基于负性光刻胶和掩膜移动曝光工艺的微透镜阵列制备方法

技术领域

本发明属于微纳加工技术领域，具体涉及一种基于负性光刻胶和掩膜移动曝光工艺的微 透镜阵列制备方法。

背景技术

微透镜阵列是按一定规则排布的多个微透镜，单元大小一般在微米量级。微透镜阵列在 光束匀滑、液晶显示、波前传感、CCD或CMOS传感器等方面有广泛的应用。

目前使用较多的微透镜阵列加工方法主要有热熔法、直写法、灰度掩膜和移动掩膜法等， 这些方法各有特点。其中热熔法将光刻胶加工成相互独立的微柱体阵列，然后加热基片使光 刻胶热熔，在表面张力的作用下，光刻胶柱体会逐渐变成接近球形的微透镜。热熔法的特点 是工艺简单、成本低、可制作大面积微透镜阵列。但热熔法由于必须使光刻胶处于熔融状态， 依靠表面张力成型，只适合制作数值口径较大的微凸透镜。直写法是采用激光直写或电子束 直写，按照设计的微透镜结构对光刻胶进行逐点曝光。这类方法的精度很高，理论上可以加 工任意面形的微透镜阵列。但直写设备的价格昂贵，逐点直写方式的效率很低，导致成本很 高；另外加工面积较小，图形的深度也很有限。灰度掩膜是通过掩膜二元编码来控制曝光量 的分布，这种方法对光强的调制能力较强，通过掩膜的设计，可以制作不同类型的微透镜阵 列。但所用的掩膜加工成本很高，而且要通过缩小成像系统进行投影光刻，工艺较复杂，加 工面积较小。

移动掩膜法是一种较新的微透镜阵列制作方法，它是通过曝光过程中掩膜的移动来调制 曝光量的分布，以实现微透镜的结构。和其他方法相比，移动掩膜法所用的掩膜图形简单， 成本低，可曝光面积大，效率和填充比都较高。同时移动掩膜法也可以通过改变掩膜的设计 来制备不同面形和口径形状的微透镜阵列，包括非球面的微透镜阵列，是一种方便灵活的微 透镜阵列加工方法。移动掩膜法使用的光刻胶一般为正性光刻胶，而正性光刻胶存在热熔变 形的特性，在后烘过程中光刻胶的面形发生变化，从而影响所制备的微透镜阵列面型质量。 此外，当微透镜阵列的刻蚀深度很大或使用的基片较厚时，刻蚀过程中产生的热量不能及时 传导，会使光刻胶的温度升高。温度达到一定值后，正性光刻胶热熔变形，使刻蚀得到的微 透镜面形发生改变。而要降低温度，使正性光刻胶不变形，一般只能减小刻蚀速率，严重影 响加工的效率。

负性光刻胶由于其特有的交联反应，使其在高温下基本不产生形变，而且具有很好的抗 刻蚀能力，适合深刻蚀。但负性光刻胶的曝光特性决定了它很难产生连续变化的面形，一般 只用于加工具有明显台阶的结构。而随着微透镜应用的日趋广泛，需要深刻蚀或者将微透镜 阵列加工在厚基片上的情况将不可避免，这就需要一种结合移动掩膜法和负性光刻胶的优 势，适用于深刻蚀或厚基片的高效率微透镜阵列加工方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有的微透镜阵列制备方法在需要深刻蚀或使用厚基 片时存在的不足，提出一种既可用于普通微透镜阵列制备，又适用于需要深刻蚀或使用厚基 片情况的微透镜阵列加工方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

