一种微透镜及其制备方法和实验装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种微透镜的制备方法，按照以下步骤实施：步骤1、将基片清洗干净，并在基片上涂覆一层光刻胶，再采用掩膜板执行光刻工艺，显影后在基片上得到光刻胶柱；步骤2、将经步骤1处理后的基片，直接放置在有机蒸汽的气氛下保持一定时间，通过有机蒸汽对光刻胶柱溶解回流形成具备球冠结构的掩膜，即光刻胶微透镜；步骤3、将步骤2中表面形成光刻胶微透镜掩膜的基片，在室温空气中静置1小时后，再对其进行干法刻蚀；步骤4、对步骤3中完成干法刻蚀的基片进行酸洗，去除光刻后的杂质，得到微透镜，解决了传统热回流方法制备微透镜掩膜时，在同一球冠直径下得到的微透镜曲率半径较小的问题。
【专利说明】
一种微透镜及其制备方法和实验装置
技术领域
[0001]本发明属于微光学技术领域，涉及一种微透镜及其制备方法和实验装置。
【背景技术】
[0002]随着科学技术的发展，光学器件的微型化集成化成为光学发展的重要方向。微透镜及微透镜阵列作为具有代表性的微光学器件之一，在影印机成像系统，立体照相，波前传感器的部件，Hartmann-Shack波前感应器领域具有广泛应用。
[0003]目前制备微透镜的方法包括热回流法，飞秒激光直写法，光电反应刻蚀法和沉积法等。使用较为广泛的是热回流法。具体步骤为将光刻胶旋涂在基片表面进行紫外曝光获得圆形图案，随后将基片在热板上加热，光刻胶图案由于表面张力的作用会自发形成球冠结构，以此作为掩膜，最后通过干法刻蚀将掩膜结构传递到基片表面获得微透镜或阵列。
[0004]热回流方法虽然操作简单，但是获得的微透镜具有较高的接触角，一般大于20度，也就是说在同一球冠直径下得到的微透镜，曲率半径较小。这限制了较长焦距微透镜的应用，如金刚石微透镜在拉曼激光转化器等应用领域。此外，该方法是通过从底面加热，是一种由下而上的制备方法，对于背面不平整且具有一定轮廓的基片，容易引起加热过程中热量分布不均匀而导致的微透镜结构不对称等问题，最后会影响到微透镜的质量。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种微透镜及其制备方法和实验装置，以解决传统热回流方法制备微透镜掩膜时，在同一球冠直径下得到的微透镜曲率半径较小的问题。
[0006]本发明所采用的第一种技术方案是，一种微透镜制备方法，按照以下步骤实施:
[0007]步骤1、将基片清洗干净，并在基片上涂覆一层光刻胶，再采用掩膜板执行光刻工艺，显影后在基片上得到光刻胶柱；
[0008]步骤2、将经步骤I处理后的基片，直接放置在有机蒸汽的气氛下保持一定时间，通过有机蒸汽对光刻胶柱溶解回流形成具备球冠结构的掩膜，即光刻胶微透镜；
[0009]步骤3、将步骤2中表面形成光刻胶微透镜掩膜的基片，在室温空气中静置一小时后，再对其进行干法刻蚀；
[0010]步骤4、对步骤3中完成干法刻蚀的基片进行酸洗，去除光刻后的杂质，得到微透
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[0011]进一步的，步骤2中使用的有机蒸汽为异丙醇、乙醇或异丙醇和乙醇的混合气体。
[0012]进一步的，步骤2中有机蒸汽的气氛温度为0-100°C，保持时间为5s?30min。
[0013]进一步的，基片为金刚石、蓝宝石或氮化镓。
[0014]进一步的，步骤I中涂覆的光刻胶厚度为Ιμπι?30μηι。
[0015]本发明采用的第二种技术方案是，上述制备方法中使用的实验装置，包括用于放置基片的样品架，样品架底部放置有用于盛放有机溶剂以提供有机蒸汽的表面皿，样品架的顶部罩有玻璃罩。
[0016]进一步的，样品架包括用于放置基片的支撑网，支撑网底部设置有支撑架。
[0017]本发明采用的第二种技术方案是，使用上述制备方法制备的微透镜。
[0018]本发明的有益效果是，提供了一种利用有机蒸汽溶解回流制备球冠结构光刻胶掩膜的方法，这种方法得到的微透镜在球冠底面直径一定的条件下，具有大的曲率半径。
【附图说明】
[0019]图1是本发明一种微透镜制备方法的实验装置的结构示意图；
[0020]图2是本发明一种微透镜制备方法与传统热回流方法制备的光刻胶微透镜轮廓对比图；
[0021]图3是本发明一种微透镜制备方法制备得到的微透镜照片；
[0022]图4发明一种微透镜制备方法制备得到的微透镜光学成像图。
[0023]图中，1.光刻胶微透镜，2.基片，3.玻璃罩，4.样品架，5.表面皿。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0025]本发明提供了一种微透镜制备方法，按照以下步骤实施:
