提升。
针对近红外波段的探测器件，根据探测波长范围和微透镜材料特性，需要制作特定尺⼨的微透镜阵列，来满⾜⼯作在1µm～3µm 波段的探测器件的需求。
⽬前，制作微透镜阵列的⽅法有离⼦交换法[2]、光刻胶热熔法[3]、光电反应刻蚀法[4]、聚焦离⼦束刻蚀与沉积法[5]、化学⽓相沉积法[6]等。
此外，⽂献[7]采⽤⼆维胶体球阵列在⽓-液界⾯形成⼀种薄膜结构，将这种结构转移到固体表⾯，由于胶体球之间的强吸引⼒使胶体球颗粒聚集，⾃发形成⼆维阵列结构。
⽂献 [8]提出胶体颗粒⾃组装法，实现了微透镜阵列，但制作的微透镜阵列形貌均匀性差，且成本⾼。
⽂献[9]提出⼀种新的光敏玻璃热成型法，该⽅法⽤紫外辐射曝光来调制光敏玻璃材料，将材料加热到软化点，使材料发⽣膨胀，然后对光敏玻璃两侧施加压⼒，实现透镜阵列；但该⽅法采⽤曲⾯基底，需超精密加⼯⽅法制作，虽然具有很强优势，但是制作的透镜尺⼨较⼤且成本较⾼。
一种微透镜阵列结构的制作方法[发明专利]
![一种微透镜阵列结构的制作方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s1/m/b846e404f011f18583d049649b6648d7c0c70862.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202110130343.X(22)申请日 2021.01.29(71)申请人 中国科学技术大学地址 230026 安徽省合肥市包河区金寨路96号(72)发明人 温晓镭 胡欢 (74)专利代理机构 北京科迪生专利代理有限责任公司 11251代理人 江亚平(51)Int.Cl.G02B 3/00(2006.01)(54)发明名称一种微透镜阵列结构的制作方法(57)摘要本发明一种微透镜阵列结构的制作方法，使用氦离子产生设备的氦离子束对基片进行局部注入，利用氦离子注入引起的晶格膨胀效应，通过改变氦离子束在基片表面的指定区域的照射范围、氦离子束停留时间以及氦离子束能量，控制氦离子注入剂量和注入区域，从而精准控制隆起的形状、高度和尺寸，形成凸型微透镜阵列结构。
本发明步骤简单、加工效率高，一次成型不需额外加工模板，所获得的透镜曲面圆滑立体，并且工艺参数可精确调控，加工精度可达纳米级别，对于指定结构参数的微透镜阵列具有良好的加工适应性，由此解决了现有技术步骤复杂、工艺参数难以控制、需额外加工模板、加工精度受限、透镜曲面不圆滑的问题。
权利要求书1页 说明书3页 附图2页CN 112684523 A 2021.04.20C N 112684523A1.一种微透镜阵列结构的制作方法，其特征在于，采用以下技术方案：使用氦离子产生设备的氦离子束对基片进行局部注入，利用氦离子注入引起的晶格膨胀效应，通过改变氦离子束在基片表面的指定区域的照射范围、氦离子束停留时间以及氦离子束能量，控制氦离子注入剂量和注入区域，从而精准控制隆起的形状、高度和尺寸，形成凸型微透镜阵列结构。
2.根据权利要求1所述的一种微透镜阵列结构的制作方法，其特征在于，对所述基片表面进行清洗，并氮气吹干或烘干。
3.根据权利要求1所述的一种微透镜阵列结构的制作方法，其特征在于，将清洗过的基片放入氦离子产生设备中，根据所需加工的微透镜结构的形状、尺寸、排列方式或其他几何参数在基片的指定区域绘制加工图形，并设置相应参数；所述参数为氦离子束能量、照射剂量、注入区域。
自写物入光波导聚合微透镜阵列的设计与制作
第38卷 第3期中 国 激 光V ol.38,N o.3 2011年3月CHINESE JO URNAL OF LASERS March,2011自写入光波导聚合物微透镜阵列的设计与制作1,3 陈四海2 赖建军2 周一帆2 高益庆1,3李 凤1南京航空航天大学自动化学院,江苏南京2100162华中科技大学光电子科学与工程学院武汉光电国家实验室,湖北武汉4300743南昌航空大学测试与光电工程学院,江西南昌330063摘要 利用聚合物SU 8光刻胶在激光作用下折射率会发生变化的特点,将其作为最后的光学材料,采用光刻胶热熔法和图形转移法,设计并制作了填充因子接近0.75、自写入光波导、六角排列的微透镜阵列。
对阵列的表面形态、三维结构和光学性能分别进行了观察、测试与分析,发现用SU 8胶制作的微透镜阵列外观良好,边缘清晰;自写入光波导微透镜阵列的三维结构良好;波导末梢的光点分布均匀,光强一致性高。
这种自写入光波导的微透镜阵列降低了透镜阵列与探测阵列精确装配的难度,而且其制作工艺流程简单、成本低廉、适合批量复制,这种阵列元件还有质量轻、体积小的特点,有很广的应用前景。
