微透镜阵列的光刻胶热熔制作技术

　　随着科学技术的飞速发展,当前的仪器设备已朝着光、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。微光学技术所制造出的光学元件以其体积小、重量轻、便于集成化、阵列化等优点,已成为新的发展方向。微透镜阵列是一种目前应用得十分广泛的微光学元件,它被广泛地应用于光束整形[1, 2]、光学器件互连[3]、三维成像[4]等领域。目前,用于制作微透镜阵列的方法有离子交换法[5]、光敏玻璃热成形法[6-8]、光刻胶热熔法[9]、光电反应刻蚀法[10]、聚焦离子束刻蚀与沉积法[11]、化学气象沉积法[12]等方法。由于光刻胶热熔法具有制作周期短、制作成本低、效率高等优点,因而成为研究的热点。本文介绍了光刻胶热熔法制作微透镜阵列的原理、工艺流程、关键技术并给出了实验结果。

　　1　微透镜阵列的设计与制作

　　利用光刻胶热熔法制作微透镜阵列的原理如图1所示,在基片上涂上一定厚度的光刻胶,在圆形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求进行理论计算,然后根据计算结果进行制作。

　　利用光刻胶热熔法制作微透镜阵列的制作工艺主要包括基片预处理、涂胶、前烘、曝光、显影、熔化、检测、图案转移等过程。

　　1·1　微透镜阵列的设计(理论计算)

　　设曝光后圆柱的底面直径(即掩模板直径)为D、高度(即涂胶厚度)为t,融化后球冠曲率半径为R、球冠高度为h,如图2所示。假设融化后,球冠的体积(V2=πH2R-π3H3)变为圆柱体积(V1=π4D2t)的k倍,即V2=kV1,则可求出为制作此微透镜阵列所需涂胶的厚度t,

　　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。

　　同时可得到如下的参数关系:

　　其中,n为光刻胶的折射率,例如Shipley公司生产的AZ1805型正性光刻胶在可见光波段折射率n约为1·64μm。因此,微透镜的F数仅与接触角θ有关,且F数与sinθ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分,这样就使得圆柱体阵列的体积减小,因此k一般可取0·8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。