[发明专利]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

说明书

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；