关键词 光学器件;微光学元件;聚合物微透镜阵列;光刻胶热熔法;SU 8胶;自写入中图分类号 O439 文献标识码 A do i:10.3788/CJL201138.0310003Design and Fabrication of Polyme r Microle ns Array withSelf Written WaveguideLi Feng1,3 Chen Sihai2 Lai Jianjun2 Zhou Yifan2 Gao Yiqing1,31College of Au tom a tion En gin eer in g,Nan jin g Un iver sity of Aer ona ut ics a nd Ast r ona ut ics,Na njin g,Jia n gsu210016,Chin a2Wuha n Nat iona l La bor a tor y f or Optoelectr on ics,College of Optoelectr on ic Scien ce a nd En gineer ing,Hu azhon g Un iver sity of S cience an d T echnology,Wu han,Hu bei430074,Chin a3School of Measur in g an d Optical Engin eer in g,N an cha n g Ha n gkon g Un iver sity,Na n cha ng,J ian gxi330063,Chin aAbstract Polymer microlens array with self written waveguides is fabricated with SU 8material whic h is a kind of epoxy based photoresist.Melting photoresist and im age transferring are em ployed to fa bricate the m icrolens array.Because of the melting and attendant expanding process of the photoresist,the actual fill factor of the array exc eeds the design one,which is0.749.SU 8photoresist and glass substrate are separated by a layer of polydimethylsiloxane (PD MS)due to the strong bonding force between them.With the good separation effec t of PDMS film,UV cured SU 8microlens array is obtained without mechanical damage.Profile,performance of the light spots at the end of the self written waveguides and their uniformity are observed and tested.I t is c oncluded that the SU 8mic rolens array with self written waveguides is fine,it images the filament of the m etallographic mic roscope well and its light spots at the end of the waveguide are of high uniformity.By using this polymer microlens a rray,the assembling between the m icrolens array and detector array is expected to be achieved easily.This polymer microlens array has great potentiala pplications in many optoelectronic devices.Key words optical devices;mc iro optica l element;polym er mcirolens array;melting photoresist;SU 8 photoresist;self writtenOCIS co des 160.4670;230.3990;130.3990收稿日期:2010 09 07;收到修改稿日期:2010 11 22基金项目:国家自然科学基金(61072131)、新世纪优秀人才计划(N CET 07 0319)和南昌航空大学科研基金(EC200908228)资助课题。
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f = R μ- 1
2
