CN113703081A - 一种微透镜阵列结构的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种微透镜阵列结构的制作方法，包括：步骤A：在基底的表面均匀涂覆一层光刻胶，形成光刻胶掩膜层；步骤B：对光刻胶掩膜层进行曝光、显影，形成光刻掩膜图形结构；步骤C：对光刻掩膜图形结构进行热熔，使得圆柱形光刻胶柱形成球面型的微透镜形态结构、并继续高温固化，在基底的表面形成光刻胶微透镜阵列图形；步骤D：将光刻胶微透镜阵列图形用于压印模板，通过纳米压印工艺将微透镜阵列图形转移至目标基板上的压印胶上、并固化压印胶，使得目标基板与压印胶形成非接触型微透镜阵列结构。通过上述设置，可解决目前微透镜阵列结构制作工艺复杂、成本高、精度不可控、重复性较差带来的不利于量产化的问题。

Description

一种微透镜阵列结构的制作方法

技术领域

本发明涉及微透镜阵列结构技术领域，具体涉及一种微透镜阵列结构的制作方法。

背景技术

现今，微型化和智能化已经是现代仪器设备发展的一种主要趋势，传统的光学元件由于尺寸、体积的限制已经不能跟上发展的需求。

透镜作为光学系统中最重要的基本元件之一，其尺寸大小对整个光学系统的体积有着重要的影响。微透镜阵列不仅具有传统透镜的聚焦、成像等基本功能，还由于其体积小、重量轻、功耗小等优点，已经在光信息处理、光计算、光互连、光数据传输等领域得到了非常广泛的应用。

目前微透镜阵列主流的制作方法有光刻胶热回流法、反应离子束刻蚀法、激光直写技术法、光敏玻璃热成型法、微喷打印法等。此类方式工艺复杂、设备昂贵、成本较高且精度不可控，重复性较差等，不利于实施量产化。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种微透镜阵列结构的制作方法，来解决目前微透镜阵列结构制作工艺复杂、成本高、精度不可控、重复性较差带来的不利于量产化的问题。

为了实现上述发明目的之一，本发明一实施方式提供一种微透镜阵列结构的制作方法，包括：

步骤A：在基底的表面均匀涂覆一层光刻胶，形成光刻胶掩膜层；

步骤B：对所述光刻胶掩膜层进行曝光、显影，形成光刻掩膜图形结构；其中，所述光刻掩膜图形结构包括若干个圆柱形光刻胶柱，所有圆柱形光刻胶柱按照光学设计进行阵列排布；

步骤C：对所述光刻掩膜图形结构进行热熔，使得所述圆柱形光刻胶柱形成球面型的微透镜形态结构、并继续高温固化，在所述基底的表面形成光刻胶微透镜阵列图形；

步骤D：将所述光刻胶微透镜阵列图形用于压印模板，通过纳米压印工艺将微透镜阵列图形转移至目标基板上的压印胶上、并固化所述压印胶，使得所述目标基板与所述压印胶形成非接触型微透镜阵列结构。

作为本发明一实施方式的进一步改进，步骤D中，所述压印胶的类型与产品光学设计要求指定的光学性能相匹配,所述压印胶固化后形成压印胶微透镜阵列掩膜；

在步骤D之后，所述方法还包括：

步骤E：对带有所述压印胶微透镜阵列掩膜的所述目标基板进行刻蚀，将所述微透镜阵列图形按照1:1比例复制至所述目标基板上，形成接触型微透镜阵列结构。

作为本发明一实施方式的进一步改进，步骤B中，“所有圆柱形光刻胶柱按照光学设计进行阵列排布”具体包括：

所有圆柱形光刻胶柱按照预设周期值阵列排布或随机排布；其中，相同面积内的圆柱形光刻胶柱的数量相同。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述周期值范围为2～150μm。

作为本发明一实施方式的进一步改进，步骤C中，“对所述光刻掩膜图形结构进行热熔”具体包括：

将所述光刻掩膜图形结构放在热板或者高温烘箱中，通过光刻热熔法进行热熔、使得图形发生回流变化。

作为本发明一实施方式的进一步改进，步骤E中，“对带有所述压印胶微透镜阵列掩膜的所述目标基板进行刻蚀”具体包括：

将带有所述压印胶微透镜阵列掩膜的所述目标基板放入NLD干法刻蚀设备内进行刻蚀。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述目标基板为玻璃基板或石英基板或蓝宝石基板。

