專(zhuān)利名稱(chēng)：基于負(fù)性光刻膠和掩膜移動(dòng)曝光工藝的微透鏡陣列制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微納加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種基于負(fù)性光刻膠和掩膜移動(dòng)曝光エ 藝的微透鏡陣列制備方法。
背景技術(shù)：
微透鏡陣列是按一定規(guī)則排布的多個(gè)微透鏡，単元大小一般在微米量級(jí)。微透鏡陣列在光束勻滑、液晶顯示、波前傳感、CCD或CMOS傳感器等方面有廣泛的應(yīng)用。目前使用較多的微透鏡陣列加工方法主要有熱熔法、直寫(xiě)法、灰度掩膜和移動(dòng)掩膜法等，這些方法各有特點(diǎn)。其中熱熔法將光刻膠加工成相互獨(dú)立的微柱體陣列，然后加熱基片使光刻膠熱熔，在表面張カ的作用下，光刻膠柱體會(huì)逐漸變成接近球形的微透鏡。熱熔法的特點(diǎn)是エ藝簡(jiǎn)單、成本低、可制作大面積微透鏡陣列。但熱熔法由于必須使光刻膠處于熔融狀態(tài)，依靠表面張カ成型，只適合制作數(shù)值口徑較大的微凸透鏡。直寫(xiě)法是采用激光直寫(xiě)或電子束直寫(xiě)，按照設(shè)計(jì)的微透鏡結(jié)構(gòu)對(duì)光刻膠進(jìn)行逐點(diǎn)曝光。這類(lèi)方法的精度很高，理論上可以加工任意面形的微透鏡陣列。但直寫(xiě)設(shè)備的價(jià)格昂貴，逐點(diǎn)直寫(xiě)方式的效率很低， 導(dǎo)致成本很高；另外加工面積較小，圖形的深度也很有限?；叶妊谀な峭ㄟ^(guò)掩膜ニ元編碼來(lái)控制曝光量的分布，這種方法對(duì)光強(qiáng)的調(diào)制能力較強(qiáng)，通過(guò)掩膜的設(shè)計(jì)，可以制作不同類(lèi)型的微透鏡陣列。但所用的掩膜加工成本很高，而且要通過(guò)縮小成像系統(tǒng)進(jìn)行投影光刻，エ藝較復(fù)雜，加工面積較小。移動(dòng)掩膜法是ー種較新的微透鏡陣列制作方法，它是通過(guò)曝光過(guò)程中掩膜的移動(dòng)來(lái)調(diào)制曝光量的分布，以實(shí)現(xiàn)微透鏡的結(jié)構(gòu)。和其他方法相比，移動(dòng)掩膜法所用的掩膜圖形簡(jiǎn)單，成本低，可曝光面積大，效率和填充比都較高。同時(shí)移動(dòng)掩膜法也可以通過(guò)改變掩膜的設(shè)計(jì)來(lái)制備不同面形和口徑形狀的微透鏡陣列，包括非球面的微透鏡陣列，是ー種方便靈活的微透鏡陣列加工方法。移動(dòng)掩膜法使用的光刻膠一般為正性光刻膠，而正性光刻膠存在熱熔變形的特性，在后烘過(guò)程中光刻膠的面形發(fā)生變化，從而影響所制備的微透鏡陣列面型質(zhì)量。此外，當(dāng)微透鏡陣列的刻蝕深度很大或使用的基片較厚吋，刻蝕過(guò)程中產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)傳導(dǎo)，會(huì)使光刻膠的溫度升高。溫度達(dá)到一定值后，正性光刻膠熱熔變形，使刻蝕得到的微透鏡面形發(fā)生改變。而要降低溫度，使正性光刻膠不變形，一般只能減小刻蝕速率，嚴(yán)重影響加工的效率。負(fù)性光刻膠由于其特有的交聯(lián)反應(yīng)，使其在高溫下基本不產(chǎn)生形變，而且具有很好的抗刻蝕能力，適合深刻蝕。但負(fù)性光刻膠的曝光特性決定了它很難產(chǎn)生連續(xù)變化的面形，一般只用于加工具有明顯臺(tái)階的結(jié)構(gòu)。而隨著微透鏡應(yīng)用的日趨廣泛，需要深刻蝕或者將微透鏡陣列加工在厚基片上的情況將不可避免，這就需要一種結(jié)合移動(dòng)掩膜法和負(fù)性光刻膠的優(yōu)勢(shì)，適用于深刻蝕或厚基片的高效率微透鏡陣列加工方法
