专利名称：微透镜阵列的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种微透镜阵列的制造方法，该方法通过以抗蚀剂图案作为掩模的刻蚀工艺将透镜的形状转移到透明基底或下层上。本发明还涉及所制造的微透镜阵列。
本申请要求享有2003年2月7日提交的日本专利申请2003-030908号的优先权，其全部内容在本文中作为参考。
背景技术：
具有规则排列的多个微透镜的微透镜阵列被用于光纤阵列、集成光路、固态成像器、电子复印机光学系统、液晶显示器等装置的光耦合器。根据这种微透镜阵列的传统制造方法，形成圆形的正性抗蚀剂图案，并经过加热和软熔处理将其变成凸透镜的形状，然后通过干刻工艺将该正抗蚀剂图案的凸透镜形状转移到基底上(如参见日本专利申请公开号平7-174903)。
如图7所示，采用该方法，所需数量的圆形正抗蚀剂图案2a至2d在石英基底1的一个主表面上排成一行。每个抗蚀剂图案与其它抗蚀剂图案彼此间隔开，相互不接触。对圆形图案2a至2d以外的区域进行曝光，以除去未曝光的圆形图案。接着，加热并软熔抗蚀剂图案2a至2d，因表面张力而形成凸透镜的形状(球形凸起)。之后，用抗蚀剂图案2a至2d作为掩模对基底进行干刻，以将抗蚀剂图案的透镜形状转移到基底的主表面上。用该方法，可以在基底1上形成具有若干与抗蚀剂图案2a至2d对应地直线排列的圆盘形凸透镜的微透镜阵列。
通常，当用正性抗蚀剂层经曝光和显影工艺形成抗蚀剂图案时，曝光线(或区域)宽度越窄，需要的曝光能量越大。如果曝光区域较窄，就需要较高的曝光能量来高保真地转移掩模图像。在图7所示的例子中，越靠近与抗蚀剂图案2a至2d中心相交的中心线Lc位置需要的能量越大。曝光工艺这样进行适合于抗蚀剂图案的曝光能量被形成在中心线Lc上。这样安排，虽然沿x轴的中心线Lc上得到了恰当曝光，但是在垂直于x方向的y方向远离中心线Lc位置的曝光线(或区域)宽度变得较宽，因而导致过度曝光。无法得到符合刻度图像(reticle patterns)的恰当抗蚀剂图案。
图8示出了通过转移抗蚀剂图案2a而形成在基底1上的凸透镜La的截面，对应于抗蚀剂图案2a的凸透镜La用上述方法形成。Lx和Ly表示透镜La沿x和y方向的截面。如上所述，尽管透镜图案2a在沿x方向的中心线Lc上得到恰当曝光，但沿y方向远离中心线Lc的位置曝光过度。透镜La不是理想的圆形，而且x方向的曲率半径比y方向的大。因此，y方向的焦点Py比x方向的焦点Px更靠近基底。弧矢方向(x方向)和子午方向(y方向)之间的焦距长度差(象散)变大，使得光学特性下降。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够防止透镜平面形状变形的微透镜阵列制造方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种制造微透镜阵列的方法，包括如下步骤在透明基底的一个主表面上形成正性抗蚀剂层；对正性抗蚀剂层进行曝光处理和显影处理，以形成多个按预定距离彼此靠近排列的圆形抗蚀剂图案，其中用可以形成围绕着该多个抗蚀剂图案的环形开口的曝光图案进行曝光处理，并随后进行显影处理；通过加热和软熔处理为每个抗蚀剂图案赋予凸透镜形状；并通过干刻处理将多个凸透镜的每一个凸透镜的形状转移到透明基底的所述主表面上，以形成具有对应于所述透明基底主表面上多个抗蚀剂图案的圆形凸透镜的微透镜阵列。
沿每个抗蚀剂图案外周边的曝光线宽度几乎一致。以一致的曝光线宽度所确定的曝光能量可以沿每个抗蚀剂图案外周边近乎均匀地曝光。在条件相同的情况下，变形减小了。可以使每个抗蚀剂图案更圆。
由于给每个抗蚀剂图案赋予凸透镜的形状，因此可以在基底表面上形成更圆的凸透镜。在各方向上具有相同曲率半径的凸透镜在各方向上的焦距长度也相同。
弧矢方向与子午方向之间的焦距长度差可以大大减小，从而得到光学特性良好的微透镜阵列。
图1A、2、3和4是本发明一实施方式的微透镜阵列制造方法主要工艺的截面图；图1B是一小型投影分档装置的示意图；图5是图2所示工艺中抗蚀剂图案的平面图；图6是制造二维微透镜阵列时所用的抗蚀剂图案的平面图；图7是用传统微透镜阵列制造方法形成抗蚀剂图案的平面图；图8是用图7所示抗蚀剂制造的透镜的截面图；图9A是图5的局部放大图；图9B是表示抗蚀剂图案变形的局部平面图；图10A和10B是表示透镜形状改变的截面图。
