一种高占空比微透镜阵列的制作方法技术

本发明专利技术公开了一种高占空比微透镜阵列的制作方法，包括下列步骤：针对目标微透镜阵列的面形设计制作掩模板，在基片上涂布光刻胶，通过单次或多次掩模曝光获得多台阶结构，实时动态热熔，实现台阶结构流动成平滑曲面，制作出高占空比的微透镜阵列。本发明专利技术方法可以制作小口径的微透镜阵列，微透镜的口径范围为几微米到几十微米，可以制作任意排布的球面或非球面微透镜阵列，精确控制微透镜面形，微透镜阵列占空比接近百分之百。列占空比接近百分之百。列占空比接近百分之百。

【技术实现步骤摘要】
一种高占空比微透镜阵列的制作方法


[0001]本专利技术涉及微纳加工
，特别是涉及一种高占空比微透镜阵列的制作方法。

技术介绍

[0002]微透镜阵列由于具有重量轻、体积小、设计灵活、阵列化等优点，无论在军事、科研领域，还是在民用领域都获得了广泛的应用。微透镜阵列的制作方法有很多，主要有激光直写法、超精密加工法、二元套刻法和光刻热熔法等。但这些方法都有不同程度的缺陷。
[0003]激光直写法采用激光束聚焦，对光刻材料进行逐点曝光，形成微透镜阵列。该方法所需设备昂贵复杂，曝光时间较长，制作效率低。超精密加工是在基底材料上直接加工出微透镜阵列，该方法的缺点是设备昂贵复杂，不能在脆性材料上加工。二元套刻法通过多次涂胶
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光刻
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刻蚀的循环过程制作衍射微透镜阵列，用离散的台阶结构代替连续面形的微透镜阵列，它的缺点是工艺复杂，台阶结构光能利用率较低(参见C.L.Du,L.R.Guo,Y.R.Wang,etc.A method for improving performance of IR focal plane array using microlens array,SPIE Vol.3099,1997)。光刻热熔法通常是采用二元掩模图形在光致抗蚀剂表面曝光，形成孤岛状结构，然后在高温熔融状态下利用光致抗蚀剂的表面张力形成球冠形结构，制作出微透镜阵列。这种方法的缺陷在于为保证熔融状态的光致抗蚀剂不相连接，要求微透镜单元之间有一定的间隙，占空比低(参见D.Jucius,V.Grigaliunas,A.lazauskas,etc.Effect of fused silica surface wettability on thermal reflow of polymer microlens arrays.Microsyst Technol(2017)23:2193
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2206)。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种高占空比微透镜阵列的制作方法。所述制作方法解决了传统光刻热熔制作微透镜阵列占空比低的技术难点，可以制作任意排布的球面或非球面微透镜阵列，精确控制微透镜面形，微透镜阵列占空比接近百分之百。
[0005]本专利技术采用以下技术方案：
[0006]本专利技术提供一种高占空比微透镜阵列的制作方法，包括下列步骤：
[0007](1)针对目标微透镜阵列的面形设计制作掩模板；
[0008](2)在基片上涂布光刻胶，前烘；
[0009](3)通过单次或多次掩模曝光，显影，获得多台阶结构；
[0010](4)实时动态热熔，实现台阶结构流动成平滑曲面，制作出高占空比微透镜阵列。
[0011]掩模图形为一维掩模图形、二维掩模图形或者移动掩模图形。掩模图形可结合曝光工艺路线及目标微透镜本身形式设计，掩模图形本身为二值化明暗结构。
[0012]一维掩模图形为光栅线条结构，光栅线条的占空比可跟进光刻工艺及目标微透镜形状设计。二维掩模图形中的图案单元可为任意拓扑结构，常用的有圆形、方形、六边形、三角形及各种函数曲线轮廓的周期阵列图案。
[0013]基片的材料为石英、硅、锗等晶体材料，或者PMMA、PC等高分子材料，材料的选择要求与光刻胶具有很好的浸润性及刻蚀性能，同时在目标工作波段和环境中具有很好的透光率及可靠性。
[0014]涂布光刻胶的方法可包括旋涂、辊涂及刮涂，光刻胶厚度大于目标微透镜矢高，涂布及烘烤工艺过程参数可编程控制。
[0015]多台阶的数量大于两台阶。曝光方法包括单次移动掩模曝光获得多台阶结构，也可通过交叉曝光、套刻曝光等多次曝光方法在基片表面不同位置处获得不同曝光剂量，使得曝光剂量按目标的台阶形状形成数值分布。与传统套刻曝光
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显影