涂好光刻胶的基片经圆形阵列掩模板曝光并显 影后 , 便形成了圆柱阵列的周期结构 。为制得球冠 结构的微透镜阵列 , 就要把光刻胶加热至熔融状 态 , 此时光刻胶变成了液态并可以流动 , 在其表面 张力的作用下便形成了球冠结构的微透镜阵列 。 由于光刻胶是非晶态聚合物 , 是含有多种化学 成分的混合物 , 因此其熔点并不是唯一确定的温 度 , 而是一个温度范围 , 即在该温度范围内的某种 光刻胶都会处于液态 。而且对于不同种类的光刻 胶 , 其处于熔化状态的温度范围也不一样 。例如 ,
第 29 卷第 4 期 2 0 0 6年 1 2 月
长春理工大学学报
Journal of Changchun University of Science and Technology
Vo l129 No 14 D e c. 2 0 0 6
微透镜阵列的光刻胶热熔制作技术
任智斌 , 朱丽思 , 曾皓 , 姜会林
[ 10 ] [6 - 8]
、光刻胶热熔法
、
光电 反 应 刻 蚀 法
[ 11 ]
、聚 焦 离 子 束 刻 蚀 与 沉 积
[ 12 ]
、化学气象沉积法
等方法 。由于光刻胶热
收稿日期 : 2006 - 08 - 20 基金项目 : 吉林省科技发展计划资助项目 ( 20060523) 作者简介 : 任智斌 ( 1976 - ) , 男 , 长春市人 , 博士后 , 研究方向为衍射光学与光学系统设计 , E - mail: ren_ zb@ yahoo1 com 1 cn 。
熔化状态的光刻胶的表面张力与温度有直接的 关系 , 而表面张力又直接影响到微透镜阵列的形 状 , 所以采用恒温加热 、逐渐升温式加热以及跳跃 式升温加热方法所获得的结果是有很大差别的 。 然而 , 并非具有任意高度 (即涂胶厚度 ) 的 圆柱阵列都能通过热熔的方法制成微透镜阵列 , 当 μm 时 , 制作失败 圆柱高度 (即涂胶厚度 ) 超过 20 μm 时 , 就根本 的机率就较高 , 当圆柱高度达到 40 无法制作出来 。由于光刻胶中含有氮萘醌成分 , 它 在曝光过程中将释放出氮气 。涂胶厚度越大 , 所需 曝光时间越长 , 产生的氮气就越多 , 其中很大一部 分氮气附着在未曝光的光刻胶表面并形成泡沫 , 还 有一部分氮气渗透入未曝光的光刻胶中 。在加热的 过程中 , 由于氮气受热膨胀 , 就会使光刻胶变形 。 当涂胶厚度小时 , 由于曝光时间短 , 其中含有的氮 气也少 , 而且由于光刻胶厚度薄 , 氮气受热后容易 散发出去 , 因而微透镜阵列不会遭到破坏 ; 相反 , μm 时 ) , 由于曝光时间长 , 涂胶厚度较大 (超过 20 其中含有的氮气也较多 , 而且由于光刻胶厚度大 , 氮气受热后不易散发出去 , 大量的氮气气泡受热膨 胀 , 就会使微透镜阵列遭到破坏 , 因而很难制作出 球冠高度过高的微透镜阵列 。 本文利用光刻胶热熔技术 , 在 K9 玻璃基底上 μm 的 AZ1805 型正性光刻胶材 制作出了周期为 20
Abstract: The technique of fabrication of m icrolens array by means of m elting photoresist is introduced in this paper . Its p rincip le, techniques p rocess and critical techniques are illustrated and some experi2 m ental results are p resented in this paper . The results show that the technology of melting photoresist is a sim p le and p ractical technology of fabricating m icrolens array . The results of this paper could p rovide ref2 erences for the further study of m icrolens array and its industrialization. Key words: M icrolens array; M elting photoresist; Reactive ion beam etching
第 4期
任智斌 , 等 : 微透镜阵列的光刻胶热熔制作技术
13
其中 , n 为光刻胶的折射率 , 例如 Ship ley 公 司生产的 AZ1805 型正性光刻胶在可见光波段折射 μm。因此 , 微透镜的 F 数仅与接触 率 n 约为 1164 θ 角θ 有关 , 且 F 数与 sin 成反比 。 在制作过程中 , 由于显影过程会损失一部分未 曝光的光刻并且光刻胶在加热过程中也将挥发一部
( 1)
制作此微透镜阵列所需涂胶的厚度 t,
2 4h ( R -
h
t =
3
)
kD
2
113 光刻胶热熔