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有的微透鏡陣列制備方法在需要深刻蝕或使用厚基片時(shí)存在的不足，提出ー種既可用于普通微透鏡陣列制備，又適用于需要深刻蝕或使用厚基片情況的微透鏡陣列加工方法。本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是基于負(fù)性光刻膠和掩膜移動(dòng)曝光エ藝的微透鏡陣列制備方法，其制備流程如圖1 所示，包括以下步驟步驟1)選取合適的基片，對(duì)其表面進(jìn)行清洗并烘干；步驟2、在清洗好的基片上涂覆負(fù)性光刻膠，并進(jìn)行前烘；步驟幻將涂有光刻膠的基片置于曝光設(shè)備，從基片未涂膠的一面進(jìn)行無(wú)掩膜曝光；步驟4)將完成無(wú)掩模曝光的基片重新放入掩膜移動(dòng)曝光設(shè)備，從光刻膠表面進(jìn)行掩膜移動(dòng)曝光；步驟幻對(duì)曝光完成后的基片做后烘、顯影及定影處理；步驟6)以步驟幻完成的光刻膠圖形為掩蔽層，采用干法刻蝕設(shè)備將光刻膠圖形傳遞到基片上；步驟7)去除底膠獲得最終的微透鏡陣列結(jié)構(gòu)。所述微透鏡單元結(jié)構(gòu)可以為任意形狀；所述步驟1)中基片材料為紫外透射材料；所述步驟2、中的負(fù)性光刻膠為紫外負(fù)性光刻膠；所述步驟2)中負(fù)性光刻膠的涂覆厚度為5 IOOum ；涂覆方式可以為旋涂或噴涂；所述步驟幻中曝光劑量根據(jù)涂覆的光刻膠厚度在20 200mJ/cm2之間調(diào)節(jié)；所述步驟4)中的掩膜需根據(jù)待制備微透鏡的面型、矢高預(yù)先進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工；掩膜的単元尺寸和待制備微透鏡陣列的単元尺寸相同，每個(gè)掩膜単元中包含多個(gè)子單元，在平行于掩膜移動(dòng)的方向上依次排列；子單元的結(jié)構(gòu)根據(jù)各個(gè)子単元對(duì)應(yīng)位置的微透鏡面形設(shè)計(jì)，其具體數(shù)目由微透鏡単元的尺度決定；所述步驟4)中的掩膜移動(dòng)曝光可以為接近式曝光或投影式曝光，曝光劑量根據(jù)涂覆的光刻膠厚度在20 lOOOmJ/cm2之間調(diào)節(jié)；所述步驟6)中的干法刻蝕設(shè)備可以為等離子刻蝕機(jī)、離子束刻蝕機(jī)、電感耦合等離子刻蝕機(jī)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明利用負(fù)性光刻膠和掩膜移動(dòng)曝光エ藝實(shí)現(xiàn)連續(xù)的微透鏡陣列結(jié)構(gòu)。同正性光刻膠相比，由于負(fù)性光刻膠在曝光和后烘過(guò)程中的交聯(lián)反應(yīng)，使其具有較好的抗刻蝕特性，適合深刻蝕；此外，基片較厚吋，刻蝕過(guò)程中產(chǎn)生的熱量因不能及時(shí)傳導(dǎo)而致使基片溫度較高，負(fù)性光刻膠在溫度較高時(shí)表面不易變形，可以保真光刻膠面形。本發(fā)明中所描述的方法不僅可用于普通微透鏡陣列的制備，還適用于需要深刻蝕或制備于厚基片上的微透鏡陣列加工。