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刻蚀流程不断循环的方式不同，本专利技术套刻的方法是在最后一轮曝光前均不显影，每一轮曝光仅在光刻胶内叠加形成隐影分布，最后一次性显影使得台阶图案显现。每次套刻曝光时间均需跟进目标图案形状专门设计，为了保障最后获得的微透镜占空比为接近100％，要求不同图案的底层台阶紧密互联，同时显影后保留一定厚度的底胶。
[0016]一维掩模图形通过交叉曝光的方式在光刻胶上形成多台阶结构。交叉曝光的具体实现方式为先把光栅掩模板贴紧光刻胶曝光一次，然后把光栅掩模板或者基片转动90
°
再曝光一次，显影后在光刻胶上形成的多台阶结构为三台阶。
[0017]二维掩模图形通过套刻曝光的方法在光刻胶上形成多台阶结构。套刻曝光的具体实现方式为先把第一块二维图形掩模板对准基片上的对准标记，贴紧光刻胶曝光，形成2台阶的隐影分布，然后第二块二维图案掩模板对准基片上的对准标记，然后贴紧光刻胶曝光，形成4台阶的隐影分布，这样依次把第n块掩模板对准后，贴紧光刻胶曝光，形成2
n
台阶的隐影分布。显影后在光刻胶上形成2
n
台阶结构，n为大于等于2的整数。
[0018]移动掩模图形通过移动掩模曝光的方法在光刻胶上形成多台阶结构。移动曝光的具体实现方式为移动掩模板与光刻胶之间保持一定的间隙，移动掩模沿一个方向移动，在光刻胶上形成目标微透镜的离散化的曝光剂量分布，显影后在光刻胶上形成多台阶结构。
[0019]将光刻胶多台阶图案基片放置在热板或烘箱中加热，使得环境温度超过光刻胶的软化点温度，通过光刻胶的表面张力及重力，控制光刻胶不同台阶流动变形，使得光刻胶多台阶图案分段平滑互联，进而形成连续面形微透镜结构。热熔过程采用实时动态调整热熔温度和热熔时间的方法，准确控制微透镜的表面形貌，避免热熔不足导致台阶未平滑互联或者热熔过量导致微透镜完全塌陷。
[0020]实时动态热熔的具体实现方式为：高清视频显微镜与可视化软件结合，实时观察热熔过程中光刻胶多台阶结构的形貌变化，动态调整热熔温度和热熔时间，精确控制微透镜的面形。热熔过程中，多台阶结构在表面张力和重力作用下形成连续面形。制作出的微透镜阵列占空比接近百分之百。
[0021]实时动态热熔过程中，设热熔前多台阶结构的体积为V1，热熔后微透镜的体积为V2，则V1＝kV2，k为热熔系数。为了精确控制微透镜的面形，热熔时间较短，通常为几分钟，光刻胶中的溶剂挥发少，可以近似认为热熔过程中光刻胶的体积不变，则V1＝V2，k＝1。
[0022]一维掩模图形用交叉曝光法在光刻胶上形成三台阶结构，台阶数量少，适合制作小口径的微透镜阵列，微透镜的口径范围为1
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30μm。二维掩模图形用套刻曝光法在光刻胶上形成多台阶结构，受套刻误差限制，台阶数量通常为几个到几十个，适合制作中等口径的微透镜阵列，微透镜的口径范围为30
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100μm。用移动掩模曝光法在光刻胶上形成多台阶结
构，台阶数量可达几百个，适合制作大口径的微透镜阵列，微透镜的口径范围为100
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1000μm。
[0023]本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高占空比微透镜阵列的制作方法，其特征在于：包括：根据目标微透镜阵列的面形设计制作掩模板；在基片上涂布光刻胶，前烘；通过至少一次掩模曝光，显影，获得多台阶结构；实时动态热熔，以使所述多台阶结构流动成平滑曲面，制得高占空比微透镜阵列。2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述通过至少一次掩模曝光中采用的掩模图形根据曝光工艺路线及目标微透镜本身形式设计，所述掩模图形为二值化明暗结构；所述掩模图形至少包括一维掩模图形、二维掩模图形、移动掩模图形中的一种及其组合。3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于：所述一维掩模图形为光栅线条结构，光栅线条的占空比根据光刻工艺及目标微透镜形状设计；所述二维掩模图形中的图案单元为任意拓扑结构。4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述在基片上涂布光刻胶，前烘，具体包括：所述基片的材料选择石英、硅、锗、PMMA、PC中的一种，利用旋涂或辊涂或刮涂的涂布方法在所述基片上涂布光刻胶并前烘，所述光刻胶厚度大于目标微透镜矢高。5.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张之胜，张为国，史浩飞，张畅达，高明友，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：