CN115267953A - 微透镜的制备方法及制得的微透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微透镜的制备方法及制得的微透镜,微透镜的制备方法包括:S1、在衬底上设置表面氧化层,通过所述表面氧化层改变所述衬底表面的亲水性;S2、在表面氧化层上涂覆光刻胶,形成光刻胶层;S3、对所述光刻胶层进行曝光、显影处理,使所述光刻胶层形成一个或多个圆柱状的光刻胶柱;S4、对所述衬底进行加热,使所述光刻胶柱热回流形成微透镜面形;S5、通过离子束刻蚀技术,将所述微透镜面形转移至所述衬底上,形成微透镜。本发明的微透镜制备方法,通过表面氧化层改变衬底表面的亲水性,使得后续光刻胶柱在热回流时与衬底的接触角α在一定范围连续可调,进而使得制备的微透镜面形在一定范围内连续可调,有助于获得不同曲率的微透镜。
Description
技术领域
本发明涉及微透镜制备技术领域,尤其涉及一种微透镜的制备方法及制得的微透镜。
背景技术
透镜作为一种常见的光学元件,能够用来汇聚、发散、准直光束,被广泛运用于生活的方方面面。随着时代的发展,各种元器件的集成需求不断提高,利用传统方法制备的透镜由于工艺复杂、不易集成且体积大等劣势使得其运用面临一定的局限性,所以近些年基于微光学技术发展了微透镜的制备。微透镜不仅能够实现透镜的基本功能,还能实现光计算、光数据传输、两维点光源产生等一系列功能。目前已经报道的制作微透镜的主要有全息法、平面工艺离子交换法、菲涅耳波带透镜法、光敏玻璃法、光刻胶热熔法等,其中光刻胶热熔法由于制备工艺简单、周期短、成本低等优点,成为微透镜研究领域的热点之一。
对于光刻胶热熔法,光刻胶热熔后与衬底形成的接触角决定了微透镜面形,而接触角的大小与光刻胶的属性以及衬底表面的属性紧密相关,与光刻胶的厚度、微透镜的半径等参数无关。因此,当选定光刻胶和衬底后,原则上通过热熔融法形成的光刻胶的面形的固定的,这就在很大程度上现在了微透镜的应用范围。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于,提供一种利用表面氧化层调控微透镜面形的微透镜制备方法以及制得的微透镜。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供一种微透镜制备方法,包括以下步骤:
S1、在衬底上设置表面氧化层,通过所述表面氧化层改变所述衬底表面的亲水性;
S2、在表面氧化层上涂覆光刻胶,形成光刻胶层;
S3、对所述光刻胶层进行曝光、显影处理,使所述光刻胶层形成一个或多个圆柱状的光刻胶柱;
S4、对所述衬底进行加热,使所述光刻胶柱热回流形成具有预设接触角的微透镜面形;
S5、通过离子束刻蚀技术,将所述微透镜面形转移至所述衬底上,形成微透镜。
优选地,所述衬底的材料包括硅、锗中至少一种。
优选地,所述表面氧化层为将所述衬底进行表面氧化处理得到;所述表面氧化处理为在氧气气氛下,进行高温、紫外、臭氧或等离子处理。
优选地,所述表面氧化层的厚度为0.1nm-10nm。
优选地,步骤S1中,所述衬底的厚度大于所述光刻胶层的厚度。
优选地,所述光刻胶层的厚度为5μm~50μm;
所述光刻胶柱的直径为100μm~2000μm。
优选地,步骤S3中,所述衬底置于可加热底板上,通过所述可加热底板对所述衬底及其上的光刻胶柱加热。
优选地,所述离子束刻蚀技术选用感应耦合等离子刻蚀,蚀刻气体为SF6和O2。
优选地,步骤S4中,对所述衬底的加热温度为100℃~200℃,加热时间为1min~10min。
本发明还提供一种微透镜,采用以上任一项所述的微透镜制备方法制成。
本发明的有益效果:通过表面氧化层改变衬底表面的亲水性,使得后续光刻胶柱在热回流时与衬底的接触角α在一定范围连续可调,进而使得制备的微透镜面形在一定范围内连续可调,有助于获得不同曲率的微透镜。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
图1是本发明一实施例的微透镜的制备方法中表面氧化层形成在衬底上的剖面结构示意图;
图2是本发明一实施例的微透镜的制备方法中光刻胶层形成在表面氧化层上的剖面结构示意图;
图3是本发明一实施例的微透镜的制备方法中光刻胶层形成光刻胶柱的剖面结构示意图;
图4是本发明一实施例的微透镜的制备方法中光刻胶柱热回流形成微透镜面形的剖面结构示意图;
图5是本发明一实施例的微透镜的制备方法制得的微透镜的剖面结构示意图;
