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      4. 微透鏡的制作工藝

        作者:佚名 來源:光行天下整理 時間:2020-01-17 20:10 閱讀:8152 [投稿]
        微透鏡陣列作為一種重要的光學元件,具有體積小、重量輕、集成度高的特點,吸引了大量的目光。伴隨著半導體工業的發展,光刻和微細加工技術的提高,自上世紀八十年代起,相繼出現了一系列嶄新的微透鏡陣列制作技術。

        微透鏡陣列作為一種重要的光學元件,具有體積小、重量輕、集成度高的特點,吸引了大量的目光。伴隨著半導體工業的發展,光刻和微細加工技術的提高,自上世紀八十年代起,相繼出現了一系列嶄新的微透鏡陣列制作技術。由于透鏡陣列器件分為折射型微透鏡陣列和衍射型微透鏡陣列,它們在制作工藝也開發出不同的方法。

        折射微透鏡的制作方法

        由于折射微透鏡陣列器件在聚光、準直、大面陣顯示、光效率增強、光計算、光互連及微型掃描等方面越來越廣泛的應用,它的制作工藝和方法得到了日益深入的研究。已經出現很多制備折射微透鏡陣列的方法,光刻膠熱回流方法、激光直寫方法、微噴打印法、溶膠一凝膠法、反應離子刻蝕法、灰度掩模法、熱壓模成型法、光敏玻璃熱成型法刪等。下面主要介紹幾種主流的微透鏡陣列制作方法。

        (1)光刻膠熱回流技術

        光刻膠熱回流法(熔融光刻膠法)是Poporie于1988年提出的,整個工藝過程可以分為三步:一、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;二、對曝光后的光刻膠進行顯影并清洗殘余物質;三、放置于加熱平臺上,熱熔成型。由于這種方法具有工藝簡單,對材料和設備的要求較低,工藝參數穩定且易于控制,復制容易等優點,被廣泛地用于微透鏡陣列的制作當中。

        然而利用這種技術制作的微透鏡陣列也存在諸多缺點:一、由于光刻膠對于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,那么當熔融光刻膠最終成型以后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;二、一般情況下微透鏡陣列的填充因子不會超過80%,而且光刻膠在熔化后容易粘連,相鄰的熔融光刻膠一旦接觸后,不會形成透鏡的面形。由于填充因子不高,使入射的光不能充分利用,并且會引起背景噪聲;三、由于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,不適于作為最終的微透鏡或其他微結構的材料。

        (2)激光直寫技術

        由于激光直寫方法易于操作,并且具有制作的微光學元件尺寸小、精度高的優點,其在微精細研究和加工領域得到了廣泛的應用。激光直寫技術利用強度可變的激光束對涂在基片表面的光刻膠進行變劑量曝光,顯影后在光刻膠表面形成所需要的浮雕輪廓。激光直寫的最大優點是器件定位后可一次寫出多個相位階數或連續相位的二元光學器件,從而避免了多次掩模套刻喪失的共軸精度。激光直寫制作微透鏡陣列的工藝過程可以分為三步:

        使用CAD設計出微透鏡陣列的曝光結構,并傳入激光直寫設備的系統當中;將涂敷有光刻膠的基片放置于直寫平臺,對光刻膠進行激光寫入;對曝光后的光刻膠進行顯影并清洗殘余物質,最后得到排列整齊,結構均勻的微透鏡陣列結構。激光直寫法適用于高精度單件和模型制作。使用激光直寫制作完成微透鏡陣列的原型以后,使用的是鑄模工藝方法中的電鑄技術將微透鏡轉化為金屬模型,用于大規模的生產。由于電鑄復制工藝能夠保證最終產品的形狀,因此能夠對微透鏡陣列進行大規模的生產。利用這些先進的技術,重復制作出微單元結構,從而制作高品質低成本的微透鏡陣列元件。 

        衍射微透鏡的制作方法

        衍射微透鏡有會聚光能、矯正像差和成像的作用,并且體積小、質量輕、集成度高、易于復制而被廣泛地應用于紅外光電探測器、圖像識別和處理、光通訊、激光醫學、空間光學等許多領域。其主要的制作方法有二元光學技術、電子束直寫技術以及灰度掩模技術等方法。

        (1)二元光學技術

        上世紀八十年代中期,美國MIT林肯實驗室Veldkamp領導的研究組在設計新型的傳感系統中,率先提出了“二元光學’’的概念。它不同于傳統的制作方式,利用了制作集成電路的生產方法,使用的掩模是二元的,且掩模用二元編碼的形式進行分層。隨后二元光學迅速發展成為--I'-J技術,受到學術界和工業界的青睞。二元光學技術非常適合于衍射微透鏡陣列的制作,其中微透鏡的邊界容易做到整齊和尖銳,微透鏡陣列的填充因子可達100%,而且具有重量輕、造價低、易于微型化、陣列化等優點。二元光學采用相位量化的二元編碼和制作順序是在N個工藝步驟中形成的相位級數由N+I提高到2N,見圖1.2,大大減少了工藝步驟迭代的次數,降低了制造高衍射效率的衍射光學元件所需要的加工成本。二元光學臺階衍射微透鏡制作過程基于成熟的微電子工藝,適于大批量生產。

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