具体实施例方式
图1A、2、3和4表示本发明一实施方式的微透镜阵列制造方法。对应于图1A、2、3和4的步骤(1)、(2)、(3)和(4)将依次予以说明。图1A、2、3和4对应于沿图5所示线段R-R′剖开的截面图。
(1)在石英基底10的一个主表面上，用旋涂等方法形成正性抗蚀剂层R0。如图1A所示，用1∶1曝光装置、如近距对准器和曝光掩模12对正性抗蚀剂层R0选择性地曝光。
如图5所示，曝光掩模12具有对应于环链形开口N的透明区域T。透明区域T中的局部区域T1对应于正性抗蚀剂图案R1与R2之间的开口N1，且透明区域T中的另一局部区域T2对应于正性抗蚀剂图案R2与R3之间的开口N2。
可以用其它类型的对准器代替1∶1对准器。图1B是小型投影对准器的示意图。如果采用小型投影器，曝光掩模12x是图1A所示曝光掩模12按比例高达5倍、10倍等得到的掩模，并具有类似的透明区域T和遮光区域S。该透明区域T具有类似于图5所示的环链形。投影透镜PL使曝光掩模12x上的图案尺寸缩小到1/5、1/10等，并将该图案投影到基底上10。
用对应于曝光掩模12的透明区域T的曝光图案对正性抗蚀剂层R0曝光。正性抗蚀剂层R0的曝光区E对应于透明区域T，且曝光区E1和E2对应于透明区域T的局部区域T1和T2。具有环链形状且对应于图5所示开口N的曝光区E围绕环形局部区域(图案)R1至R4。
(2)使经曝光的正性抗蚀剂层R0显影，以除去曝光区域E中的抗蚀剂。如图2和5所示，于是形成了抗蚀剂图案，该图案由正性抗蚀剂区域R0至R4构成。这些抗蚀剂图案具有对应于曝光区域E的环链形开口N。
抗蚀剂图案R1至R4按预定距离D彼此靠近分布。抗蚀剂图案R1与R2之间、R2与R3之间、和R3与R4之间接近区域的距离都是D。开口N环形围绕抗蚀剂图案R1至R4，且具有与距离D相等的宽度W。例如，假设矩形基底10的长度A和宽度B是3mm和1.5mm，D和W可以设定为8μm，且每个抗蚀剂图案R1至R4的直径可以设定为496μm。
在图1A所示的曝光工艺中，采用形成环链形开口N的曝光图案，使得沿着每个抗蚀剂图案R1至R4外边沿的曝光线宽度成为恒定值或D。通过设定恒定曝光线宽度确定的曝光能量，可以在每个抗蚀剂图案外边沿上的任何位置实现均匀曝光(既不过度也非不足)。用X方向表示连接抗蚀剂图案R1至R4中心的中心线的方向，用Y方向表示垂直于X方向的方向，则每个抗蚀剂图案R1至R4都是在X和Y方向具有相同直径的理想圆。
(3)加热并软熔抗蚀剂图案R0至R4，以使抗蚀剂图案R1至R4具有凸透镜的形状。所有抗蚀剂图案R1至R4具有符合表面张力(和重力)的表面形状。透镜顶表面略高于抗蚀剂图案R0的上端沿。
(4)用抗蚀剂图案R0至R4作为掩模，并通过采用诸如CF4和CHF3等气体的干刻工艺，将抗蚀剂图案R1至R4的凸透镜形状转移到基底10的一个主表面上。按这种方法，在基底10的一个主表面上形成了具有与抗蚀剂图案R1至R4对应的四个直线布置的凸透镜的微透镜阵列。图4表示了四个凸透镜中的三个凸透镜L11至L13。按上述方法形成的每个凸透镜都有对应于每个抗蚀剂图案R1至R4理想圆形图案的理想圆形，在X和Y方向都有相同的曲率半径，且在弧矢方向和子午方向都有相同的焦距长度。从而可以得到光学特性优良的直线型微透镜阵列。
图6是制造二维微透镜阵列所用的抗蚀剂图案的示意图。只要通过改变参考图1A至5所述的直线型微透镜阵列制造方法中所用抗蚀剂图案和石英基底10的尺寸，就可方便地制造出二维微透镜阵列。
基底10可以使用边长K为6mm的方形石英基底。用与参考图1A所述相似的方法，在基底10的一个主表面上形成正性抗蚀剂层R10。对正性抗蚀剂层R10实施曝光和显影处理，形成十六个呈二维分布的抗蚀剂图案R11至R14、R21至R24、R31至R34、和R41至R44(矩阵分布)。所有的抗蚀剂图案R11至R44都具有理想的圆形。