图6是本发明一实施例的微透镜的制备方法制得的微透镜的俯视图;
图7是本发明另一实施例的微透镜的制备方法制得的微透镜的俯视图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解,现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1-6所示,本发明一实施例的微透镜制备方法,包括以下步骤:
S1、在衬底100上设置表面氧化层200,通过表面氧化层200改变衬底100表面的亲水性,如图1所示。
其中,衬底100可选用硅、锗等能形成氧化键的材料制成。衬底100表面为疏水性,通过表面氧化层200在其上设置,使得具有亲水性。
在设置表面氧化层200前,对衬底100表面进行清洗,去除表面的自然氧化层、杂质等。例如,对于衬底100采用硅制成,可使用缓冲氧化物刻蚀液(BOE)将硅表面的氧化层去除干净。
表面氧化层200为将衬底100进行表面氧化处理得到;表面氧化处理为在氧气气氛下,进行高温、紫外、臭氧或等离子处理。表面氧化处理中,通过采用不同方式及其参数,实现对衬底100表面进行不同程度的氧化,使得衬底100表面的亲水性连续变化,达到与后续需要形成的微透镜的曲率对应(即也与接触角α对应)的亲水性。
根据衬底100材料不同,表面氧化层200也不同。例如,对于硅基的衬底100,经过表面氧化处理后会在衬底100表面引入氧化硅层(即表面氧化层200),形成具有亲水性的硅氧键;对于锗基的衬底100,经过表面氧化处理后会在衬底100表面引入氧化锗层(即表面氧化层200),形成具有亲水性的锗氧键。
表面氧化层200的厚度为纳米级,例如为0.1nm-10nm。
在一选择性实施方式中,选用氧气气氛下,以等离子处理方式对硅基的衬底100进行表面氧化处理,气流量固定为30sccm,功率固定为100W,处理时间从5s-300s变化,使之在衬底100表面形成表面氧化层200。
S2、在表面氧化层200上涂覆光刻胶,以在表面氧化层200上形成厚度均匀的光刻胶层301,如图2所示。
可采用匀胶机/旋涂仪等设备将光刻胶均匀涂覆在表面氧化层200的表面上,所形成的光刻胶层301的厚度可通过改变匀胶机/旋涂仪的转速、时间以及旋涂次数进行控制,并且使得形成的光刻胶层301的厚度小于衬底100的厚度,从而保证后续通过离子束刻蚀将光刻胶的微透镜图形转移到衬底100上,形成微透镜。
衬底100厚度可为50μm~1000μm,例如可选但不限于500μm。光刻胶层301的厚度可为5μm~50μm。
S3、对光刻胶层301进行曝光、显影处理,使光刻胶层301形成一个或多个圆柱状的光刻胶柱302,如图3所示。
图3示出了在衬底100上形成一个光刻胶柱302的结构示意图。当在衬底100上形成多个光刻胶柱302时,多个光刻胶柱302可呈阵列排布。
对于厚度为5μm~50μm的光刻胶层201,曝光、显影后形成的光刻胶柱302的直径为100μm~2000μm,直径结合厚度设置,以保证微透镜具有良好的曲面面形。
该步骤S3具体操作如下:对光刻胶层301进行紫外曝光,再经过显影液浸泡,去除变性的光刻胶,使得光刻胶图形化,形成光刻胶柱302。
结合图2至图3,以上步骤S2和S3,在一选择性实施方式中,选用光刻胶AR-P 3220,旋涂仪转速为1000rpm,时间为90s,形成70μm后的光刻胶层201。经过紫外曝光,剂量设置为950mJ/cm2,然后再经过显影液AR 300-26浸泡6min,形成图形化的光刻胶柱302。
S4、对衬底100进行加热,使光刻胶柱302通过热回流具有预设接触角α的微透镜面形303,如图4所示。
作为加热的可选实施方式,对衬底100进行加热,使其达到符合光刻胶柱302热回流的温度,使光刻胶柱302上通过热回流形成微透镜面形。或者,衬底100置于可加热底板(未图示)上,通过可加热底板对衬底100及其上的光刻胶柱302加热,使光刻胶柱302上通过热回流形成微透镜面形。又或者,将衬底100及其上的光刻胶柱302置于烘箱中,以设定温度进行烘烤,使光刻胶柱302上通过热回流形成微透镜面形。
作为选择,对衬底100的加热温度为100℃~200℃,加热时间为1min~10min。加热的温度和时间根据光刻胶的种类不同而不同。
在一选择性实施方式中,采用AR-P 3220光刻胶形成厚度为70μm的光刻胶柱302,对衬底100的加热温度为150℃,加热时间为8min,保证光刻胶进行充分地热回流。
