凹型Si微透镜阵列的制作

引言

近年来,微小光学器件广泛应用于光通信、自动控制、图像处理、数据储存、光计算及光互联等方面,因此它的制作工艺和方法得到了日益深入的研究[1~7].其中凹微透镜阵列除了可用来调整微光学光路的像差和色差,还可以作为制作树脂材料凸微透镜阵列的模具以及DMA芯片模板.在各种微制作工艺和方法中,光刻热熔法具有工艺简单、成本低廉、工艺参数易于控制及环境污染小等优点,本文在光刻热熔法的基础上提出了曲率倒易法,首次制作出64×256元凹柱面微透镜阵列,鉴于Si是工艺最成熟、在3~5μm大气窗口最普遍使用的红外材料,我们用它来制作微透镜阵列器件.

1　曲率倒易法

图1为用曲率倒易法在Si基片上制作凹微透镜阵列的工艺流程,可分为两个阶段.

1.1　用常规光刻/氩离子束刻蚀法制作准柱面凸微透镜阵列

在经清洗的Si基片上用旋转离心法涂敷光刻胶薄膜,实验中采用国产BP212紫外正型光刻胶,烘干后再将光刻胶膜通过铬板在紫外线下接触曝光,掩摸版为64×256元的二维长方形阵列,结构如图2所示,经显影和冲洗后得到光致抗蚀剂长方体阵列.后置于加热炉中在氮气氛下加热至光刻胶的玻璃态转变温度(180°C左右),长方体状的光致抗蚀剂图形在加热熔融的过程中由于表面张力的作用转变为准柱面图形(与柱面图形在四角附近有偏差),冷却后通过离子束刻蚀将准柱面光致抗蚀剂图形转移到Si衬底上.氩离子束刻蚀在国产的LD-3型离子束刻蚀机上进行,采用Kaufman离子源,真空工作室的本底真空度为6.0×10-4Pa,工作物质为Ar,工作气压为4.0×10-2Pa,氩离子能量为600eV,氩离子束流为60mA,氩离子入射角度选为70°.图3为氩离子束刻蚀的刻蚀速率与氩离子束的入射角度的关系,从图中可以看出,在这样的刻蚀条件下,光致抗蚀剂与Si衬底材料能具有相同的刻蚀速率.

1.2　用曲率倒易法制作凹微透镜阵列

以上述常规方法制成的微透镜阵列为基底,在其上再涂敷足够厚度的光刻胶,完全淹没凹起的微镜图形,然后加热固化成形,最后再次进行氩离子束刻蚀,氩离子入射角度选择为30°,其余参数保持不变.从图3可以看出,在这样的刻蚀条件下,硅的刻蚀速率约为光致抗蚀剂的两倍.这样,原柱面图形交界处的位置因为主要由光致抗蚀剂构成而刻蚀慢,原柱面图形处的位置主要由硅材料构成而刻蚀快,因此原图形凸起处反而成为新图形表面的凹陷处,原图形凹陷处则成为新图形表面的凸起处,于是准柱面图形表面轮廓以曲率倒易的方式转移至Si衬底上形成凹柱面图形.

2　测量结果

图4为使用日本JSM扫描电子显微镜(SEM)拍摄的64×256元Si凹微透镜阵列SEM照片,显示出微透镜阵列为轮廓清晰的凹柱面阵列.图5为用英国Detak-ⅡA型轮廓仪测量的微透镜阵列表面微观形貌的表面探针曲线,曲线显示Si微透镜阵列表面光滑、重复性好,且凹微透镜阵列的平均凹深h=2.643μm,单元微透镜的口径尺寸为300μm×49μm.