作为本发明一实施方式的进一步改进，在步骤A之前，所述方法还包括：

步骤X1：对所述基底进行清洗。

作为本发明一实施方式的进一步改进，在步骤X1之后，所述方法还包括：

步骤X2：对所述基底进行表面增粘处理。

作为本发明一实施方式的进一步改进，步骤A中，“在基底的表面均匀涂覆一层指定的光刻胶，形成光刻胶掩膜层”具体包括：

采用旋涂或喷涂方式，在所述基底的表面均匀涂覆所述光刻胶，使得所述光刻胶掩膜层的厚度范围为0.8～35μm。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

为制备微透镜阵列结构，首先制作相应的模板；

具体的，先在基底上涂覆光刻胶形成光刻胶掩膜层；再经过曝光、显影后形成光刻掩膜图形结构，其中，光刻掩膜图形结构由若干个圆柱形光刻胶柱阵列排布形成；然后，对光刻掩膜图形结构热熔、高温固化，使得圆柱形光刻胶柱形成固定的球面型的微透镜形态结构，从而在基底表面形成光刻胶微透镜阵列图形；

接着，在待加工的目标基板上设置一层压印胶，通过压印模板将微透镜阵列图形转移至压印胶上，压印胶固化后，即可加工形成非接触型微透镜阵列结构；

由此，在基底表面形成按照光学设计的光刻掩膜图形结构后，通过压印模板、纳米压印工艺，即可将微透镜阵列图形批量转移至目标基板、压印胶上，从而形成非接触型微透镜阵列结构；制作工艺简单、成本低、精度可控，适合批量生产，可有效提升生产效率；

同时，在非接触型微透镜阵列结构制备完成后，还可继续加工制备，形成接触型微透镜阵列结构，从而可进一步得到第二种微透镜阵列结构，且适合批量生产，进一步提升生产效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例中微透镜阵列结构的制作方法的流程图；

图2是本发明一实施例中光刻掩膜图形结构的俯视图；

图3是本发明一实施例中两种微透镜阵列结构的制备工艺流程示意图；

图4是本发明一实施例中整体制备工艺的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施方式及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明一实施例提供了一种微透镜阵列结构的制作方法，包括：

步骤A：在基底的表面均匀涂覆一层光刻胶，形成光刻胶掩膜层；

步骤B：对光刻胶掩膜层进行曝光、显影，形成光刻掩膜图形结构；其中，光刻掩膜图形结构包括若干个圆柱形光刻胶柱，所有圆柱形光刻胶柱按照光学设计进行阵列排布；

步骤C：对光刻掩膜图形结构进行热熔，使得圆柱形光刻胶柱形成球面型的微透镜形态结构、并继续高温固化，在基底的表面形成光刻胶微透镜阵列图形；

步骤D：将光刻胶微透镜阵列图形用于压印模板，通过纳米压印工艺将微透镜阵列图形转移至目标基板上的压印胶上、并固化压印胶，使得目标基板与压印胶形成非接触型微透镜阵列结构。

为制备微透镜阵列结构，首先制作相应的模板；

具体的，先在基底上涂覆光刻胶形成光刻胶掩膜层；再经过曝光、显影后形成光刻掩膜图形结构，其中，光刻掩膜图形结构由若干个圆柱形光刻胶柱阵列排布形成(如图2所示)；然后，对光刻掩膜图形结构热熔、高温固化，使得圆柱形光刻胶柱形成固定的球面型的微透镜形态结构，从而在基底表面形成光刻胶微透镜阵列图形；

接着，在待加工的目标基板上设置一层压印胶，通过压印模板将微透镜阵列图形转移至压印胶上，压印胶固化后，即可加工形成非接触型微透镜阵列结构；

由此，在基底表面形成按照光学设计的光刻掩膜图形结构后，通过压印模板、纳米压印工艺，即可将微透镜阵列图形批量转移至目标基板、压印胶上，从而形成非接触型微透镜阵列结构；制作工艺简单、成本低、精度可控，适合批量生产，可有效提升生产效率；

同时，在非接触型微透镜阵列结构制备完成后，还可继续加工制备，形成接触型微透镜阵列结构，从而可进一步得到第二种微透镜阵列结构，且适合批量生产，进一步提升生产效率。

本发明实施例中，通过在材料表面进行特殊处理(如光刻胶热熔法和等离子体刻蚀玻璃、石英、蓝宝石等)，使其表面具有特定的微透镜结构图形。当微透镜阵列结构单元图形不同，如圆柱型、方柱型、多边型等，且结构单元尺寸从百纳米级到微米级不等时，所带来的光学效应及应用领域可随之变化。