其中,当光刻胶柱302热回流时,衬底100表面通过表面氧化层200实现的亲水性的改变,使得热回流时光刻胶与衬底100的接触角α在一定范围连续可调,进而使得制备的微透镜面形在一定范围内连续可调。同时,该表面氧化层200的厚度极薄(纳米级),不会影响后续刻蚀进行图案转移。由此通过利用表面氧化层200可以在一定范围中获得曲率连续可调的微透镜。
S5、通过离子束刻蚀技术,将微透镜面形303转移至衬底100上,形成微透镜,如图4-图6所示。
其中,以图形化且经过热回流的微透镜面形303作为掩模,采用离子束刻蚀技术使微透镜面形303和底部的衬底100实现1:1的刻蚀速率,当微透镜面形303被完全刻蚀干净时,微透镜面形303的图案也就成功转移到衬底100上,形成微透镜304。
由于衬底100上的表面氧化层200的厚度极薄(纳米级),通过刻蚀技术进行微透镜面形转移时可以迅速被刻蚀掉,从而不影响刻蚀所得的微透镜整体形貌。
离子束刻蚀技术可选反应离子束刻蚀(RIE)或者感应耦合等离子蚀刻(ICP),优选地采用刻蚀光洁度较高的ICP进行刻蚀。
对于感应耦合等离子蚀刻工艺,蚀刻气体为SF6和O2。进一步地,反应刻蚀气体流量及其种类为50sccm的SF6和10sccm的O2,ICP功率为2000W,HF功率为250W,刻蚀腔体内压强为30mtorr。
针对70μm厚的微透镜面形303,刻蚀时间可为60min,以使微透镜面形303能够充分刻蚀,图案成功转移到衬底100上,形成微透镜304。
上述实施例的微透镜制备方法制得的微透镜,可如图5、图6所示,在衬底100上形成一个微透镜304。
在其他实施例中,通过在衬底100上形成多个阵列排布的光刻胶柱302,通过后续的热回流及蚀刻等,在衬底100上形成阵列排布的多个微透镜304,实现微透镜面形的批量调控与制备,也适用于半导体光学芯片,如图7所示。
上述的微透镜,由于在衬底100表面通过表面氧化层200进行亲水性的改变,结合后续光刻胶柱302的热回流形成不同接触角α的微透镜面形,实现微透镜面形的可调,从而得到具有所需曲率的微透镜304。
本发明的制备方法实现了不同曲率微透镜的制备获得。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种微透镜的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、在衬底上设置表面氧化层,通过所述表面氧化层改变所述衬底表面的亲水性;
S2、在表面氧化层上涂覆光刻胶,形成光刻胶层;
S3、对所述光刻胶层进行曝光、显影处理,使所述光刻胶层形成一个或多个圆柱状的光刻胶柱;
S4、对所述衬底进行加热,使所述光刻胶柱热回流形成具有预设接触角的微透镜面形;
S5、通过离子束刻蚀技术,将所述微透镜面形转移至所述衬底上,形成微透镜。
2.根据权利要求1所述的微透镜的制备方法,其特征在于,所述衬底的材料包括硅、锗中至少一种。
3.根据权利要求1所述的微透镜的制备方法,其特征在于,所述表面氧化层为将所述衬底进行表面氧化处理得到;所述表面氧化处理为在氧气气氛下,进行高温、紫外、臭氧或等离子处理。
4.根据权利要求1所述的微透镜的制备方法,其特征在于,所述表面氧化层的厚度为0.1nm-10nm。
5.根据权利要求1所述的微透镜的制备方法,其特征在于,步骤S1中,所述衬底的厚度大于所述光刻胶层的厚度。
6.根据权利要求1所述的微透镜的制备方法,其特征在于,所述光刻胶层的厚度为5μm~50μm;
所述光刻胶柱的直径为100μm~2000μm。
7.根据权利要求1所述的微透镜的制备方法,其特征在于,步骤S3中,所述衬底置于可加热底板上,通过所述可加热底板对所述衬底及其上的光刻胶柱加热。
8.根据权利要求1所述的微透镜的制备方法,其特征在于,所述离子束刻蚀技术选用感应耦合等离子刻蚀,蚀刻气体为SF6和O2。
9.根据权利要求1-8任一项所述的微透镜的制备方法,其特征在于,步骤S4中,对所述衬底的加热温度为100℃~200℃,加热时间为1 min~10min。
10.一种微透镜,其特征在于,采用权利要求1-9任一项所述的微透镜的制备方法制成。
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2022
- 2022-07-29 CN CN202210908320.1A patent/CN115267953A/zh active Pending
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