一种亚波长结构平凸微透镜阵列的制作工艺制造技术

本发明专利技术属于微纳光学以及光束整形领域，具体为一种亚波长结构平凸微透镜阵列的制作工艺。本发明专利技术基于光刻胶热回流法改进，通过对正性光刻胶材料曝光、显影、刻蚀以及精确计算工艺时长来实现对微透镜形貌的有效控制，在基片上制作出曲率半径更小的、更加密集的微透镜阵列，进而实现微透镜光束准直和光功率耦合增强。本发明专利技术具有体积小、结构简单、制作工艺成熟和实验重复性好等优点，且能够增强光源的输出功率、实现对光源的聚焦、准直。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微纳光学以及光束整形，特别涉及微透镜的加工制作工艺，具体为一种亚波长结构平凸微透镜阵列的制作工艺。
技术介绍
透镜是一种非常重要的光学元件，它属于被动光学元件，在光学系统中用来会聚、发散光辐射。通常的透镜体积比较大，人眼能看得到。随着科学技术的进步，仪器设备已朝着光、机、电集成的趋势发展。利用传统方法制造出来的光学元件不仅制造工艺复杂，而且制造出来的光学元件尺寸大、重量大，已不能满足当今科技发展的需要。目前，已经能够制作出直径非常小的透镜与透镜阵列，这种透镜与透镜阵列通常是不能被人眼识别的，只有用显微镜、扫描电镜、原子力显微镜等设备才能观察到，这就是微透镜。微透镜阵列具有尺寸小，质量轻，便于集成化和阵列化等优点，由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成，它不仅具有传统透镜的聚焦、成像等基本功能，而且具有单元尺寸小、集成度高的特点，使得它能够完成传统光学元件无法完成的功能，并能构成许多新型的光学系统。作为功能元件，更密集的微透镜单元会加强各光通道之间的干涉效应，并且更小的透镜单元孔径会使光通道内光能量的衍射效应变得明显，最终会影响到光学系统的均束效果，因此微透镜阵列在波前传感、光聚能、光整形等多种系统得到广泛应用。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：1、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；2、对曝光后的光刻胶进行显影并清洗残余物质；3、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。然而利用这种技术制作的微透镜阵列也存在诸多缺点：1、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；2、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；3、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。公告号为CN104614936A的专利文件中公开了《一种微透镜阵列的制作方法》，利用光刻胶热回流法，加热回流负性光刻胶层，基于设计好的图形、利用曝光工艺实现微透镜的平面结构，通过使用负性光刻胶加热回流来制作微透镜阵列，由于负胶显影后图形有涨缩，导致显影效果变形，不能使透镜保持良好的球状形貌，并且采用在该专利文献制作出的微透镜曲率半径为640μm，远不能满足小型化，微型化的要求。公告号为CN104423177A的专利文件中公开了《微透镜制作方法》，利用光刻胶回流法，形成一微透镜材料与基板；放置一光掩模于微透镜材料上方，利用一光束透过上述光掩模板照射于上述微透镜材料上进行一曝光工艺，之后对微透镜材料进行显影，回流工艺形成微透镜阵列。由于掩模板结构的限制，制作出的微透镜阵列呈现两种规格透镜结构，它们大小不同，形状不一，呈规则排列。这个专利技术充分利用了微透镜单元之间的间隙，提高微透镜材料的使用率，但这种结构的微透镜阵列设计，并没有实现光束准直和提高光功率耦合增强。
技术实现思路
针对上述存在问题或不足，本专利技术提供了一种亚波长结构平凸微透镜阵列的制作工艺，是基于光刻胶热回流法改进，通过对正性光刻胶材料曝光、显影、刻蚀以及精确计算工艺时长来实现对微透镜形貌的有效控制，在微透镜基片上制作出曲率半径更小的、更加密集的微透镜阵列，进而实现微透镜光束准直和光功率耦合增强。本专利技术技术方案为，一种亚波长结构平凸微透镜阵列的制作工艺：步骤1、清洗微透镜基片；步骤2、为增强基片的对光刻胶的额粘附性，对其进行预处理即即在基片绝缘面涂覆一层有机化合物的粘结助剂；步骤3、依据光刻胶的折射率和所需设计微透镜的尺寸，计算得到光刻胶的厚度，进而旋涂正性光刻胶；步骤4、利用紫外曝光设备对基片进行曝光，全曝光直到光刻胶变形，呈现出微透镜阵列；曝光采用与所需设计微透镜相匹配的掩膜版；步骤5、热熔成型，加热使得步骤4所得光刻胶微透镜阵列由圆柱形结构变为球冠结构；步骤6、将步骤5得到的光刻胶微透镜阵列形状往下刻蚀转移到基片上，采用反应离子刻蚀RIE或感应耦合离子刻蚀ICP，最终得到所需微透镜阵列。