一種亞波長結構平凸微透鏡陣列的製作工藝的製作方法
2023-05-22 12:55:01
本發明屬於微納光學以及光束整形，特別涉及微透鏡的加工製作工藝，具體為一種亞波長結構平凸微透鏡陣列的製作工藝。
背景技術：
透鏡是一種非常重要的光學元件，它屬於被動光學元件，在光學系統中用來會聚、發散光輻射。通常的透鏡體積比較大，人眼能看得到。隨著科學技術的進步，儀器設備已朝著光、機、電集成的趨勢發展。利用傳統方法製造出來的光學元件不僅製造工藝複雜，而且製造出來的光學元件尺寸大、重量大，已不能滿足當今科技發展的需要。目前，已經能夠製作出直徑非常小的透鏡與透鏡陣列，這種透鏡與透鏡陣列通常是不能被人眼識別的，只有用顯微鏡、掃描電鏡、原子力顯微鏡等設備才能觀察到，這就是微透鏡。微透鏡陣列具有尺寸小，質量輕，便於集成化和陣列化等優點，由通光孔徑及浮雕深度為微米級的透鏡組成，它不僅具有傳統透鏡的聚焦、成像等基本功能，而且具有單元尺寸小、集成度高的特點，使得它能夠完成傳統光學元件無法完成的功能，並能構成許多新型的光學系統。作為功能元件，更密集的微透鏡單元會加強各光通道之間的幹涉效應，並且更小的透鏡單元孔徑會使光通道內光能量的衍射效應變得明顯，最終會影響到光學系統的均束效果，因此微透鏡陣列在波前傳感、光聚能、光整形等多種系統得到廣泛應用。
光刻膠熱回流法(熔融光刻膠法)是Poporie於1988年提出的，整個工藝過程可以分為三步：1、對基板上的光刻膠在掩模的遮蔽下進行曝光，曝光圖案呈圓形，矩形或正六邊形；2、對曝光後的光刻膠進行顯影並清洗殘餘物質；3、放置於加熱平臺上，熱熔成型。由於這種方法具有工藝簡單，對材料和設備的要求較低，工藝參數穩定且易於控制，複製容易等優點，被廣泛地用於微透鏡陣列的製作當中。然而利用這種技術製作的微透鏡陣列也存在諸多缺點：1、由於光刻膠對於基板材料存在浸潤現象，當光刻膠在熔融狀態時與基板的附著力是一定的，那麼當熔融光刻膠最終成型以後微透鏡球面輪廓與基板之間存在浸潤角，使微透鏡的邊緣存在一定的曲率，而中間部分下陷；2、一般情況下微透鏡陣列的填充因子不會超過80％，而且光刻膠在熔化後容易粘連，相鄰的熔融光刻膠一旦接觸後，不會形成透鏡的面形，由於填充因子不高，使入射的光不能充分利用，並且會引起背景噪聲；3、由於光刻膠本身的機械性能和化學性能比較差，光學性能也不高，不適於作為最終的微透鏡或其他微結構的材料。
公告號為CN104614936A的專利文件中公開了《一種微透鏡陣列的製作方法》，利用光刻膠熱回流法，加熱回流負性光刻膠層，基於設計好的圖形、利用曝光工藝實現微透鏡的平面結構，通過使用負性光刻膠加熱回流來製作微透鏡陣列，由於負膠顯影后圖形有漲縮，導致顯影效果變形，不能使透鏡保持良好的球狀形貌，並且採用在該專利文獻製作出的微透鏡曲率半徑為640μm，遠不能滿足小型化，微型化的要求。
公告號為CN104423177A的專利文件中公開了《微透鏡製作方法》，利用光刻膠回流法，形成一微透鏡材料與基板；放置一光掩模於微透鏡材料上方，利用一光束透過上述光掩模板照射於上述微透鏡材料上進行一曝光工藝，之後對微透鏡材料進行顯影，回流工藝形成微透鏡陣列。由於掩模板結構的限制，製作出的微透鏡陣列呈現兩種規格透鏡結構，它們大小不同，形狀不一，呈規則排列。這個發明充分利用了微透鏡單元之間的間隙，提高微透鏡材料的使用率，但這種結構的微透鏡陣列設計，並沒有實現光束準直和提高光功率耦合增強。