即在所需制作的参数 ( D、 T ) 及掩模板确定的前 提下 , 涂胶厚度是唯一确定的 , 可由公式 ( 1 ) 计 算 。透镜的焦距可由公式 ( 2 ) 求出 , 其中 μ为光 刻胶的折射率 。
、光学器件互连
[3]
、三维成像
[4]
等领域 。
[9]
阵列的掩模下进行紫外曝光 , 显影后便得到圆柱阵 列光刻胶结构 , 将光刻胶加热至熔融状态 , 其表面 张力将圆柱形结构转变成光滑的球冠状结构 , 这样 便得到了光刻胶构成的微透镜阵列 。 制作微透镜阵列之前 , 要根据现有的条件及要
目前 , 用 于 制 作 微 透 镜 阵 列 的 方 法 有 离 子 交 换 、光敏玻璃热成形法
图 2 光刻胶熔化前后的体积关系
F ig 12 The re la tio n o f the vo lum e o f p ho to re s is t be fo re a nd a fte r m e lting
μm。由公式 ( 1 ) 可计算出所需涂胶的厚度为 125 μm。如果 基 片 的 涂 胶 厚 度 不 均 匀 且 存 在 ± 6144 μm 的误差 , 则会导致微透镜阵列的球冠高度 0125 μm 的误差 、曲率半径将产生 1112 μm 的 产生 0196 μm 的误差 。 误差 、透镜焦距将产生 1715
DQN 型光刻胶处于熔化状态的温度范围是 70 ℃ 到 110 ℃, 对于 AZ4620 /AZ4562 型光刻胶则是 100 ℃
( 2)
同时可得到如下的参数关系 :
R = h +d 2h
2
4
( 3) ( 4) ( 5)
θ= d sin 2R
F
#
=
f R 1 = = ( n - 1) d θ d 2 ( n - 1 ) sin
图 1 微透镜阵列制作工艺流程
F ig 11 Fa b rica tio n se que nce o f the m ic ro le n s a rra y
分 , 这样就使得圆柱体阵列的体积减小 , 因此 k 一 般可取 018 左右 , 但 k 的精确数值则要由具体的实 验环境和实验设备决定 。
21 Institu te of O pto - E lectron ics Infor m a tion, Changchun U n iversity of S cience and Technology, J ilin Changchun 130012; 31 Institu te of O pto - E lectron ics Eng ineering, Changchun U n iversity of S cience and Technology, J ilin Changchun 130022 )
Fabr ica tion Technology of M icrolen s Array by M eltin g Photoresist
REN Zhibin , ZHU L isi , ZENG Hao , J I ANG Huilin
1 2 3 1
Байду номын сангаас
( 11 Institu te of S pace O ptica l E lectron ic Technology, Changchun U n iversity of S cience and Technology, J ilin Changchun 130022;
14
长春理工大学学报
2006 年
到 140 ℃, AZ1805 型 正 性 光 刻 胶 的 温 度 范 围 是
160 ℃ 到 180 ℃。
精度高且稳定可靠的技术 , 下面主要对此技术进行 研究 。 离子束刻蚀技术是指用具有能量单色性很强及 一定密度的大面积 、准直均匀离子束发射到材料表 面 , 通过离子撞击表面原子与材料原子间的级联碰 撞过程 , 离子将其携带的动量 (能量 ) 转移给材 料原子 , 打破原子间的结合并产生活化原子的动量 矢量反转 , 形成材料原子的物理溅射 , 从而使材料 被蚀去一定的厚度的过程 。 然而 , 由于光刻胶与石英基片的刻蚀速率不 同 , 刻蚀后微透镜阵列的面形与光刻胶微透镜阵列 的面形有很大的差别 。为使光刻胶与石英基片具有 相同的刻蚀速率 , 可以采用反应离子刻蚀法 , 即在 刻蚀过程中加入反应气体 , 通过控制气体与石英基 片及光刻胶的反应来达到相同的刻蚀速率 。例如 , 加入氟化物气体会增大石英基片的刻蚀速率 , 加入 氧气会增大光刻胶的刻蚀速率 。 另外 , 由于利用光刻胶热熔法制作的微透镜阵 列存在球差 , 而且相对孔径较大 , 通过加入不同的 反应气体并调节气体的浓度可以减小球差并制作出 相对孔径较小的微透镜阵列 , 甚至还可以制作出非 球面结构的微透镜阵列 。 本文利用反应离子刻蚀技术对图 3 所示的光刻 胶微透镜阵列进行刻蚀实验 , 经过充分的刻蚀 , 便 可在将微透镜阵列面型转移到玻璃基底上 , 如图 4 所示 。
2