圖1為本發(fā)明方法的流程圖；圖2為發(fā)明步驟1中的基片示意圖；圖3為發(fā)明步驟2中涂膠、烘烤完成后的示意圖；圖4為發(fā)明步驟3中無(wú)掩膜曝光的示意圖；圖5為發(fā)明步驟4中掩膜移動(dòng)曝光的示意圖；圖6為發(fā)明步驟4中的掩膜版単元結(jié)構(gòu)的示意圖；圖7為發(fā)明步驟5中顯影完畢后的光刻膠圖形示意圖；圖8為發(fā)明步驟7完成后的基片結(jié)構(gòu)示意圖。圖面說(shuō)明如下1為基片；2為負(fù)性光刻膠；3為紫外光；4為掩膜；5為掩膜移動(dòng)方向。
具體實(shí)施例方式下面將參照附圖詳述本發(fā)明方法，而不是要以此對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制。附圖中給出了示例性實(shí)施例，在不同的圖中相同的標(biāo)號(hào)表示相同的部分。但以下的實(shí)施例僅限于解釋本發(fā)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)包括權(quán)利要求的全部?jī)?nèi)容，而且通過(guò)以下實(shí)施例本領(lǐng)域的技術(shù)人員即可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明權(quán)利要求的全部?jī)?nèi)容。實(shí)施例1參考圖1流程，利用本發(fā)明的制備方法，采用負(fù)性光刻膠NR5-8000在K9玻璃基片上加工微透鏡，具體包括以下步驟1)選擇K9玻璃作為基片將厚度為5mm的玻璃依次用丙酮、酒精、去離子水超聲清洗，每步清洗5min，用氮?dú)獯蹈?，之后放置于烘箱?20°C，烘烤30min ；完成后如圖2 ；2)負(fù)性光刻膠的涂覆將準(zhǔn)備好的基片放入涂膠機(jī)里，采用旋涂的方式將負(fù)性光刻膠NR5-8000涂覆在玻璃基片上，旋涂的轉(zhuǎn)速為5000rpm，涂覆的厚度為6. 5um，之后將涂覆有光刻膠的基片放置在熱板上，150°C烘烤Imin ；完成后如圖3 ；3)無(wú)掩膜曝光將涂覆有光刻膠的基片放入曝光設(shè)備里，從基片的背面進(jìn)行無(wú)掩膜曝光，曝光方式如圖4所示，曝光劑量為33mJ/cm2 ；4)掩膜移動(dòng)曝光將完成的曝光基片重新放入移動(dòng)曝光設(shè)備里，從光刻膠表面進(jìn)行掩膜移動(dòng)曝光，曝光方式如圖5所示，曝光劑量為66mJ/cm2 ；使用的掩膜如圖6(a)所示， 單元大小200X500um，子單元大小200X25um ；掩膜移動(dòng)距離25um，步長(zhǎng)Ium ；5)后烘、顯影及定影將曝光完畢的基片放入熱板里進(jìn)行后烘，烘烤溫度為 100°C，烘烤時(shí)間Imin ；將烘烤完畢的基片于室溫自然冷卻之后進(jìn)行顯影，顯影液為RD6，顯影時(shí)間為aiiin ；最后將基片用流動(dòng)的去離子水沖洗10s，再用氮?dú)獯蹈桑煌瓿珊蟮墓饪棠z微透鏡陣列圖形如圖7所示；6)圖形的傳遞以光刻膠圖形為掩蔽層，采用等離子刻蝕設(shè)備將光刻膠圖形傳遞到玻璃基底上，刻蝕氣體為SF6 :15sccmXHF3 :27sccm，刻蝕功率為110w，刻蝕時(shí)間池，得到矢高為6 μ m的微透鏡；7)去除底膠完成設(shè)計(jì)所需的微透鏡陣列結(jié)構(gòu)將刻蝕完成的基片放入丙酮溶液里超聲清洗lOmin，使刻蝕殘留的底膠溶解于丙酮，再用去離子水超聲清洗5min，之后用氮?dú)獯蹈?