技術實現要素：
針對上述存在問題或不足，本發明提供了一種亞波長結構平凸微透鏡陣列的製作工藝，是基於光刻膠熱回流法改進，通過對正性光刻膠材料曝光、顯影、刻蝕以及精確計算工藝時長來實現對微透鏡形貌的有效控制，在微透鏡基片上製作出曲率半徑更小的、更加密集的微透鏡陣列，進而實現微透鏡光束準直和光功率耦合增強。
本發明技術方案為，一種亞波長結構平凸微透鏡陣列的製作工藝：
步驟1、清洗微透鏡基片；
步驟2、為增強基片的對光刻膠的額粘附性，對其進行預處理即即在基片絕緣面塗覆一層有機化合物的粘結助劑；
步驟3、依據光刻膠的折射率和所需設計微透鏡的尺寸，計算得到光刻膠的厚度，進而旋塗正性光刻膠；
步驟4、利用紫外曝光設備對基片進行曝光，全曝光直到光刻膠變形，呈現出微透鏡陣列；曝光採用與所需設計微透鏡相匹配的掩膜版；
步驟5、熱熔成型，加熱使得步驟4所得光刻膠微透鏡陣列由圓柱形結構變為球冠結構；
步驟6、將步驟5得到的光刻膠微透鏡陣列形狀往下刻蝕轉移到基片上，採用反應離子刻蝕RIE或感應耦合離子刻蝕ICP，最終得到所需微透鏡陣列。
本發明是基於光刻膠回流法改進的微透鏡製作工藝，主要是包括：清洗、預處理、塗膠、光刻顯影、熱熔成型等工藝。
進一步的，所述基片為矽片，石英或鍍氧化銦錫石英(ITO)。
進一步的，所述的正性光刻膠材料為AZ4620、AZ1500、AZ GXR601或AZ9260正性光刻膠材料。
進一步的，所述有機化合物的粘結助劑為HDMS。
本發明將可以實現光束合成的微納結構設計與微透鏡的製作工藝結合起來，改進微透鏡設計工藝，製作出一種曲率半徑小、密集度高的微透鏡陣列。這樣的設計增強了光源的輸出功率，且實現了對光源的聚焦和準直。
綜上所述，本發明具有體積小、結構簡單、製作工藝成熟和實驗重複性好等優點，且能夠增強光源的輸出功率、實現對光源的聚焦、準直。
附圖說明
圖1為光刻膠熱熔前後側面尺寸形貌結構示意圖；
圖2a為實施例圖形轉移示意圖，上面部分為光刻膠，下面部分為ITO玻璃；圖2b為實施例的SEM照片，圖上黑條為臺階儀掃描路徑；圖2c為實施例的臺階儀測試結果；
圖3為加載實施例的微透鏡陣列前後輸出電流-功率曲線對比。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細說明。
1)清洗
製作前對微透鏡基片(ITO玻璃)進行清洗，以去除表面的雜質，油漬等汙染物。本實施例中，我們先將ITO玻璃按照先後順序分別在丙酮溶液，無水乙醇，去離子水中各超聲15分鐘。最後用氮氣槍將ITO玻璃基底吹乾，備用。
2)預處理
清洗完畢後，對ITO基底進行了預處理，即在ITO玻璃絕緣面塗覆一層HDMS(Hexamethyldisilazane，中文名：六甲基二矽胺)，其功效為增加塗膠過程中光刻膠的粘附性。
3)塗膠
