微透镜阵列的光刻胶热熔制作技术

f = R μ- 1
2
涂好光刻胶的基片经圆形阵列掩模板曝光并显 影后 , 便形成了圆柱阵列的周期结构 。为制得球冠 结构的微透镜阵列 , 就要把光刻胶加热至熔融状 态 , 此时光刻胶变成了液态并可以流动 , 在其表面 张力的作用下便形成了球冠结构的微透镜阵列 。 由于光刻胶是非晶态聚合物 , 是含有多种化学 成分的混合物 , 因此其熔点并不是唯一确定的温 度 , 而是一个温度范围 , 即在该温度范围内的某种 光刻胶都会处于液态 。而且对于不同种类的光刻 胶 , 其处于熔化状态的温度范围也不一样 。例如 ,
第 29 卷第 4 期 2 0 0 6年 1 2 月
长春理工大学学报
Journal of Changchun University of Science and Technology
Vo l129 No 14 D e c. 2 0 0 6
微透镜阵列的光刻胶热熔制作技术
任智斌 , 朱丽思 , 曾皓 , 姜会林
[ 10 ] [6 - 8]
、光刻胶热熔法
、
光电 反 应 刻 蚀 法
[ 11 ]
、聚 焦 离 子 束 刻 蚀 与 沉 积
[ 12 ]
、化学气象沉积法
等方法 。由于光刻胶热
收稿日期 : 2006 - 08 - 20 基金项目 : 吉林省科技发展计划资助项目 ( 20060523) 作者简介 : 任智斌 ( 1976 - ) , 男 , 长春市人 , 博士后 , 研究方向为衍射光学与光学系统设计 , E - mail: ren_ zb@ yahoo1 com 1 cn 。
熔化状态的光刻胶的表面张力与温度有直接的 关系 , 而表面张力又直接影响到微透镜阵列的形 状 , 所以采用恒温加热 、逐渐升温式加热以及跳跃 式升温加热方法所获得的结果是有很大差别的 。 然而 , 并非具有任意高度 (即涂胶厚度 ) 的 圆柱阵列都能通过热熔的方法制成微透镜阵列 , 当 μm 时 , 制作失败 圆柱高度 (即涂胶厚度 ) 超过 20 μm 时 , 就根本 的机率就较高 , 当圆柱高度达到 40 无法制作出来 。由于光刻胶中含有氮萘醌成分 , 它 在曝光过程中将释放出氮气 。涂胶厚度越大 , 所需 曝光时间越长 , 产生的氮气就越多 , 其中很大一部 分氮气附着在未曝光的光刻胶表面并形成泡沫 , 还 有一部分氮气渗透入未曝光的光刻胶中 。在加热的 过程中 , 由于氮气受热膨胀 , 就会使光刻胶变形 。 当涂胶厚度小时 , 由于曝光时间短 , 其中含有的氮 气也少 , 而且由于光刻胶厚度薄 , 氮气受热后容易 散发出去 , 因而微透镜阵列不会遭到破坏 ; 相反 , μm 时 ) , 由于曝光时间长 , 涂胶厚度较大 (超过 20 其中含有的氮气也较多 , 而且由于光刻胶厚度大 , 氮气受热后不易散发出去 , 大量的氮气气泡受热膨 胀 , 就会使微透镜阵列遭到破坏 , 因而很难制作出 球冠高度过高的微透镜阵列 。 本文利用光刻胶热熔技术 , 在 K9 玻璃基底上 μm 的 AZ1805 型正性光刻胶材 制作出了周期为 20
Abstract: The technique of fabrication of m icrolens array by means of m elting photoresist is introduced in this paper . Its p rincip le, techniques p rocess and critical techniques are illustrated and some experi2 m ental results are p resented in this paper . The results show that the technology of melting photoresist is a sim p le and p ractical technology of fabricating m icrolens array . The results of this paper could p rovide ref2 erences for the further study of m icrolens array and its industrialization. Key words: M icrolens array; M elting photoresist; Reactive ion beam etching
第 4期
任智斌 , 等 : 微透镜阵列的光刻胶热熔制作技术
13
其中 , n 为光刻胶的折射率 , 例如 Ship ley 公 司生产的 AZ1805 型正性光刻胶在可见光波段折射 μm。因此 , 微透镜的 F 数仅与接触 率 n 约为 1164 θ 角θ 有关 , 且 F 数与 sin 成反比 。 在制作过程中 , 由于显影过程会损失一部分未 曝光的光刻并且光刻胶在加热过程中也将挥发一部
( 1)
制作此微透镜阵列所需涂胶的厚度 t,
2 4h ( R -
h
t =
3
)
kD
2