可根据不同的光学应用需求，设计制备不同尺寸的单元类型结构微透镜阵列。

此外，步骤B中，光刻热熔法工艺可实现微米、亚微米、甚至纳米级别的微透镜阵列结构制备，且技术资源广泛，应用变通性高；当然，也可通过激光直写或电子束直写的方式实现微透镜图形化掩膜。

进一步的，步骤D中，压印胶的类型与产品光学设计要求指定的光学性能相匹配,压印胶固化后形成压印胶微透镜阵列掩膜；

在步骤D之后，方法还包括：

步骤E：对带有压印胶微透镜阵列掩膜的目标基板进行刻蚀，将微透镜阵列图形按照1:1比例复制至目标基板上，形成接触型微透镜阵列结构。

进一步的，步骤E中，“对带有压印胶微透镜阵列掩膜的目标基板进行刻蚀”具体包括：

将带有压印胶微透镜阵列掩膜的目标基板放入NLD干法刻蚀设备内进行刻蚀。

在实际工艺中，非接触型微透镜阵列结构制备完成之后，可继续加工形成接触型微透镜阵列结构。

具体的，将纳米压印后带有微透镜阵列掩膜的基板放入NLD干法刻蚀设备内进行刻蚀，微透镜阵列图形可实现1：1比例复制在目标基板上，此步骤结束可完成接触型微透镜阵列结构的制备。

由此，本发明实施例中，利用光刻热熔法制备微透镜模板配合纳米压印技术实现非接触型微透镜阵列结构制备，也可同时配合等离子刻蚀将纳米压印的微透镜阵列结构复制至玻璃、石英、蓝宝石等目标基底上，可实现工艺流程简明、分辨率高、精度及成本可控的优势。

进一步的，步骤B中，“所有圆柱形光刻胶柱按照光学设计进行阵列排布”具体包括：

所有圆柱形光刻胶柱按照预设周期值阵列排布或随机排布；其中，相同面积内的圆柱形光刻胶柱的数量相同。

进一步的，周期值范围为2～150μm。

在实际工艺中，光刻掩膜图形结构是由一定数量的重复小单元(直径D、高度H的圆柱形光刻胶柱)按照一定的周期值Pitch阵列或随机分布。

相同面积内，相同Pitch的Random型图形和Array型图形具有相同数量的重复小单元。Pitch(后缩写成P)是影响微透镜聚焦、成像的主要影响因子之一；优选的，本发明实施例公开的周期值范围为2～150μm。

进一步的，步骤C中，“对光刻掩膜图形结构进行热熔”具体包括：

将光刻掩膜图形结构放在热板或者高温烘箱中，通过光刻热熔法进行热熔、使得图形发生回流变化。

在实际工艺中，光刻胶掩膜层进行曝光、显影后，即可放在热板或者高温烘箱中进行热熔，使其图形发生回流变化，形成球面型的微透镜形态，再将其高温固化。

进一步的，目标基板为玻璃基板或石英基板或蓝宝石基板。

在实际工艺中，当目标基板材质为玻璃、石英时，NLD干法刻蚀设备内输入的CF₄气体流量范围为20～60sccm,C₄F₈气体流量为10～40sccm,O₂气体流量为0～20sccm，CF₄/C₄F₈气体输入流量比范围为30～75％，O₂/C₄F₈气体输入流量比范围为0～15％。

刻蚀设备内上电极功率为300～1200W，下电极功率为50～600W，内部压强调控范围为0.3～1Pa，冷却温度的调控范围为20℃～40℃，He气压强调控范围为3T～5T。

当目标基板材质为蓝宝石时，NLD干法刻蚀设备内输入的BCl₃气体流量范围为50sccm～120sccm,CHF₃气体流量为25sccm～80sccm，O₂气体流量为0sccm～20sccm，CHF₃/BCl₃气体输入流量比范围为30～75％，O₂/CHF₃气体输入流量比范围为0～15％。

NLD干法刻蚀设备内上电极功率为600～1300W，下电极功率为200～600W，内部压强调控范围为0.3～1Pa，冷却温度的调控范围为30℃～40℃，He气压强调控范围为3T～5T。

