微透鏡陣列元件的制作工藝
微透鏡陣列元件作為一種重要的光學(xué)元件，具有體積小、重量輕、集成度高的特點(diǎn)，吸引了大量的目光。伴隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，光刻和微細(xì)加工技術(shù)的提高，自上世紀(jì)八十年代起，相繼出現(xiàn)了一系列嶄新的微透鏡陣列元件制作技術(shù)。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?cè)谥谱鞴に囈查_發(fā)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(zhǔn)直、大面陣顯示、光效率增強(qiáng)、光計(jì)算、光互連及微型掃描等方面越來越廣泛的應(yīng)用，它的制作工藝和方法得到了日益深入的研究。到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)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(yīng)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(shù)
光刻膠熱回流法(熔融光刻膠法)是Poporie于1988年提出的，整個(gè)工藝過程可以分為三步：一、對(duì)基板上的光刻膠在掩模的遮蔽下進(jìn)行曝光，曝光圖案呈圓形，矩形或正六邊形；二、對(duì)曝光后的光刻膠進(jìn)行顯影并清洗殘余物質(zhì)；三、放置于加熱平臺(tái)上，熱熔成型。由于這種方法具有工藝簡單，對(duì)材料和設(shè)備的要求較低，工藝參數(shù)穩(wěn)定且易于控制，復(fù)制容易等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地用于微透鏡陣列的制作當(dāng)中。
然而利用這種技術(shù)制作的微透鏡陣列也存在諸多缺點(diǎn)：一、由于光刻膠對(duì)于基板材料存在浸潤現(xiàn)象，當(dāng)光刻膠在熔融狀態(tài)時(shí)與基板的附著力是一定的，那么當(dāng)熔融光刻膠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(huì)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(huì)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(huì)引起背景噪聲；三、由于光刻膠本身的機(jī)械性能和化學(xué)性能比較差，光學(xué)性能也不高，不適于作為微透鏡或其他微結(jié)構(gòu)的材料。
（2）激光直寫技術(shù)
目前，由于激光直寫方法易于操作，并且具有制作的微光學(xué)元件尺寸小、精度高的優(yōu)點(diǎn)，其在微精細(xì)研究和加工領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。激光直寫技術(shù)利用強(qiáng)度可變的激光束對(duì)涂在基片表面的光刻膠進(jìn)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。激光直寫的較大優(yōu)點(diǎn)是器件定位后可一次寫出多個(gè)相位階數(shù)或連續(xù)相位的二元光學(xué)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(shè)計(jì)出微透鏡陣列的曝光結(jié)構(gòu)，并傳入激光直寫設(shè)備的系統(tǒng)當(dāng)中；將涂敷有光刻膠的基片放置于直寫平臺(tái)，對(duì)光刻膠進(jìn)行激光寫入；對(duì)曝光后的光刻膠進(jìn)行顯影并清洗殘余物質(zhì)，得到排列整齊，結(jié)構(gòu)均勻的微透鏡陣列結(jié)構(gòu)。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(shù)將微透鏡轉(zhuǎn)化為金屬模型，用于大規(guī)模的生產(chǎn)。由于電鑄復(fù)制工藝能夠保證產(chǎn)品的形狀，因此能夠?qū)ξ⑼哥R陣列進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)。利用這些先進(jìn)的技術(shù)，重復(fù)制作出微單元結(jié)構(gòu)，從而制作高品質(zhì)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(huì)聚光能、矯正像差和成像的作用，并且體積小、質(zhì)量輕、集成度高、易于復(fù)制而被廣泛地應(yīng)用于紅外光電探測(cè)器、圖像識(shí)別和處理、光通訊、激光醫(yī)學(xué)、空間光學(xué)等許多領(lǐng)域。其主要的制作方法有二元光學(xué)技術(shù)、電子束直寫技術(shù)以及灰度掩模技術(shù)等方法。
（1）二元光學(xué)技術(shù)
