[发明专利]浸润刻蚀微透镜成形方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高抗损伤微透镜阵列制作方法，特别是浸润刻蚀微透镜成形方法，采用该方法可实现各种石英、玻璃等材质微柱透镜阵列的成形。

背景技术

连续浮雕微透镜阵列的制作方法一直是研究的热点。现有的微透镜阵列加工方法包括光刻热融法、灰度掩模法、移动掩模法、激光直写法等，参见微光学元件、系统及应用，瑞士 HANS PETER HERZIG著，周海宪等译，上述这些方法主要用于成形光刻胶材质微结构。为了获得可实际应用的微元件，通常在光刻胶元件成形后还需要采用ICP干法刻蚀将光刻胶微结构转化为高抗损伤的石英、玻璃透镜元件。在此过程中，由于金属离子、碳聚合物以及反应生成物的污染，元件表面将生长各种缺陷，严重影响元件光学质量；此外，ICP干法设备价格昂贵，刻蚀气体消耗大，刻蚀时间长，这些问题都加大了元件的成本。金钢刀车削技术虽然不需要预先制作光刻胶材质微透镜，但金钢刀车削设备制作微透镜存在两个关键缺点：（1）很难用于石英等脆性材料的加工（现有金钢刀设备主要用于塑料、金属等材料的加工）；（2）车削完成后，元件表面存在车痕，需要复杂的抛光工艺进行后续处理。 

总之，由于传统微透镜制作需要采用ICP等离子体设备进行干法刻蚀，将光刻胶材质的微透镜转化为实际应用需要的高抗损伤石英、玻璃微透镜阵列，在干法刻蚀过程中，微透镜阵列由于受到金属离子、碳聚合物以及刻蚀生成物的污染，不仅表面存在大量缺陷（脏点、凸起等），而且元件的成品率极低。这致使微透镜的制作成本迅速上升，严重限制了元件应用范围的拓展。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种浸润刻蚀微透镜成形方法，该方法不需要预成形光刻胶元件、不需要干法刻蚀、不需要庞大的干法刻蚀设备，因此既避免了干法刻蚀对元件的污染，又降低了成本，有效解决了实际应用中的关键问题，不仅可用于石英、玻璃等材料的制作，同时可用于各种金属及半导体材料材质的各种浮雕深度的高抗损伤连续表面微透镜阵列。

本发明的技术解决方案：浸润刻蚀微透镜成形方法主要通过以下步骤完成：

    （1）在基底材料表面蒸镀一层牺牲层材料，基底材料一般选用所述的基底材料为sio₂系材料，如石英或玻璃，或金属，如钢、铝、钛等；

    （2）在所述的牺牲层表面涂敷一层光刻胶，光刻胶厚度以腐蚀液在刻蚀时间内不能渗透至牺牲层为宜,一般为为1-3微米；

 （3）确定微透镜在基片表面的位置，采用光刻方法去除微透镜口径范围以外的光刻胶；

    （4）采用辅刻蚀液去除光刻胶去除后暴露出的牺牲层材料；

    （5）将主刻蚀液和辅刻蚀液按照比例混合，比例范围通常为1：10—10：1，主刻蚀液主要用于基底材料的刻蚀，辅刻蚀液主要用于牺牲层材料的刻蚀，混合比例取决于两种刻蚀液与对应材质的腐蚀速率以及需要制作的浮雕深度，通过调节混合比例实现对浮雕深度的调节，浮雕深度随着主刻蚀液浓度增加而增加，随着辅刻蚀液浓度增加而减小。混合比例取决于两种刻蚀液与对应材质的腐蚀速率以及需要制作的浮雕深度。对于玻璃、石英等sio₂系材料作为牺牲层，辅刻蚀液为HF，浓度通常为40—60%。而对于金属材料牺牲层，则选择盐酸，浓度一般为50—70%或硝酸，浓度通常为60—80%等作为辅刻蚀液。对于玻璃、石英等sio₂系的基底，主刻蚀液为HF，而对于金属基底则选择盐酸或硝酸等作为主刻蚀液；

    （6）将牺牲层和光刻胶部分去除后的结构放置在混合液中腐蚀，在腐蚀过程中，可以静止腐蚀或调节搅拌速度1转/分钟—20转/分钟，由于液体浮力对光刻胶的悬浮作用，牺牲层腐蚀速度逐步加快，当牺牲层材料被辅刻蚀液侧向腐蚀完后，取出元件清洗，烘干即得到需要的元件。在腐蚀过程中，搅拌速度直接影响辅刻蚀液对金属层的瞬时腐蚀速率，金属层腐蚀速率的变化又将引起主刻蚀液对基底不同区域腐蚀时间的差异，从而对微结构面形构成影响，所以可以根据情况，调节搅拌速度以加快腐蚀。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

    （1）本发明不需要ICP干法刻蚀，直接在最终材质表面加工微透镜，因此，元件不存在干法刻蚀过程中的金属离子污染；

（2）本发明可用于石英、玻璃等高抗损伤元件的加工，通过调节辅刻蚀液与主刻蚀液比例，可以对微结构浮雕深度进行调节；

（3）本发明可用于各种体状金属结构的加工，因此可直接用于复制工艺母板的制作；

（4）可用于制作各种大矢高、大数值孔径的微透镜阵列；