113 光刻胶热熔
即在所需制作的参数 ( D、 T ) 及掩模板确定的前 提下 , 涂胶厚度是唯一确定的 , 可由公式 ( 1 ) 计 算 。透镜的焦距可由公式 ( 2 ) 求出 , 其中 μ为光 刻胶的折射率 。
、光学器件互连
[3]
、三维成像
[4]
等领域 。
[9]
阵列的掩模下进行紫外曝光 , 显影后便得到圆柱阵 列光刻胶结构 , 将光刻胶加热至熔融状态 , 其表面 张力将圆柱形结构转变成光滑的球冠状结构 , 这样 便得到了光刻胶构成的微透镜阵列 。 制作微透镜阵列之前 , 要根据现有的条件及要
目前 , 用 于 制 作 微 透 镜 阵 列 的 方 法 有 离 子 交 换 、光敏玻璃热成形法
图 2 光刻胶熔化前后的体积关系
F ig 12 The re la tio n o f the vo lum e o f p ho to re s is t be fo re a nd a fte r m e lting
μm。由公式 ( 1 ) 可计算出所需涂胶的厚度为 125 μm。如果 基 片 的 涂 胶 厚 度 不 均 匀 且 存 在 ± 6144 μm 的误差 , 则会导致微透镜阵列的球冠高度 0125 μm 的误差 、曲率半径将产生 1112 μm 的 产生 0196 μm 的误差 。 误差 、透镜焦距将产生 1715
DQN 型光刻胶处于熔化状态的温度范围是 70 ℃ 到 110 ℃, 对于 AZ4620 /AZ4562 型光刻胶则是 100 ℃
( 2)
同时可得到如下的参数关系 :
R = h +d 2h
2
4
( 3) ( 4) ( 5)
θ= d sin 2R
F
#
=
f R 1 = = ( n - 1) d θ d 2 ( n - 1 ) sin
图 1 微透镜阵列制作工艺流程
F ig 11 Fa b rica tio n se que nce o f the m ic ro le n s a rra y
分 , 这样就使得圆柱体阵列的体积减小 , 因此 k 一 般可取 018 左右 , 但 k 的精确数值则要由具体的实 验环境和实验设备决定 。
21 Institu te of O pto - E lectron ics Infor m a tion, Changchun U n iversity of S cience and Technology, J ilin Changchun 130012; 31 Institu te of O pto - E lectron ics Eng ineering, Changchun U n iversity of S cience and Technology, J ilin Changchun 130022 )
Fabr ica tion Technology of M icrolen s Array by M eltin g Photoresist
REN Zhibin , ZHU L isi , ZENG Hao , J I ANG Huilin
1 2 3 1
Байду номын сангаас
( 11 Institu te of S pace O ptica l E lectron ic Technology, Changchun U n iversity of S cience and Technology, J ilin Changchun 130022;
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长春理工大学学报
2006 年
到 140 ℃, AZ1805 型 正 性 光 刻 胶 的 温 度 范 围 是
160 ℃ 到 180 ℃。
精度高且稳定可靠的技术 , 下面主要对此技术进行 研究 。 离子束刻蚀技术是指用具有能量单色性很强及 一定密度的大面积 、准直均匀离子束发射到材料表 面 , 通过离子撞击表面原子与材料原子间的级联碰 撞过程 , 离子将其携带的动量 (能量 ) 转移给材 料原子 , 打破原子间的结合并产生活化原子的动量 矢量反转 , 形成材料原子的物理溅射 , 从而使材料 被蚀去一定的厚度的过程 。 然而 , 由于光刻胶与石英基片的刻蚀速率不 同 , 刻蚀后微透镜阵列的面形与光刻胶微透镜阵列 的面形有很大的差别 。为使光刻胶与石英基片具有 相同的刻蚀速率 , 可以采用反应离子刻蚀法 , 即在 刻蚀过程中加入反应气体 , 通过控制气体与石英基 片及光刻胶的反应来达到相同的刻蚀速率 。例如 , 加入氟化物气体会增大石英基片的刻蚀速率 , 加入 氧气会增大光刻胶的刻蚀速率 。 另外 , 由于利用光刻胶热熔法制作的微透镜阵 列存在球差 , 而且相对孔径较大 , 通过加入不同的 反应气体并调节气体的浓度可以减小球差并制作出 相对孔径较小的微透镜阵列 , 甚至还可以制作出非 球面结构的微透镜阵列 。 本文利用反应离子刻蚀技术对图 3 所示的光刻 胶微透镜阵列进行刻蚀实验 , 经过充分的刻蚀 , 便 可在将微透镜阵列面型转移到玻璃基底上 , 如图 4 所示 。