，獲得如圖8所示的表面干凈的微透鏡陣列結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例2本實(shí)施例的制備方法同實(shí)施例1相同，區(qū)別在于使用石英材料為基底，采用離子束刻蝕制作矢高為20 μ m、口徑為500 μ m的微透鏡，具體條件如下所述1)選擇石英作為基片將厚度為IOmm的石英基片依次用丙酮、酒精、去離子水超聲清洗，每步清洗5min，用氮?dú)獯蹈?，之后放置于烘箱?20°C，烘烤30min ；完成后如圖2 ；2)負(fù)性光刻膠的涂覆將準(zhǔn)備好的基片放入涂膠機(jī)里，采用旋涂的方式將負(fù)性光刻膠NR5-8000涂覆在玻璃基片上，旋涂的轉(zhuǎn)速為SOOrpm，涂覆的厚度為23um，之后將涂覆有光刻膠的基片放置在熱板上，以120°C烘烤:3min ；完成后如圖3 ；3)無(wú)掩膜曝光將涂覆有光刻膠的基片放入曝光設(shè)備里，從基片的背面進(jìn)行無(wú)掩膜曝光，曝光方式如圖4所示，曝光劑量為42mJ/cm2 ；4)掩膜移動(dòng)曝光將完成無(wú)掩膜曝光的基片重新放入移動(dòng)曝光設(shè)備里，從光刻膠表面進(jìn)行掩膜移動(dòng)曝光，曝光方式如圖5所示，曝光劑量為88mJ/cm2 ；使用的掩膜如圖6 (b) 所示,單元大小500X500um，子單元大小500X25um ；掩膜移動(dòng)距離25um，步長(zhǎng)Ium ；5)后烘、顯影及定影將步驟曝光完畢的基片置于熱板上進(jìn)行后烘，烘烤溫度為 90°C，烘烤時(shí)間:3min ；烘烤完畢的基片自然冷卻之后進(jìn)行顯影，顯影液為RD6，顯影時(shí)間為 2min ；最后將基片用流動(dòng)的去離子水沖洗10s，再用氮?dú)獯蹈?；完成后光刻膠層將出現(xiàn)微透鏡陣列圖形，如圖7所示；6)圖形的傳遞以光刻膠圖形為掩蔽層，采用離子束刻蝕，刻蝕參數(shù)為電子束流為100A、離子束流為120A ；Ar流量為3. 6sCCm、制冷溫度為10°C、刻蝕時(shí)間為9h，得到矢高為20 μ m的微透鏡陣列；7)去除底膠完成設(shè)計(jì)所需的微透鏡陣列結(jié)構(gòu)將刻蝕完成的基片放入濃硫酸溶液于120°C煮30min，在用去離子水超聲lOmin，氮?dú)獯蹈傻玫绞父邽?0 μ m的微透鏡，獲得如圖8所示的表面干凈的微透鏡陣列結(jié)構(gòu)。本發(fā)明未詳細(xì)闡述的部分屬于本領(lǐng)域公知技木。
權(quán)利要求
1.基于負(fù)性光刻膠和掩膜移動(dòng)曝光エ藝的微透鏡陣列制備方法，其特征在于該方法使用負(fù)性光刻膠和掩膜移動(dòng)曝光技術(shù)制備微透鏡、微棱鏡微結(jié)構(gòu)陣列，包括以下步驟步驟1)選取合適的基片，對(duì)其表面進(jìn)行清洗并烘干；步驟幻在清洗好的基片上涂覆負(fù)性光刻膠，并進(jìn)行前烘；步驟；3)將涂有光刻膠的基片放入曝光設(shè)備里，從基片未涂膠的一面進(jìn)行無(wú)掩膜曝光；步驟4)將完成無(wú)掩膜曝光的基片重新放入掩膜移動(dòng)曝光設(shè)備，從光刻膠表面進(jìn)行掩膜移動(dòng)曝光；步驟幻對(duì)曝光完成后的基片做后烘、顯影及定影處理；步驟6)以步驟幻完成的光刻膠圖形為掩蔽層，采用干法刻蝕設(shè)備將光刻膠圖形傳遞到基片上；步驟7)去除底膠獲得最終的微透鏡陣列結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于負(fù)性光刻膠和掩膜移動(dòng)曝光エ藝的微透鏡陣列制備方法，其特征在干，所述微透鏡單元結(jié)構(gòu)可以為任意形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于負(fù)性光刻膠和掩膜移動(dòng)曝光エ藝的微透鏡陣列制備方法，其特征在干，所述步驟1)中基片材料為紫外透射材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于負(fù)性光刻膠和掩膜移動(dòng)曝光エ藝的微透鏡陣列制備方法，其特征在干，所述步驟2、中的負(fù)性光刻膠為紫外負(fù)性光刻膠。