基于负性光刻胶和掩膜移动曝光工艺的微透镜阵列制备方法，其制备流程如图1所示， 包括以下步骤：

步骤1)选取合适的基片，对其表面进行清洗并烘干；

步骤2)在清洗好的基片上涂覆负性光刻胶，并进行前烘；

步骤3)将涂有光刻胶的基片置于曝光设备，从基片未涂胶的一面进行无掩膜曝光；

步骤4)将完成无掩模曝光的基片重新放入掩膜移动曝光设备，从光刻胶表面进行掩膜 移动曝光；

步骤5)对曝光完成后的基片做后烘、显影及定影处理；

步骤6)以步骤5)完成的光刻胶图形为掩蔽层，采用干法刻蚀设备将光刻胶图形传递 到基片上；

步骤7)去除底胶获得最终的微透镜阵列结构。

所述微透镜单元结构可以为任意形状；

所述步骤1)中基片材料为紫外透射材料；

所述步骤2)中的负性光刻胶为紫外负性光刻胶；

所述步骤2)中负性光刻胶的涂覆厚度为5～100um；涂覆方式可以为旋涂或喷涂；

所述步骤3)中曝光剂量根据涂覆的光刻胶厚度在20～200mJ/cm²之间调节；

所述步骤4)中的掩膜需根据待制备微透镜的面型、矢高预先进行设计和加工；掩膜的 单元尺寸和待制备微透镜阵列的单元尺寸相同，每个掩膜单元中包含多个子单元，在平行于 掩膜移动的方向上依次排列；子单元的结构根据各个子单元对应位置的微透镜面形设计，其 具体数目由微透镜单元的尺度决定；

所述步骤4)中的掩膜移动曝光可以为接近式曝光或投影式曝光，曝光剂量根据涂覆的 光刻胶厚度在20～1000mJ/cm²之间调节；

所述步骤6)中的干法刻蚀设备可以为等离子刻蚀机、离子束刻蚀机、电感耦合等离子 刻蚀机。

本发明与现有技术相比具有的优点：

本发明利用负性光刻胶和掩膜移动曝光工艺实现连续的微透镜阵列结构。同正性光刻胶 相比，由于负性光刻胶在曝光和后烘过程中的交联反应，使其具有较好的抗刻蚀特性，适合 深刻蚀；此外，基片较厚时，刻蚀过程中产生的热量因不能及时传导而致使基片温度较高， 负性光刻胶在温度较高时表面不易变形，可以保真光刻胶面形。本发明中所描述的方法不仅 可用于普通微透镜阵列的制备，还适用于需要深刻蚀或制备于厚基片上的微透镜阵列加工。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为发明步骤1中的基片示意图；

图3为发明步骤2中涂胶、烘烤完成后的示意图；

图4为发明步骤3中无掩膜曝光的示意图；

图5为发明步骤4中掩膜移动曝光的示意图；

图6为发明步骤4中的掩膜版单元结构的示意图；

图7为发明步骤5中显影完毕后的光刻胶图形示意图；

图8为发明步骤7完成后的基片结构示意图。

图面说明如下：1为基片；2为负性光刻胶；3为紫外光；4为掩膜；5为掩膜移动方向。

具体实施方式

下面将参照附图详述本发明方法，而不是要以此对本发明进行限制。附图中给出了示例 性实施例，在不同的图中相同的标号表示相同的部分。但以下的实施例仅限于解释本发明， 本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例本领域的技术人员即可 以实现本发明权利要求的全部内容。

实施例1

参考图1流程，利用本发明的制备方法，采用负性光刻胶NR5-8000在K9玻璃基片上 加工微透镜，具体包括以下步骤：

1)选择K9玻璃作为基片：将厚度为5mm的玻璃依次用丙酮、酒精、去离子水超声清 洗，每步清洗5min，用氮气吹干，之后放置于烘箱中120℃，烘烤30min；完成后如图2；

2)负性光刻胶的涂覆：将准备好的基片放入涂胶机里，采用旋涂的方式将负性光刻胶 NR5-8000涂覆在玻璃基片上，旋涂的转速为5000rpm，涂覆的厚度为6.5um，之后将涂覆有 光刻胶的基片放置在热板上，150℃烘烤1min；完成后如图3；