本专利技术是基于光刻胶回流法改进的微透镜制作工艺，主要是包括：清洗、预处理、涂胶、光刻显影、热熔成型等工艺。进一步的，所述基片为硅片，石英或镀氧化铟锡石英(ITO)。进一步的，所述的正性光刻胶材料为AZ4620、AZ1500、AZGXR601或AZ9260正性光刻胶材料。进一步的，所述有机化合物的粘结助剂为HDMS。本专利技术将可以实现光束合成的微纳结构设计与微透镜的制作工艺结合起来，改进微透镜设计工艺，制作出一种曲率半径小、密集度高的微透镜阵列。这样的设计增强了光源的输出功率，且实现了对光源的聚焦和准直。综上所述，本专利技术具有体积小、结构简单、制作工艺成熟和实验重复性好等优点，且能够增强光源的输出功率、实现对光源的聚焦、准直。附图说明图1为光刻胶热熔前后侧面尺寸形貌结构示意图；图2a为实施例图形转移示意图，上面部分为光刻胶，下面部分为ITO玻璃；图2b为实施例的SEM照片，图上黑条为台阶仪扫描路径；图2c为实施例的台阶仪测试结果；图3为加载实施例的微透镜阵列前后输出电流-功率曲线对比。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步的详细说明。1)清洗制作前对微透镜基片(ITO玻璃)进行清洗，以去除表面的杂质，油渍等污染物。本实施例中，我们先将ITO玻璃按照先后顺序分别在丙酮溶液，无水乙醇，去离子水中各超声15分钟。最后用氮气枪将ITO玻璃基底吹干，备用。2)预处理清洗完毕后，对ITO基底进行了预处理，即在ITO玻璃绝缘面涂覆一层HDMS(Hexamethyldisilazane，中文名：六甲基二硅胺)，其功效为增加涂胶过程中光刻胶的粘附性。3)涂胶设计微透镜阵列的高度为20μm，直径为120μm，半球曲率半径105μm。根据这个高度，采用AZ4620正性光刻厚胶，并利用匀胶机将光刻胶旋涂在ITO玻璃绝缘面基底上。在涂胶之前，计算得到其所需的涂胶厚度10μm。将匀胶机参数设定为先在600rad/s转速下维持3s将AZ4620光刻胶均摊开，然后采用2000rad/s转速下旋转45s将光刻胶旋涂至10μm。4)光刻及显影利用KarlSussMA6紫外光刻机在掩膜版下对旋涂了AZ4620光刻胶的ITO玻璃基底进行曝光，掩膜版与所需设计微透镜相匹配。未被掩膜版遮光部分由于受到紫外光照射，导致光刻胶变性。接下来，我们将曝光后的基底放入显影液中，显影液为TMAH(TetramethylammoniumHydroxide，中文名：四甲基氢氧化铵)与水1:8的比例配制，通过在显影液中浸泡2min，使感光部分的变性光刻胶彻底溶解。显影完成后，继续在100°下烘烤5min以固化光刻胶。为了验证上述实验工艺达到之前的设计标准，我们利用了台阶仪测试了烘烤后的ITO玻璃基底，测本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种亚波长结构平凸微透镜阵列的制作工艺，包括以下步骤：步骤1、清洗微透镜基片；步骤2、为增强基片的对光刻胶的额粘附性，对其进行预处理即在基片绝缘面涂覆一层有机化合物的粘结助剂；步骤3、依据光刻胶的折射率和所需设计微透镜的尺寸，计算得到光刻胶的厚度，进而旋涂正性光刻胶；步骤4、利用紫外曝光设备对基片进行曝光，全曝光直到光刻胶变形，呈现出微透镜阵列；曝光采用与所需设计微透镜相匹配的掩膜版；步骤5、热熔成型，加热使得步骤4所得光刻胶微透镜阵列由圆柱形结构变为球冠结构；步骤6、将步骤5得到的光刻胶微透镜阵列形状往下刻蚀转移到基片上，采用反应离子刻蚀RIE或感应耦合离子刻蚀ICP，最终得到所需微透镜阵列。

【技术特征摘要】
1.一种亚波长结构平凸微透镜阵列的制作工艺，包括以下步骤：步骤1、清洗微透镜基片；步骤2、为增强基片的对光刻胶的额粘附性，对其进行预处理即在基片绝缘面涂覆一层有机化合物的粘结助剂；步骤3、依据光刻胶的折射率和所需设计微透镜的尺寸，计算得到光刻胶的厚度，进而旋涂正性光刻胶；步骤4、利用紫外曝光设备对基片进行曝光，全曝光直到光刻胶变形，呈现出微透镜阵列；曝光采用与所需设计微透镜相匹配的掩膜版；步骤5、热熔成型，加热使得步骤4所得光刻胶微透镜阵列由圆柱形结构变为球冠结构；步骤6、将步骤5...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵青，林恩，黄小平，焦蛟，梁高峰，童继生，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51