抗蚀剂图案R11至R14沿着X方向以预定距离D彼此靠近排布。与抗蚀剂图案R11至R14类似，抗蚀剂图案R21至R24、R31至R34和R41至R44也以预定距离D彼此靠近排布。抗蚀剂图案R11至R41沿垂直于X方向的Y方向以预定距离D彼此靠近排布。与抗蚀剂图案R11至R44类似，抗蚀剂图案R12至R42、R13至R43和R14至R44也以预定距离D彼此靠近排布。用具有开口N′的曝光图案实施曝光，该开口N′环形地围绕抗蚀剂图案R11至R44，且具有等于距离D的宽度W，然后实施显影。按此方法，所有抗蚀剂图案R11至R44的平面形状都可以是理想的圆形。例如，将D和W设定为10μm，将每个抗蚀剂图案R11至R44的直径都设定为990μm。
加热并软熔抗蚀剂图案R11至R44，以使抗蚀剂图案R11至R44具有凸透镜的形状。用干刻工艺将抗蚀剂图案R11至R44的凸透镜形状转移到基底10的一个主表面上。按此方法，在基底10的一个主表面上形成一微透镜阵列，该阵列具有与抗蚀剂图案R11至R44对应的二维排布的十六个凸透镜。按上述方法形成的每个凸透镜都具有对应于抗蚀剂图案R11至R44的每一个理想圆形图案的理想圆形，且这些凸透镜在x方向和y方向具有相同的曲率半径，在弧矢方向和子午方向具有相同焦距长度。从而得到光学特性良好的二维微透镜阵列。
在上述实施方式中，透镜之间的距离D等于曝光环的宽度W。
图9A是环间连接区的放大图。尽管最接近透镜位置的曝光区宽度是D，但是该接近区上部位置和下部位置的曝光宽度约为2D。由于曝光区宽度的改变最大到两倍，因此可以实现高的曝光精度。
图9B是根据一个可以提高曝光精度的变型实施方式中所用环的放大图。围成环的曝光区Ei和Ei+1是彼此分开的圆环。透镜区Li和Li+1由宽度相等的圆环Ei和Ei+1围绕，使得曝光条件更为均匀。
在图3和4中，抗蚀剂图案在软熔处理中稍稍有流动，且环形开口形成得有区别。环形开口可以除去。
图10A表示除去围绕着透镜抗蚀剂图案的开口、并将环链形凹槽G从完成后透镜周围除去的情况。
图10B表示将图9B所示的作为凹槽G′的独立圆环形开口从微透镜阵列周围除去的情况。
基底可以是整体基底，也可以是具有用于形成透镜阵列的上层的叠层基底。
上文已经结合优选实施方式描述了本发明，但本发明不只局限于上述实施方式。显然，本领域的技术人员还可以作出其它各种形式的变化、改进、组合等等。
权利要求
1.一种制造微透镜阵列的方法，包括以下步骤在透明基底的一个主表面上形成正性抗蚀剂层；对所述正性抗蚀剂层进行曝光和显影处理，以形成多个按预定距离彼此靠近分布的圆形抗蚀剂层，其中用可以形成围绕所述多个抗蚀剂层的圆环形开口的曝光图案实施曝光处理，且随后进行显影处理；通过加热和软熔处理为所述多个抗蚀剂层中的每一个赋予凸透镜的形状；以及通过干刻处理将所述多个抗蚀剂层中每一个的凸透镜形状转移到所述透明基底的主表面上，以在所述透明基底的主表面上形成具有与所述多个抗蚀剂层对应的圆形凸透镜的微透镜阵列。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，用于所述多个圆形抗蚀剂层的每一个的所述开口是独立形成的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述开口是以环链的形状一体形成的。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述的开口具有等于预定距离的宽度。
5.一种微透镜阵列，包括一透明基底；形成在所述透明基底的一个主表面上且彼此分开预定距离的多个透镜；和一环绕所述多个透镜的圆环形凹槽。
6.根据权利要求5所述的微透镜阵列，其中，用于所述多个透镜中每一个的所述凹槽是独立形成的。
7.根据权利要求5所述的微透镜阵列，其中，所述凹槽是以环链的形状一体形成的。
全文摘要
本发明公开了一种制造微透镜阵列的方法，在该方法中，形成在透明基底上的正性抗蚀剂层经曝光和显影形成以预定距离彼此靠近分布的圆形抗蚀剂图案。该曝光图案具有一个环绕着多个抗蚀剂图案且由多个圆环形构成的开口。该开口具有等于一定距离的宽度。由于开口的宽度在每个抗蚀剂图案的整个外周边都是相同的，因此可以在周边上的所有位置实现均匀曝光，进而形成理想的圆形。在加热和软熔使抗蚀剂图案成为凸透镜形状之后，以抗蚀剂图案作为掩模实施干刻，将所述凸透镜形状转移到基底上，从而形成具有凸透镜的微透镜阵列。
文档编号G03F7/207GK1519586SQ20041000390
公开日2004年8月11日 申请日期2004年2月9日 优先权日2003年2月7日
发明者中嶋敏博, 中 敏博 申请人:雅马哈株式会社