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于負(fù)性光刻膠和掩膜移動(dòng)曝光エ藝的微透鏡陣列制備方法，其特征在干，所述步驟2)中負(fù)性光刻膠的涂覆厚度為5 lOOum。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于負(fù)性光刻膠和掩膜移動(dòng)曝光エ藝的微透鏡陣列制備方法，其特征在干，所述步驟4)中的掩膜需根據(jù)待制備微透鏡的面型、矢高預(yù)先進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工；掩膜的単元尺寸和待制備微透鏡陣列的単元尺寸相同，每個(gè)掩膜単元中包含多個(gè)子単元，在平行于掩膜移動(dòng)的方向上依次排列；子單元的結(jié)構(gòu)根據(jù)各個(gè)子単元對(duì)應(yīng)位置的微透鏡面形設(shè)計(jì)，其具體數(shù)目由微透鏡単元的尺度決定。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于負(fù)性光刻膠和掩膜移動(dòng)曝光エ藝的微透鏡陣列制備方法，其特征在干，所述步驟4)中的掩膜移動(dòng)曝光可以為接近式曝光或投影式曝光。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于負(fù)性光刻膠和掩膜移動(dòng)曝光エ藝的微透鏡陣列制備方法，其特征在干，所述步驟6)中的干法刻蝕設(shè)備可以為等離子刻蝕機(jī)、離子束刻蝕機(jī)或者電感耦合等離子刻蝕機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于負(fù)性光刻膠和掩膜移動(dòng)曝光工藝的微透鏡陣列制備方法，其主要工藝流程包括選取基片，涂覆負(fù)性光刻膠，對(duì)基片先進(jìn)行無(wú)掩膜曝光，再進(jìn)行掩膜移動(dòng)曝光、后烘和顯影工藝獲得微透鏡陣列的光刻膠圖形，最后采用干法刻蝕將光刻膠圖形轉(zhuǎn)移到基片上，即可獲得微透鏡陣列結(jié)構(gòu)。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是利用負(fù)性光刻膠實(shí)現(xiàn)連續(xù)面形的微透鏡陣列加工。由于負(fù)性光刻膠具有較好的抗刻蝕特性，并且在溫度較高時(shí)光刻膠圖形不易變形，使得這種微透鏡陣列加工方法不僅可用于普通微透鏡陣列的制備，也可用于需要深刻蝕或制備于厚基片上的微透鏡陣列加工。
文檔編號(hào)G03F7/00GK102540284SQ20121002666
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月7日
發(fā)明者周崇喜, 岳衢, 李國(guó)俊, 李飛, 潘麗, 邱傳凱 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所