CN102253436A - 基于数字掩模光刻技术的微透镜阵列的制作方法 - Google Patents

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高益庆
钟希欢
罗宁宁
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Abstract

一种基于数字掩模光刻技术的微透镜阵列的制作方法，其方法步骤为：将阵列中的单个透镜的高度等分为n个小微元，利用勾股定理计算出每一等分台阶对应平面圆的直径，将其进行四舍五入的取整处理，使其是DMD单个像素的整数倍。利用成像优化技术设计得到曝光图形，曝光、显影后得到微透镜阵列的浮雕结构。本发明的技术效果是：1、从设计上减小了传统方法给制作器件带来的误差，使微透镜具有更精确的表面轮廓结构，极大改善了微透镜阵列光学使用性能；2、融合数字实时、分形及旋转等成像优化技术，提高了对准精度，并减少了掩膜的数据量，节省大量的存储空间；3、可以保留更多透镜的微细结构，从而在制作方面受透镜表面形状限制更小。

Description

基于数字掩模光刻技术的微透镜阵列的制作方法
技术领域
本发明涉及一种基于数字掩模光刻技术的微透镜阵列的制作方法。
背景技术
随着激光技术和微细加工技术的发展，微光学阵列器件的制作技术发展是越来越快。具有大数值孔径、高填充因子、高衍射效率等特点的微透镜阵列在现代国防科技和其他重要领域有着重要的应用价值和越来越广阔的发展前景。
传统的机械式的旋转掩膜方法能制作较大数值孔径、中心轴对称或旋转对称的微光学阵列器件，但是掩膜的旋转速度、时间的精确控制、曝光量的精确调制等方面受到很大的限制，加之成本高、机械对准误差大等，现已被数字旋转掩膜光刻技术所取代。但是数字旋转掩膜光刻技术容易丢失掩膜图形中的高频成分而造成曝光图形边缘模糊，从而使微透镜阵列的三维结构畸变而影响到微透镜阵列的光学使用性能，加之该方法难以制作面形较复杂的微光学阵列器件，因而不能很好的满足实际的需求。除此之外，数字掩膜光刻技术当中所使用的空间光调制器(SLM)通常是数字微反射镜器件(DMD)，它由许多个微小的反射镜组成的，我们把一个这样的微型镜叫做一个像素，正是DMD的这种特有的结构，当制作的微光学器件的尺寸和像素在同一数量级时，就会出现图形失真。所以在使用数字掩膜光刻技术制作微透镜阵列的过程中就不可避免的会出现图形失真的情况。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种基于数字掩模光刻技术的微透镜阵列的制作方法，在光刻中利用该方法制作微透镜阵列能有效克服传统数字掩膜技术造成的误差、提高对准精度，而且受微透镜阵列表面形状限制更小等优点。该种方法进一步改善了制作出来的微透镜阵列的表面轮廓及其三维结构，极大的提高了微透镜阵列的光学使用性能。
本发明是这样来实现的，其方法步骤为：将阵列中的单个透镜的高度等分为n个小微元，根据勾股定理计算出每一个等分台阶对应的平面圆的直径，然后将直径进行四舍五入的取整处理，使其是DMD单个像素的整数倍，这样就可以消除DMD的显示失真的误差。经计算这样量化后的结果其微透镜的体积误差要比纯粹等距量化后的小很多。接下来根据取整处理后的直径，可以设计出n幅简单的曝光图形。融合数字实时、分形及旋转等成像优化技术后，设计出最终所需要的m幅曝光图形，其中m远小于n，该m幅掩膜图形可以实现前面n幅简单的曝光图形的曝光效果，这样的设计提高了掩膜图形的对准精度，而且极大的减少了曝光图形的数据量，节省大量的存储空间。这m幅曝光图形是具有不同透过率的二维掩膜，调制并通过精缩后在抗蚀剂上形成的光强分布为                                                
Figure 2011102037651100002DEST_PATH_IMAGE001
，令每一幅曝光图形的显示时间为
Figure 148175DEST_PATH_IMAGE002
，则可知每一幅曝光图形在抗蚀剂上得到的曝光量分布，把设计好的曝光图形按一定的时间间隔在计算机上显示，曝光后实现曝光量的累积，显影后在显微镜下可以观察到所设计的微透镜阵列的浮雕结构。
其中数字实时技术就是利用计算机对曝光掩膜图形的曝光位置和曝光时间进行精确的控制；数字分形技术是将高频灰度掩模图形分解成n幅二维的低频掩模，将低频掩模沿垂直于掩模所在平面的方向按顺序对准依次曝光，叠加曝光后的曝光量之和等于原高频掩模对应位置的灰阶欲调制的曝光量，从而恢复出与未分形的高频掩模对应的曝光图形，该技术可以极大程度上减少曝光图形的高频信息的丢失，提高制作精细度；数字旋转技术是指利用计算机程序控制掩模图形旋转，通过控制旋转速度和曝光时间可得到曝光能量的积累，从而得到所需要的曝光量的分布，实现数字掩模图形的曝光分布，该技术可以提高掩膜的灵活性和对准精度。融合数字实时、分形和旋转等成像优化技术可实现对像面光强分布的优化，提高光刻成像效率，改善光刻成像质量。