[0026]步骤1、将基片2通过盐酸或氨水等进行酸碱洗，尽量清除表面杂质，保证基片表面清洁。然后在基片2上涂覆一层光刻胶，涂覆的光刻胶厚度为I微米?30微米。再采用掩膜板执行光刻工艺，显影后在所述基片2上得到光刻胶柱3。其中，基片2可以为金刚石、蓝宝石或氮化镓。
[0027]步骤2、将经步骤2处理后的基片2，直接放置在有机蒸汽的气氛下保持一定时间，通过有机蒸汽对光刻胶柱溶解回流形成具备球冠结构的掩膜，即光刻胶微透镜I。
[0028]其中，有机蒸汽为有机溶剂的蒸汽，通常为异丙醇和/或乙醇蒸汽。当使用异丙醇蒸汽作为有机蒸汽，所述异丙醇蒸汽的温度为0-100°C，保持时间为5s?20min;当使用乙醇蒸汽作为有机蒸汽，所述乙醇蒸汽的温度为0-100°C，保持时间为5s?20min。
[0029]步骤3、将步骤2中表面形成光刻胶微透镜I掩膜的基片2在室温空气中静置I小时后，再对其进行干法刻蚀。其中，选择金刚石为基片2时，刻蚀气体可以选择Ar或Cl2，Ar气流量为O?5sccm，Cl2气流量为5?50sccm。
[0030]在室温空气中静置，可以排出光刻胶内溶剂，减少光刻胶内部气泡的缺陷，减少最终微透镜表面结构缺陷，如凸起或凹坑，可以使光刻胶微透镜I具有更光滑的表面，以及良好的光学成像性能。
[0031]步骤4、对步骤3中完成干法刻蚀的基片2进行酸洗，去除光刻后的杂质，即得到微透镜。
[0032]本发明还提供了一种微透镜制备方法中使用的实验装置，以便于使用有机蒸汽对光刻胶柱进行溶解回流。该实验装置包括用于放置基片2的样品架4，所述样品架4底部放置有表面皿5，在表面皿5中可以定量加入有机溶剂作为蒸发源，为实验提供有机蒸汽气氛，在样品架4的顶部罩有玻璃罩3，以将有机蒸汽封闭在玻璃罩3内部。
[0033]其中，将基片2包含光刻胶的一面朝上水平放置在有机蒸汽的气氛中，由此通过有机蒸汽溶解回流光刻胶，可获得大曲率半径的光刻胶球冠结构。
[0034]该样品架4包括可透气的支撑网，所述支撑网底部设置有支撑架。通过玻璃罩3倒扣住基片2，表面皿5和样品架4与外部隔离可以获得较为均匀的蒸汽气氛，使光刻胶球冠结构更完美，重复性更好。本发明的方法通过选择网状样品架，利用玻璃罩于外部隔离，更有利于形成均匀有机蒸汽气氛，使微透镜结构更对称。采用直接放置在网状样品架上，实际操作中容易控制基片是否保持水平，以便获得对称的微透镜结构。
[0035]本发明还提供了一种按照上述微透镜制备方法制备的微透镜。直接在基片2表面制备光刻胶柱，再经过有机蒸汽溶解回流成为对称的微透镜结构，方法简便，容易操作，可用于制备微透镜阵列。
[0036]本发明通过有机蒸汽溶解回流光刻胶制备微透镜的方法，过程简单，重复性好，相比现有的热回流方法，在掩膜板圆形直径一定的情况下，本发明制备的微透镜，具有更大的曲率半径。在激光波长转换、波导和探测器等领域具有很好的应用前景。
[0037]本发明的制备方法通过选择有机蒸气类型以及加入有机蒸气量，保持时间等工艺参数，可以更加精确地调控微透镜的曲率半径，以满足微透镜在不同领域下的需求，而且还容易观察到表面皿5上的有机溶剂蒸发是否进行完全。
[0038]本发明的方法可制备出不同形状的微透镜，如利用方形或六角形状，可为实现高填充比透镜阵列的制备提供可能。
[0039]实施例1
[0040]步骤1、采用王水先清洗3 X3mm2金刚石基片2，然后依次采用丙酮，异丙醇，去离子水各超声清洗10分钟。清洗完毕后用氮气吹干。
[0041 ] 旋涂5μπι厚SPR220光刻胶，环境温度为90°C，90秒前烘后，利用紫外曝光机曝光20秒，获得直径为I ΟΟμπι的圆形光刻胶图案。
[0042]步骤2、将基片2放置在样品架4上，在表面皿5上滴入20滴乙醇溶剂，将玻璃罩3倒扣住整个装置，室温下保持3分钟，使得光刻胶柱被乙醇蒸汽充分溶解形成微透镜结构。
[0043]步骤3、将步骤2获得的形成微透镜的基片2在室温空气中静置I小时后，对其进行电感耦合等离子刻蚀，刻蚀气体为氩气或氯气，使用氩气时，其气体流量为5Sccm;使用氯气时，其气体流量为15sCCm，将光刻胶微透镜结构传递到金刚石基片上。
[0044]步骤4、用浓硫酸和双氧水I: I混合后清洗金刚石，最后获得曲率半径为2.88微米的金刚石微透镜。
[0045]图2表示的是在光刻胶旋涂厚度相同的条件下，通过传统热回流方法制备出的光刻胶掩膜轮廓，和本发明实施例1制备出的光刻胶膜轮廓的对比图。该对比图是由台阶仪测量得到。