进一步的，在步骤A之前，方法还包括：

步骤X1：对基底进行清洗。

进一步的，在步骤X1之后，方法还包括：

步骤X2：对基底进行表面增粘处理。

在实际工艺中，基底材料为肖特D263T光学玻璃，清洗后进行表面增粘处理(HMDS)，然后在其表面涂布一层3-10um厚的EPG562型正性光刻胶，通过曝光、显影得到目标图形尺寸后，将带有光刻胶掩膜的基板放置在温度150～190℃的热板上进行热熔，热熔时间3～10min，待理想透镜形貌成型后，再用200～230℃热板温度进行结构固化，固化时间20～40min。

进一步的，步骤A中，“在基底的表面均匀涂覆一层指定的光刻胶，形成光刻胶掩膜层”具体包括：

采用旋涂或喷涂方式，在基底的表面均匀涂覆光刻胶，使得光刻胶掩膜层的厚度范围为0.8～35μm。

在实际工艺中，首先在基底表面涂覆光刻胶掩膜层，采用旋涂或喷涂方式进行涂覆，光刻胶掩膜层的厚度H为0.8～35μm，曝光、显影后光刻图形的圆柱形光刻胶的直径D范围为0.75～60μm，热熔后的小单元图形呈现球面型透镜型，微透镜单元结构的曲率半径R值是影响聚焦、成像的主要影响因子之一。

曲率半径R的计算公式为R＝((D/2)²+H²)/2H，本发明公开的曲率半径R范围在0.55～30um。

如图3所示，本发明实施例中，利用光刻热熔法制备微透镜模板配合纳米压印技术实现非接触型微透镜阵列结构制备，也可同时配合等离子刻蚀将纳米压印的微透镜阵列结构复制至玻璃、石英、蓝宝石等目标基底上，可实现工艺流程清晰简明、分辨率高、精度及成本可控优势，适用于量产性生产、实现大规模量产需求。

如图4所示，本发明具体实施例中，微透镜阵列结构的具体制作步骤如下：

步骤一：对基板进行清洗；

步骤二：在基板表面形成由光学设计得到的特定光刻胶掩膜结构图形；

步骤三：将曝光、显影后的结构图形放在热板或者高温烘箱中进行热熔，使其图形发生回流变化，形成球面型的微透镜形态，再将其高温固化；

步骤四：将其固化好的光刻胶微透镜阵列结构图形用于压印模板，通过纳米压印的方式批量转移在具备特定光学特性的压印胶上，此步骤结束可完成非接触型微透镜阵列结构的制备；

步骤五：将纳米压印后带有微透镜阵列掩膜的基板放入NLD干法刻蚀设备内进行刻蚀，微透镜阵列图形可实现1：1比例复制在目标基板上，此步骤结束可完成接触型微透镜阵列结构的制备。

其中，

a)步骤二中提到的光刻掩膜图形是由一定数量的重复小单元(直径D、高度H的圆柱形光刻胶柱)按照一定的周期值Pitch阵列或随机分布。

相同面积内，相同Pitch的Random型图形和Array型图形具有相同数量的重复小单元。Pitch(后缩写成P)是影响微透镜聚焦、成像的主要影响因子之一，本发明公开的周期值范围为2～150μm。

b)步骤二首先在基底表面涂覆光刻胶掩膜层，采用旋涂或喷涂方式进行涂覆，光刻胶掩膜层的厚度H为0.8～35μm，曝光、显影后光刻图形的圆柱形光刻胶的直径D范围为0.75～60μm，热熔后的小单元图形呈现球面型透镜型，微透镜单元结构的曲率半径R值是影响聚焦、成像的主要影响因子之一。

曲率半径R的计算公式为R＝((D/2)²+H²)/2H，本发明公开的曲率半径R范围在0.55～30um。

c)步骤三用基底材料为肖特D263T光学玻璃，清洗后进行表面增粘处理(HMDS)，然后在其表面涂布一层3-10um厚的EPG562型正性光刻胶，通过曝光、显影得到目标图形尺寸后，将带有光刻胶掩膜的基板放置在温度150～190℃的热板上进行热熔，热熔时间3～10min，待理想透镜形貌成型后，再用200～230℃热板温度进行结构固化，固化时间20～40min。

d)步骤四用步骤三结束后的光刻热熔法得到的微透镜阵列模板，通过纳米压印的方式进行微透镜阵列结构批量复制，纳米压印光刻胶应基于产品光学设计本身特定的光学性能进行调试选择；

e)步骤五提到的基板材质为玻璃、石英时，NLD干法刻蚀设备内输入的CF₄气体流量范围为20～60sccm,C₄F₈气体流量为10～40sccm,O₂气体流量为0～20sccm，CF₄/C₄F₈气体输入流量比范围为30～75％，O₂/C₄F₈气体输入流量比范围为0～15％。