本发明的技术效果是：1、从设计上减小了传统方法给制作器件带来的误差，使微透镜具有更精确的表面轮廓结构，极大改善了微透镜阵列光学使用性能；2、融合数字实时、分形及旋转等成像优化技术，提高了对准精度和光刻成像效率，改善光刻成像质量，而且还极大的减少了掩膜的数据量，节省大量的存储空间；3、可以对阵列中的单个透镜进行更高阶数的量化，而掩膜生成的数据量却增加缓慢，这样可以保留更多透镜的微细结构的信息，从而在制作方面受透镜表面形状限制更小。
附图说明
图1为阵列中单个微透镜的等高量化原理图。
图中为第个台阶所对应平面圆的垂直高度；
Figure 190955DEST_PATH_IMAGE006
为微透镜的最大高度；  
Figure 2011102037651100002DEST_PATH_IMAGE007
为微透镜底面最大圆的圆心到曲面圆心的距离； 
Figure 997368DEST_PATH_IMAGE008
为微透镜底面最大圆的半径；
Figure 2011102037651100002DEST_PATH_IMAGE009
为第
Figure 814014DEST_PATH_IMAGE005
个台阶所对应的曲率半径；
Figure 877259DEST_PATH_IMAGE010
为第
Figure 462961DEST_PATH_IMAGE005
个台阶所对应平面圆的半径。
图2为根据上述方法步骤所设计出的曝光图形。
具体实施方式
在图1中，对该微透镜进行n阶等高量化，则有：
Figure 2011102037651100002DEST_PATH_IMAGE011
其中
Figure 705855DEST_PATH_IMAGE012
为单位量化高度；
根据图1可知：
Figure 2011102037651100002DEST_PATH_IMAGE013
Figure 9797DEST_PATH_IMAGE003
即实际曝光刻蚀后的台阶的高度，这个高度在曝光过程中就相应的决定了曝光量的大小。本发明中采用的是等高量化，所以各个曝光高度之间是存在着倍数关系，这样就可以帮助我们设定各幅掩膜图形曝光的时间间隔。
在图1中，根据勾股定理可知各边长间的关系：
Figure 596505DEST_PATH_IMAGE014
则有第
Figure 302293DEST_PATH_IMAGE005
个台阶所对应平面圆的半径：
则有第个台阶所对应平面圆的直径：
Figure 2011102037651100002DEST_PATH_IMAGE017
然后对所得到的直径进行四舍五入的取整处理，这样得到的结果是：使处理后的直径长度是DMD单个像素的整数倍，这样可以消除了DMD的显示失真的误差；而且这样得到的量化结果其微透镜的体积误差要比纯粹等距量化方法小很多。
根据取整处理后的直径，可以设计出n幅简单的曝光图形。融合数字实时、分形及旋转等成像优化技术后，设计出最终所需要的m幅曝光图形，其中m远小于n，这m幅曝光图形是具有不同透过率的二维掩膜，调制并通过精缩后在抗蚀剂上形成的光强分布为
Figure 635076DEST_PATH_IMAGE001
，令没每一幅曝光图形的显示时间为
Figure 195370DEST_PATH_IMAGE002
，则在抗蚀剂上得到的总的曝光量分布为：
Figure 967017DEST_PATH_IMAGE019
在图2中，这是根据上述的原理和方法步骤设计出来最终需要的曝光掩膜图形。图2是将阵列中的单个微透镜的高度等分成16个微元的情况，本应有16幅曝光图形，,在融合数字实时、分形及旋转等成像优化技术后，只需要4幅曝光图形，并且可以实现前面16幅曝光图形的曝光效果。这组曝光图形按照设置好的时间间隔进行曝光，显影后在显微镜下观察可以得到所设计的微透镜阵列的浮雕结构。 

Claims (1)

1.一种基于数字掩模光刻技术的微透镜阵列的制作方法，其特征是方法步骤为：将阵列中的单个透镜的高度等分为n个小微元，然后根据勾股定理计算出每一等分台阶对应平面圆的直径，并将其进行四舍五入的取整处理，使其是DMD单个像素的整数倍，这样就可以消除DMD的显示失真的误差，根据取整处理后的直径设计出n幅简单的曝光图形，融合数字实时、分形及旋转等成像优化技术后，设计出最终所需要的m幅曝光图形，其中m远小于n，该m幅掩膜图形可以实现前面n幅简单曝光图形的曝光效果，这m幅曝光图形是具有不同透过率的二维掩膜，调制并通过精缩后在抗蚀剂上形成的光强分布为                                               
Figure 2011102037651100001DEST_PATH_IMAGE002
，令每一幅曝光图形的显示时间为
Figure 2011102037651100001DEST_PATH_IMAGE004
，则可知每一幅曝光图形在抗蚀剂上得到的曝光量分布，把设计好的曝光图形按一定的时间间隔在计算机上显示，进行曝光后实现曝光量累积，显影后在显微镜下可以观察到所设计的微透镜阵列的浮雕结构。
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