[0046]从图2中可以看出，传统热回流方法得到的球冠形状的高度是7.5微米，横向距离是多少98.87微米，而本发明实施例1得到的球冠形状的高度是5.86微米，横向距离是多少161.44微米，具有小的曲率，即较大的曲率半径和焦距，在长焦距微透镜应用中具有很大的优势。
[0047]图3为实施例1制备得到的金刚石微透镜光学照片，从图3中可以看出，金刚石表面光滑，轮廓清晰。
[0048]通过传统投影实验，可以得到的本发明实施例1制备出的金刚石微透镜光学成像性质测试结果图，从图4中看出，该金刚石微透镜所成的像没有变形和缺点，并且尺寸较大，说明制备的金刚石微透镜具有较长的焦距，以及良好的光学成像性能。
[0049]实施例2
[0050]步骤1、采用王水先清洗3 X3mm2金刚石基片2，然后依次采用丙酮，异丙醇，去离子水各超声清洗10分钟。清洗完毕后用氮气吹干。
[0051 ] 旋涂ΙΟμπι厚SPR220光刻胶，环境温度为90°C，2分钟后烘后，利用紫外曝光机曝光50秒，获得边长为50μπι的正方形光刻胶图案。
[0052]步骤2、将基片放置在样品架4上，在表面皿5上滴入5ml乙醇溶剂，将玻璃罩3倒扣住整个装置，室温下保持10分钟，使得光刻胶柱被乙醇蒸汽充分溶解形成微透镜结构。
[0053]步骤3、将步骤2获得的形成微透镜的基片2在室温空气中静置I小时后，对其进行电感耦合等离子刻蚀，刻蚀气体为氩气或氯气，使用氩气时，其气体流量为5Sccm;使用氯气时，其气体流量为15sccm，将光刻胶微透镜结构传递到金刚石基片2上。
[0054]步骤4、用浓硫酸和双氧水I: I混合后清洗金刚石，最后获得金刚石微透镜。
[0055]实施例3:
[0056]步骤1、采用盐酸清洗氮化镓基片2，然后依次采用丙酮，异丙醇，去离子水各超声清洗10分钟。清洗完毕后用氮气吹干。
[0057]旋涂ΙΟμπι厚AZ5200光刻胶，环境温度为100°C，60秒前烘后，利用紫外曝光机曝光50秒，获得边长80μπι的六角圆形光刻胶图案。
[0058]步骤2、将基片2放置在样品架4上，表面皿5内滴入5ml异丙醇溶剂，将玻璃罩3倒扣住整个装置，室温下保持10分钟，使得光刻胶柱被异丙醇蒸汽充分溶解回流形成微透镜结构。
[0059]步骤3、将步骤2获得的形成微透镜的基片2在室温空气中静置I小时后，对其进行电感耦合等离子刻蚀，光刻胶微透镜结构传递到氮化镓基片上，最后获得氮化镓微透镜。
【主权项】
1.一种微透镜制备方法，其特征在于，按照以下步骤实施: 步骤1、将基片(2)清洗干净，并在所述基片(2)上涂覆一层光刻胶，再采用掩膜板执行光刻工艺，显影后在所述基片(2)上得到光刻胶柱； 步骤2、将经步骤I处理后的基片(2)，直接放置在有机蒸汽的气氛下保持一定时间，通过有机蒸汽对光刻胶柱溶解回流形成具备球冠结构的掩膜，即光刻胶微透镜(I); 步骤3、将步骤2中表面形成光刻胶微透镜(I)掩膜的基片(2)，在室温空气中静置一小时后，再对其进行干法刻蚀； 步骤4、对步骤3中完成干法刻蚀的基片2进行酸洗，去除光刻后的杂质，得到微透镜。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2中使用的有机蒸汽为异丙醇、乙醇或异丙醇和乙醇的混合气体。3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2中有机蒸汽的气氛温度为O-1OO0C，保持时间为5s?30min。4.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述基片2为金刚石、蓝宝石或氮化镓。5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤I中涂覆的光刻胶厚度为IMi?3 Oum ο6.—种如权利要求1-5所述制备方法中使用的实验装置，其特征在于，包括用于放置基片(2)的样品架(4)，所述样品架(4)底部放置有用于盛放有机溶剂以提供有机蒸汽的表面皿(5)，所述样品架(4)的顶部罩有玻璃罩(3)。7.如权利要求6所述的实验装置，其特征在于，所述样品架(4)包括用于放置所述基片(2)的支撑网，所述支撑网底部设置有支撑架。8.一种如权利要求1-5所述制备方法制备的微透镜。
【文档编号】G03F7/20GK105974745SQ201610352561
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月25日
【发明人】王宏兴, 朱天飞, 符娇, 王玮, 问峰, 卜忍安, 侯洵
【申请人】王宏兴