上世紀(jì)八十年代中期，美國MIT林肯實(shí)驗(yàn)室Veldkamp領(lǐng)導(dǎo)的研究組在設(shè)計(jì)新型的傳感系統(tǒng)中，率先提出了“二元光學(xué)’’的概念。它不同于傳統(tǒng)的制作方式，利用了制作集成電路的生產(chǎn)方法，使用的掩模是二元的，且掩模用二元編碼的形式進(jìn)行分層。隨后二元光學(xué)迅速發(fā)展成為--I'-J技術(shù)，受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的青睞。二元光學(xué)技術(shù)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(dá)100%，而且具有重量輕、造價(jià)低、易于微型化、陣列化等優(yōu)點(diǎn)。二元光學(xué)采用相位量化的二元編碼和制作順序是在N個(gè)工藝步驟中形成的相位級(jí)數(shù)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(shù)，降低了制造高衍射效率的衍射光學(xué)元件所需要的加工成本。二元光學(xué)臺(tái)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(chǎn)。 當(dāng)位相臺(tái)階數(shù)增加時(shí)，二元光學(xué)元件也能象連續(xù)浮雕元件一樣，具有很高的衍射效率。當(dāng)位相臺(tái)階數(shù)分別為2、4、8、16時(shí)，理論衍射效率分別為4l%、81%、95%和99%。隨著臺(tái)階數(shù)的增加，衍射效率增加，同時(shí)制作難度也會(huì)加大，對(duì)準(zhǔn)精度要求也更高。為確保高的衍射效率和制作精度，需采用多次光刻和刻
蝕工藝來產(chǎn)生多位相臺(tái)階衍射微透鏡。在光刻工藝中，二元光學(xué)元件的位相等級(jí)數(shù)L和所需的掩模數(shù)N之間存在這樣的關(guān)系：L=2Ⅳ。因此制作8相位臺(tái)階和16相位臺(tái)階微透鏡分別需要三塊和四塊掩模版。實(shí)際制作中一般采用三塊掩模版，經(jīng)三次光刻和三次刻蝕技術(shù)制造八相位(或八臺(tái)階)衍射微透鏡陣列，可基本滿足要求。微透鏡陣列的制作工藝主要包括掩模版的設(shè)計(jì)和制作，利用光刻技術(shù)將所設(shè)計(jì)的掩模版圖形轉(zhuǎn)印到光刻膠上，利用干法刻蝕或濕法刻蝕技術(shù)將光刻膠圖形高保真地轉(zhuǎn)移到襯底表面，形成所需的浮雕結(jié)構(gòu)。
(2)電子束直寫技術(shù)
為了避免多次套刻出現(xiàn)的誤差累積問題，人們開發(fā)出了多種一次成型的加工技術(shù)，如金剛石車削法、激光直寫法、化學(xué)沉積法等。直寫法是比較實(shí)用的方法，分為電子束直寫、離子束直寫以及激光束直寫三種。采用電子直寫技術(shù)制作微光學(xué)器件始于80年代初，電子束直寫原理與激光束直寫不同，在進(jìn)行直寫前，必須在基底上預(yù)先鍍一層導(dǎo)電膜(如Au，In，O，等)，以便曝光時(shí)泄露電子。電子束直寫的分辨率非常高，美國加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校電子工程系利用電子束直寫技術(shù)制作的直徑為45um的微透鏡，其臨界尺寸僅為60nm。電子束直寫是制作亞波長結(jié)構(gòu)微透鏡的重要手段。
(3)灰度掩模技術(shù)
灰度掩模技術(shù)利用灰度等級(jí)掩模版經(jīng)一次光刻實(shí)現(xiàn)多臺(tái)階衍射光學(xué)元件或連續(xù)位相變化的浮雕圖形，然后經(jīng)刻蝕(或薄膜沉積)，將圖形高保真地轉(zhuǎn)移到基底上。該技術(shù)把復(fù)雜的多次光刻和圖形轉(zhuǎn)移簡化為一次完成，無套刻中對(duì)準(zhǔn)誤差等問題，適合于大批量生產(chǎn)，縮短了生產(chǎn)周期和降低了成本?；叶妊谀＜夹g(shù)關(guān)鍵之處就是灰度等級(jí)掩模版的制作。目前比較常用的兩種方法是彩色編碼掩模版和高能電子束敏感玻璃掩模版。前者利用不同顏色，表示不同的灰度等級(jí)，一種顏色代表一個(gè)灰度等級(jí)，四相位表面浮雕分布，用四種顏色表示，八相位浮雕表面分布用八種顏色表示，然后再將用顏色表示的灰度圖形，用高分辨率彩色打印機(jī)打印在透明膠片上，再將此彩色膠片通過精縮轉(zhuǎn)到成黑白透明膠片上，這樣就形成了具有不同灰度等級(jí)掩模版，通過一次曝光可得到多相位臺(tái)階的浮雕表面分布結(jié)構(gòu)。這種掩模版分辨率較低，器件的相位輪廓臺(tái)
階束直接受到打印機(jī)彩色等級(jí)限制。高能電子束敏感玻璃掩模版(HEBS)利用其對(duì)不同能量電子束的敏感程度不同，形成透過率為臺(tái)階變化或連續(xù)變化的真正灰度掩模版。這種掩模版分辨率高，可達(dá)500個(gè)灰度等級(jí)，且掩模版制作過程簡單，成本低。利用HEBS扶度等級(jí)掩模版所制作的元件具有分辨率高，衍射效率局等其它方法所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。隨著扶度等級(jí)的升高。浮雕分布近似連續(xù)分布，但是扶度掩模的制作隨著其灰階的增多將變得十分困難，制作成本也將大幅度上。
以上所迷的各種微透鏡陣列的制作方法，對(duì)于制作小批量的微透鏡陣列較為臺(tái)適。但是，直¨果需要大批量生產(chǎn)微透鏡陣列，以上方法就不太方便，而且成本高，總的生產(chǎn)過程復(fù)雜，產(chǎn)品均勻性難以保證。因此發(fā)展復(fù)制技術(shù)成為降低微光學(xué)器件成本、推J1應(yīng)用的關(guān)鍵。一般在光刻膠表面制作微結(jié)構(gòu)具有以下缺點(diǎn)：
一、光刻膠材料表面比較粗糙，易引起漫敞射，降低器件的光學(xué)性能；
二、光刻膠材料表面機(jī)械強(qiáng)度低，易受磨損且不適用于惡劣環(huán)境。