3)无掩膜曝光：将涂覆有光刻胶的基片放入曝光设备里，从基片的背面进行无掩膜曝 光，曝光方式如图4所示，曝光剂量为33mJ/cm²；

4)掩膜移动曝光：将完成的曝光基片重新放入移动曝光设备里，从光刻胶表面进行掩 膜移动曝光，曝光方式如图5所示，曝光剂量为66mJ/cm²；使用的掩膜如图6(a)所示，单元 大小200×500um，子单元大小200×25um；掩膜移动距离25um，步长1um；

5)后烘、显影及定影：将曝光完毕的基片放入热板里进行后烘，烘烤温度为100℃，烘 烤时间1min；将烘烤完毕的基片于室温自然冷却之后进行显影，显影液为RD6，显影时间为 2min；最后将基片用流动的去离子水冲洗10s，再用氮气吹干；完成后的光刻胶微透镜阵列 图形如图7所示；

6)图形的传递：以光刻胶图形为掩蔽层，采用等离子刻蚀设备将光刻胶图形传递到玻 璃基底上，刻蚀气体为SF6：15sccm、CHF3：27sccm，刻蚀功率为110w，刻蚀时间2h，得到 矢高为6μm的微透镜；

7)去除底胶完成设计所需的微透镜阵列结构：将刻蚀完成的基片放入丙酮溶液里超声 清洗10min，使刻蚀残留的底胶溶解于丙酮，再用去离子水超声清洗5min，之后用氮气吹干， 获得如图8所示的表面干净的微透镜阵列结构。

实施例2

本实施例的制备方法同实施例1相同，区别在于使用石英材料为基底，采用离子束刻蚀 制作矢高为20μm、口径为500μm的微透镜，具体条件如下所述：

1)选择石英作为基片：将厚度为10mm的石英基片依次用丙酮、酒精、去离子水超声 清洗，每步清洗5min，用氮气吹干，之后放置于烘箱中120℃，烘烤30min；完成后如图2；

2)负性光刻胶的涂覆：将准备好的基片放入涂胶机里，采用旋涂的方式将负性光刻胶 NR5-8000涂覆在玻璃基片上，旋涂的转速为800rpm，涂覆的厚度为23um，之后将涂覆有 光刻胶的基片放置在热板上，以120℃烘烤3min；完成后如图3；

3)无掩膜曝光：将涂覆有光刻胶的基片放入曝光设备里，从基片的背面进行无掩膜曝 光，曝光方式如图4所示，曝光剂量为42mJ/cm²；

4)掩膜移动曝光：将完成无掩膜曝光的基片重新放入移动曝光设备里，从光刻胶表面 进行掩膜移动曝光，曝光方式如图5所示，曝光剂量为88mJ/cm²；使用的掩膜如图6(b)所示， 单元大小500×500um，子单元大小500×25um；掩膜移动距离25um，步长1um；

5)后烘、显影及定影：将步骤曝光完毕的基片置于热板上进行后烘，烘烤温度为90℃， 烘烤时间3min；烘烤完毕的基片自然冷却之后进行显影，显影液为RD6，显影时间为2min； 最后将基片用流动的去离子水冲洗10s，再用氮气吹干；完成后光刻胶层将出现微透镜阵列 图形，如图7所示；

6)图形的传递：以光刻胶图形为掩蔽层，采用离子束刻蚀，刻蚀参数为：电子束流为 100A、离子束流为120A；Ar流量为3.6sccm、制冷温度为10℃、刻蚀时间为9h，得到矢 高为20μm的微透镜阵列；

7)去除底胶完成设计所需的微透镜阵列结构：将刻蚀完成的基片放入浓硫酸溶液于 120℃煮30min，在用去离子水超声10min，氮气吹干得到矢高为20μm的微透镜，获得如图 8所示的表面干净的微透镜阵列结构。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。