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硅基非球面柱面微透镜阵列制备方法.docx
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2023-02-23
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硅基非球面柱面微透镜阵列制备方法.docx
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0. 引 言
非球面柱面微透镜可以通过调整曲面常数和非球面系数来修正球面透镜
[1]
在准直、聚
焦匀化系统中所带来的球差
[2-3]
,在提升光学性能的同时减小光电系统的体积。目前在光学
仪器、图像、光电子工业等方向得到了广泛的应用。
数值孔径是非球面柱面微透镜的重要指标参数之一,提高其数值孔径
[4-5]
对于减小光电
系统体积、提高系统集成度具有非常重要的意义。传统的非球面柱面透镜通常使用石英或
玻璃基底。在红外波段,石英或玻璃基底非球面柱面透镜的数值孔径根据计算理论值小于
1.45。对于玻璃基底非球面透镜,通常制作方法是在高温下利用超精密加工模具将玻璃模
压成型
[6]
,受限于模具超精密加工刀具的尺寸,微柱透镜的口径通常为毫米量级以上,同
时深宽比较小,进一步限制了数值孔径的提升。而对于石英非球面透镜,现有技术多采用
热熔光刻胶柱面结构然后刻蚀传递的方法
[7]
,该方法对微透镜的面型精度控制水平较低,
同时刻蚀深度通常为数微米水平,难以实现高质量的非球面柱面透镜列阵的制作。文中提
出以硅为基底材料制备大数值孔径的非球面柱面透镜,硅材料在相同波长下折射率 nn 比
石英或玻璃材料更大,同时在相同数值孔径下硅透镜拥有深宽比更小、体积更小的优势。
硅基柱面透镜由于材料硬脆、物理化学性质稳定等特点,传统模压方法
[8]
(通常工作
温度在 700 ℃以内)无法用于硅材质的模压,而基于热熔法的刻蚀工艺方法又难以实现非
球面结构的精确控制。为解决此问题,笔者项目组在自主开发的掩模移动光刻技术的基础
上,提出了一种硅基非球面柱面透镜阵列的制备方法,基于掩模移动的基本原理
[9-10]
,在曝
光过程中移动掩模版,通过掩模版
[11]
上的二元掩模对曝光时的光能量进行连续调制,从而
实现光刻胶连续面型制备,同时对大数值孔径制备过程中光刻胶结构缺陷特征和产生机理
进行分析,提出了多次涂胶技术、循环曝光技术等优化方法。通过多次匀胶在获得足够厚
度光刻胶的同时提升了光刻胶膜层的均匀性,并通过循环曝光的方法解决了大数值孔径微
柱透镜单次厚胶曝光时单步停留时间较长、掩模痕迹明显等问题。且针对大数值孔径的刻
蚀深度较大、刻蚀时间较长、刻蚀粗糙度难以控制的问题提出了循环刻蚀技术方案。利用
等离子体分步逐次将光刻胶图案传递至硅材料上,最终实现了硅材质大数值孔径非球面柱
面微透镜的高质量制备。实验结果表明,该方法具有工艺稳定、精度高、效率高等诸多优
势,未来有望实现规模化推广应用。
1. 非球面柱面微透镜制备流程
文中主要基于掩模移动曝光技术和等离子体刻蚀技术
[12]
进行大数值孔径非球面硅基柱
面微透镜的制备,其加工流程如图 1 所示。首先,通过旋涂、烘烤、静置(图 1(a)、图
1(b)和图 1(c))的方式在硅基底表面覆盖较高厚度的光刻胶膜层
[13]
;随后,利用预设计的掩
模版(图 1(d))对基底进行移动曝光和显影(图 1(e)),形成具有连续面型的非球面光刻
胶结构(图 1(f))。值得注意的是,该曝光技术的核心是通过掩模版与基底非接触式定向
移动,可以通过调整单元掩模的图形函数或者控制掩模的移动速度的方式来实现不同曝光
量的变化。如此可实现掩模版上的二元掩模图形对曝光时的光能量进行连续调制,从而在
光刻胶的表面形成连续的曝光量分布,进而实现在移动周期范围内曝光量的梯度变化,再
经过显影工艺处理后就实现了光刻胶连续面型非球面柱面微透镜结构的制备。因此,掩模
版需要根据目标结构参数进行精确设计。结合等离子体刻蚀技术,选择特定的气体对基底
进行刻蚀(图 1(g)),最终完成硅基非球面柱面微透镜阵列的制备。
图 1 硅透镜制备流程图
Fig. 1 Silicon lens preparation process
下载: 全尺寸图片 幻灯片
2. 制备关键技术分析
不同于传统的微纳光学结构,大数值孔径硅基非球面柱面微透镜具有大的深宽比与连
续曲面面型的特点,对面型精度和表面光洁度要求较高,制备较为困难。透镜制备关键工
艺步骤包含光刻胶涂覆、掩模版设计、掩模移动曝光、等离子体刻蚀等,这些工艺步骤对
硅基透镜的表面缺陷与面型精度均有重要影响。针对以上工艺步骤对透镜结构的影响方式
和优化方法进行研究。
2.1 光刻胶涂覆分析与均匀性提升方法
光刻胶涂覆是硅基透镜制作的初始步骤。光刻胶涂覆后,表面的均匀性与缺陷将直接
影响微透镜的制作质量,获得高质量的光刻胶膜层是工艺过程的重要环节之一。
制备硅基透镜的光刻胶通常要具有较高的分辨率、大于透镜矢高的厚度、优良的表面
均匀性和感光性能。目前市场上有多种型号的光刻胶,其性能均有不同侧重点。笔者团队
经过长期实验研究发现,SPR 220 7.0 光刻胶在分辨率、感光灵敏度和胶厚等综合性能上较
适用于制作连续面型微光学元件。
为了获得较高均匀性的光刻胶膜层,旋转涂胶法是目前产业界和学术界常用的方法,
然而对于如何获得高均匀性、低缺陷的厚胶膜层的相关研究和报道较少。为此,对该光刻
胶涂覆性质进行研究,通过改变旋涂转速得到了不同厚度的光刻胶膜层,并通过轮廓仪从
晶圆有效中心区域(占晶圆面积的 52%~65%)拉一条直线检测光刻胶膜层表面的均匀性
(PV:膜层起伏峰谷值)。实验显示转速(Speed)与光刻胶膜层厚度(Thickness)及 PV
之间的对应关系如图 2 所示。由图 2 可知,旋涂速度越快,膜层厚度越低且表面均匀性越
好,并在 1500 r/min 后均匀性不再提升,趋近于平稳。
图 2 旋涂转速对光刻胶厚度及胶层表面均匀性影响
Fig. 2 Influence of spin-coating speed on photoresist thickness and surface uniformity of
adhesive layer
下载: 全尺寸图片 幻灯片
对于文中所研究的大数值孔径硅基非球面柱面微透镜,因其矢高较大,要求光刻胶膜
层较厚,所以为获得合适的光刻胶膜层需要旋涂速度较低。而低转速(如 600 r/min)时胶
层表面均匀性极差,光刻胶膜经刻蚀后容易产生气泡缺陷,如图 3(a)所示,此种气泡缺
陷将直接影响透镜曲面光洁度。这就使得均匀性、缺陷、胶厚成为了相互制约的三个指
标,难以采用传统涂胶方法同时满足。
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