涂好光刻胶的基片经圆形阵列掩模板曝光并显 影后 , 便形成了圆柱阵列的周期结构 。为制得球冠 结构的微透镜阵列 , 就要把光刻胶加热至熔融状 态 , 此时光刻胶变成了液态并可以流动 , 在其表面 张力的作用下便形成了球冠结构的微透镜阵列 。 由于光刻胶是非晶态聚合物 , 是含有多种化学 成分的混合物 , 因此其熔点并不是唯一确定的温 度 , 而是一个温度范围 , 即在该温度范围内的某种 光刻胶都会处于液态 。而且对于不同种类的光刻 胶 , 其处于熔化状态的温度范围也不一样 。例如 ,
第 29 卷第 4 期 2 0 0 6年 1 2 月
长春理工大学学报
Journal of Changchun University of Science and Technology
Vo l129 No 14 D e c. 2 0 0 6
微透镜阵列的光刻胶热熔制作技术
任智斌 , 朱丽思 , 曾皓 , 姜会林
[ 10 ] [6 - 8]
、光刻胶热熔法
、
光电 反 应 刻 蚀 法
[ 11 ]
、聚 焦 离 子 束 刻 蚀 与 沉 积
[ 12 ]
、化学气象沉积法
等方法 。由于光刻胶热
收稿日期 : 2006 - 08 - 20 基金项目 : 吉林省科技发展计划资助项目 ( 20060523) 作者简介 : 任智斌 ( 1976 - ) , 男 , 长春市人 , 博士后 , 研究方向为衍射光学与光学系统设计 , E - mail: ren_ zb@ yahoo1 com 1 cn 。
熔化状态的光刻胶的表面张力与温度有直接的 关系 , 而表面张力又直接影响到微透镜阵列的形 状 , 所以采用恒温加热 、逐渐升温式加热以及跳跃 式升温加热方法所获得的结果是有很大差别的 。 然而 , 并非具有任意高度 (即涂胶厚度 ) 的 圆柱阵列都能通过热熔的方法制成微透镜阵列 , 当 μm 时 , 制作失败 圆柱高度 (即涂胶厚度 ) 超过 20 μm 时 , 就根本 的机率就较高 , 当圆柱高度达到 40 无法制作出来 。由于光刻胶中含有氮萘醌成分 , 它 在曝光过程中将释放出氮气 。涂胶厚度越大 , 所需 曝光时间越长 , 产生的氮气就越多 , 其中很大一部 分氮气附着在未曝光的光刻胶表面并形成泡沫 , 还 有一部分氮气渗透入未曝光的光刻胶中 。在加热的 过程中 , 由于氮气受热膨胀 , 就会使光刻胶变形 。 当涂胶厚度小时 , 由于曝光时间短 , 其中含有的氮 气也少 , 而且由于光刻胶厚度薄 , 氮气受热后容易 散发出去 , 因而微透镜阵列不会遭到破坏 ; 相反 , μm 时 ) , 由于曝光时间长 , 涂胶厚度较大 (超过 20 其中含有的氮气也较多 , 而且由于光刻胶厚度大 , 氮气受热后不易散发出去 , 大量的氮气气泡受热膨 胀 , 就会使微透镜阵列遭到破坏 , 因而很难制作出 球冠高度过高的微透镜阵列 。 本文利用光刻胶热熔技术 , 在 K9 玻璃基底上 μm 的 AZ1805 型正性光刻胶材 制作出了周期为 20
Abstract: The technique of fabrication of m icrolens array by means of m elting photoresist is introduced in this paper . Its p rincip le, techniques p rocess and critical techniques are illustrated and some experi2 m ental results are p resented in this paper . The results show that the technology of melting photoresist is a sim p le and p ractical technology of fabricating m icrolens array . The results of this paper could p rovide ref2 erences for the further study of m icrolens array and its industrialization. Key words: M icrolens array; M elting photoresist; Reactive ion beam etching
第 4期
任智斌 , 等 : 微透镜阵列的光刻胶热熔制作技术
13
其中 , n 为光刻胶的折射率 , 例如 Ship ley 公 司生产的 AZ1805 型正性光刻胶在可见光波段折射 μm。因此 , 微透镜的 F 数仅与接触 率 n 约为 1164 θ 角θ 有关 , 且 F 数与 sin 成反比 。 在制作过程中 , 由于显影过程会损失一部分未 曝光的光刻并且光刻胶在加热过程中也将挥发一部
( 1)
制作此微透镜阵列所需涂胶的厚度 t,
2 4h ( R -
h
t =
3
)