刻蚀设备内上电极功率为300～1200W，下电极功率为50～600W，内部压强调控范围为0.3～1Pa，冷却温度的调控范围为20℃～40℃，He气压强调控范围为3T～5T。

f)步骤五提到的基板材质为蓝宝石时，NLD干法刻蚀设备内输入的BCl₃气体流量范围为50sccm～120sccm,CHF₃气体流量为25sccm～80sccm，O₂气体流量为0sccm～20sccm，CHF₃/BCl₃气体输入流量比范围为30～75％，O₂/CHF₃气体输入流量比范围为0～15％。

NLD干法刻蚀设备内上电极功率为600～1300W，下电极功率为200～600W，内部压强调控范围为0.3～1Pa，冷却温度的调控范围为30℃～40℃，He气压强调控范围为3T～5T。

综上，本发明中，利用工艺流程简明且成本易控的光刻胶热熔法得到非接触型微透镜阵列结构，同时也可利用等离子体刻蚀的方法转移微透镜掩膜结构至目标基底的接触型微透镜应用。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微透镜阵列结构的制作方法，其特征在于，包括：

步骤A：在基底的表面均匀涂覆一层光刻胶，形成光刻胶掩膜层；

步骤B：对所述光刻胶掩膜层进行曝光、显影，形成光刻掩膜图形结构；其中，所述光刻掩膜图形结构包括若干个圆柱形光刻胶柱，所有圆柱形光刻胶柱按照光学设计进行阵列排布；

步骤C：对所述光刻掩膜图形结构进行热熔，使得所述圆柱形光刻胶柱形成球面型的微透镜形态结构、并继续高温固化，在所述基底的表面形成光刻胶微透镜阵列图形；

步骤D：将所述光刻胶微透镜阵列图形用于压印模板，通过纳米压印工艺将微透镜阵列图形转移至目标基板上的压印胶上、并固化所述压印胶，使得所述目标基板与所述压印胶形成非接触型微透镜阵列结构。

2.根据权利要求1所述的微透镜阵列结构的制作方法，其特征在于，步骤D中，所述压印胶的类型与产品光学设计要求指定的光学性能相匹配,所述压印胶固化后形成压印胶微透镜阵列掩膜；

在步骤D之后，所述方法还包括：

步骤E：对带有所述压印胶微透镜阵列掩膜的所述目标基板进行刻蚀，将所述微透镜阵列图形按照1:1比例复制至所述目标基板上，形成接触型微透镜阵列结构。

3.根据权利要求1所述的微透镜阵列结构的制作方法，其特征在于，步骤B中，“所有圆柱形光刻胶柱按照光学设计进行阵列排布”具体包括：

所有圆柱形光刻胶柱按照预设周期值阵列排布或随机排布；其中，相同面积内的圆柱形光刻胶柱的数量相同。

4.根据权利要求3所述的微透镜阵列结构的制作方法，其特征在于，所述周期值范围为2～150μm。

5.根据权利要求1所述的微透镜阵列结构的制作方法，其特征在于，步骤C中，“对所述光刻掩膜图形结构进行热熔”具体包括：

将所述光刻掩膜图形结构放在热板或者高温烘箱中，通过光刻热熔法进行热熔、使得图形发生回流变化。

6.根据权利要求2所述的微透镜阵列结构的制作方法，其特征在于，步骤E中，“对带有所述压印胶微透镜阵列掩膜的所述目标基板进行刻蚀”具体包括：

将带有所述压印胶微透镜阵列掩膜的所述目标基板放入NLD干法刻蚀设备内进行刻蚀。

7.根据权利要求6所述的微透镜阵列结构的制作方法，其特征在于，所述目标基板为玻璃基板或石英基板或蓝宝石基板。

8.根据权利要求1所述的微透镜阵列结构的制作方法，其特征在于，在步骤A之前，所述方法还包括：

步骤X1：对所述基底进行清洗。

9.根据权利要求8所述的微透镜阵列结构的制作方法，其特征在于，在步骤X1之后，所述方法还包括：

步骤X2：对所述基底进行表面增粘处理。

10.根据权利要求1所述的微透镜阵列结构的制作方法，其特征在于，步骤A中，“在基底的表面均匀涂覆一层指定的光刻胶，形成光刻胶掩膜层”具体包括：

采用旋涂或喷涂方式，在所述基底的表面均匀涂覆所述光刻胶，使得所述光刻胶掩膜层的厚度范围为0.8～35μm。

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