設計微透鏡陣列的高度為20μm，直徑為120μm，半球曲率半徑105μm。根據這個高度，採用AZ4620正性光刻厚膠，並利用勻膠機將光刻膠旋塗在ITO玻璃絕緣面基底上。在塗膠之前，計算得到其所需的塗膠厚度10μm。將勻膠機參數設定為先在600rad/s轉速下維持3s將AZ4620光刻膠均攤開，然後採用2000rad/s轉速下旋轉45s將光刻膠旋塗至10μm。
4)光刻及顯影
利用KarlSuss MA6紫外光刻機在掩膜版下對旋塗了AZ4620光刻膠的ITO玻璃基底進行曝光，掩膜版與所需設計微透鏡相匹配。未被掩膜版遮光部分由於受到紫外光照射，導致光刻膠變性。接下來，我們將曝光後的基底放入顯影液中，顯影液為TMAH(Tetramethylammonium Hydroxide，中文名：四甲基氫氧化銨)與水1:8的比例配製，通過在顯影液中浸泡2min，使感光部分的變性光刻膠徹底溶解。顯影完成後，繼續在100°下烘烤5min以固化光刻膠。為了驗證上述實驗工藝達到之前的設計標準，我們利用了臺階儀測試了烘烤後的ITO玻璃基底，測試得到結果，圓柱光刻膠陣列直徑為120μm，高度為12μm。
5)熱熔成型
AZ4620光刻膠熔點在100℃-140℃，為了利用膠體表面張力將光刻膠由圓柱形結構變為球冠結構。本實施例通過將上述圓柱光刻膠陣列放置在140℃熱板上加熱10min。得到光刻膠微透鏡陣列，使用臺階儀測試結果，如圖2c所示可以看到形貌大小均一，球冠曲面弧度良好，並且通過臺階儀測試結果得出，微透鏡高度為12um，直徑為120um。
6)轉移刻蝕
將步驟5)得到的光刻膠微透鏡陣列形狀往下刻蝕轉移到ITO玻璃上，從而形成玻璃微透鏡陣列。由於傳統的離子束刻蝕在製作上述微透鏡陣列圖形結構時，其刻蝕過程中會產生再沉積等二次效應問題，從而影響到最終微透鏡陣列形貌，本實施例採用反應離子刻蝕(Reactive Ion Etching)的方法進行微透鏡陣列刻蝕工藝。
實施例中，我們利用反應離子體刻蝕系統(其型號為Oxford PlasmaPro NGP80RIE)進行工藝。由於ITO玻璃刻蝕過程中的主要通過與F-離子產生化學反應去除，而光刻膠刻蝕過程中則依賴與O2反應，於是刻蝕過程中選用CHF3和O2作為刻蝕氣體。為了使光刻膠微透鏡1:1完美轉移到ITO玻璃上，需要控制圖形轉移過程中的刻蝕比，即光刻膠刻蝕速率與ITO玻璃刻蝕速率的比值，關鍵通過控制CHF3和O2比例來達到要求，本實施例在CHF3和O2流量分別為22sccm和3sccm，腔內壓強保持在30mTorr，且反應離子束刻蝕系統射頻功率設為200W時，此時刻蝕比最接近1且刻蝕速率相對較高。最終在ITO玻璃絕緣面上得到了微透鏡陣列，其直徑為120μm，高度為12μm。微透鏡雖然高度稍有偏差，但直徑基本達到了理論設計計算的要求尺寸。
本實施例製備得到的微透鏡陣列如圖2所示，其透鏡的直徑大小為120um，高度為12um，製備的微透鏡陣列滿足小型化、微型化的基本要求。為了驗證該微透鏡的光速準直和光功率耦合增強效果，實驗測試比較在相同電壓，電流源的輸入情況下，有無覆蓋微透鏡陣列的氧化鋅納米線材料的發光功率的影響。通過實驗測量，對比電流-功率曲線，測試得到加載微透鏡陣列的納米線結構發光功率增強了將近一倍、最大達到253uw，實驗測試結果如圖3所示。由此可見本發明設計的微透鏡陣列，能實現光束準直，並能很好的實現光功率耦合增強。