kD
2
113 光刻胶热熔
即在所需制作的参数 ( D、 T ) 及掩模板确定的前 提下 , 涂胶厚度是唯一确定的 , 可由公式 ( 1 ) 计 算 。透镜的焦距可由公式 ( 2 ) 求出 , 其中 μ为光 刻胶的折射率 。
、光学器件互连
[3]
、三维成像
[4]
等领域 。
[9]
阵列的掩模下进行紫外曝光 , 显影后便得到圆柱阵 列光刻胶结构 , 将光刻胶加热至熔融状态 , 其表面 张力将圆柱形结构转变成光滑的球冠状结构 , 这样 便得到了光刻胶构成的微透镜阵列 。 制作微透镜阵列之前 , 要根据现有的条件及要
目前 , 用 于 制 作 微 透 镜 阵 列 的 方 法 有 离 子 交 换 、光敏玻璃热成形法
图 2 光刻胶熔化前后的体积关系
F ig 12 The re la tio n o f the vo lum e o f p ho to re s is t be fo re a nd a fte r m e lting
μm。由公式 ( 1 ) 可计算出所需涂胶的厚度为 125 μm。如果 基 片 的 涂 胶 厚 度 不 均 匀 且 存 在 ± 6144 μm 的误差 , 则会导致微透镜阵列的球冠高度 0125 μm 的误差 、曲率半径将产生 1112 μm 的 产生 0196 μm 的误差 。 误差 、透镜焦距将产生 1715
DQN 型光刻胶处于熔化状态的温度范围是 70 ℃ 到 110 ℃, 对于 AZ4620 /AZ4562 型光刻胶则是 100 ℃
( 2)
同时可得到如下的参数关系 :
R = h +d 2h
2
4
( 3) ( 4) ( 5)
θ= d sin 2R
F
#
=
f R 1 = = ( n - 1) d θ d 2 ( n - 1 ) sin
图 1 微透镜阵列制作工艺流程
F ig 11 Fa b rica tio n se que nce o f the m ic ro le n s a rra y
分 , 这样就使得圆柱体阵列的体积减小 , 因此 k 一 般可取 018 左右 , 但 k 的精确数值则要由具体的实 验环境和实验设备决定 。
21 Institu te of O pto - E lectron ics Infor m a tion, Changchun U n iversity of S cience and Technology, J ilin Changchun 130012; 31 Institu te of O pto - E lectron ics Eng ineering, Changchun U n iversity of S cience and Technology, J ilin Changchun 130022 )
Fabr ica tion Technology of M icrolen s Array by M eltin g Photoresist
REN Zhibin , ZHU L isi , ZENG Hao , J I ANG Huilin
1 2 3 1
Байду номын сангаас
( 11 Institu te of S pace O ptica l E lectron ic Technology, Changchun U n iversity of S cience and Technology, J ilin Changchun 130022;
14
长春理工大学学报
2006 年
到 140 ℃, AZ1805 型 正 性 光 刻 胶 的 温 度 范 围 是
160 ℃ 到 180 ℃。
精度高且稳定可靠的技术 , 下面主要对此技术进行 研究 。 离子束刻蚀技术是指用具有能量单色性很强及 一定密度的大面积 、准直均匀离子束发射到材料表 面 , 通过离子撞击表面原子与材料原子间的级联碰 撞过程 , 离子将其携带的动量 (能量 ) 转移给材 料原子 , 打破原子间的结合并产生活化原子的动量 矢量反转 , 形成材料原子的物理溅射 , 从而使材料 被蚀去一定的厚度的过程 。 然而 , 由于光刻胶与石英基片的刻蚀速率不 同 , 刻蚀后微透镜阵列的面形与光刻胶微透镜阵列 的面形有很大的差别 。为使光刻胶与石英基片具有 相同的刻蚀速率 , 可以采用反应离子刻蚀法 , 即在 刻蚀过程中加入反应气体 , 通过控制气体与石英基 片及光刻胶的反应来达到相同的刻蚀速率 。例如 , 加入氟化物气体会增大石英基片的刻蚀速率 , 加入 氧气会增大光刻胶的刻蚀速率 。 另外 , 由于利用光刻胶热熔法制作的微透镜阵 列存在球差 , 而且相对孔径较大 , 通过加入不同的 反应气体并调节气体的浓度可以减小球差并制作出 相对孔径较小的微透镜阵列 , 甚至还可以制作出非 球面结构的微透镜阵列 。 本文利用反应离子刻蚀技术对图 3 所示的光刻 胶微透镜阵列进行刻蚀实验 , 经过充分的刻蚀 , 便 可在将微透镜阵列面型转移到玻璃基底上 , 如图 4 所示 。