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sin c
1
第三章 微纳加工技术
- 4 微光学元件制备
2014-5-29
二元光学制作技术
•二元编码分层掩模量化相位;
•N次掩模,可制作2N个台阶;
•标准微电子工艺;
二元光学设计
2
1
N
衍射效率:
紫外光刻+ 刻蚀 (三次)
八相位微透镜阵列
关键技术
套刻对准技术
红外双面对准光刻机
高精度刻蚀技术
SF6/O2/CHF3等离子体
离子束刻蚀
相对光强值
相对光强
2014-5-29
2
反应离子刻蚀
离子束刻蚀
•离子束刻蚀存在二次效
应即再沉积、再溅射和槽
底开沟,导致侧壁倾斜,但
刻蚀速率控制精度高,硅
的刻蚀速率10nm/min左右;
•
-2
-1
2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
dx=0m
dx=0.45m
dx=0.9m
0
x (m)
-2
-1
0
1
2
0.0
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
1
dx=0 m
dx=0.4m
dx=0.9m
对4阶菲涅耳透镜衍射效率的
影响比较显著,对8阶菲涅耳
透镜衍射效率的影响小。
存在套刻误差的微透镜
套刻误差的影响
菲涅耳透镜存在δ 对准误差
在横向误差(包括线宽误差和对准
误差)和深度误差中,以对准误差的
影响最大
衍射效率随对准误差衰减速度很快。
• 石英衍射微透镜
Array: 1500640
Pixel:25 m 25m
自对准工艺(专利)
• 使用聚合物的理由
-材料多样性:PMMA,PC,光学环氧胶,聚酰亚胺等.
-重量轻
-规模复制,成本低
-可作为独立的光学元件,也可用于单片集成
• 单片集成的要求
-高光学透过率(材料,表面状况)
-物理和化学稳定性
-工艺兼容性
-表面的平坦性
x (m)
聚合物微透镜制作技术
•制作技术
制作方法
材料
控制参数
特征
热熔法
PR
孔径,冠高
常用,简单,F数受接触角限制
二元光学法
PR
环带半径,台
阶深度
高衍射效率,填充系数,设计自
由度,但存在临界尺寸限制,套
刻对准困难
灰度等级掩模
PR,Sol-gel
曝光量和曝光
分布
专用设备,曝光量可调,但冠高
在几个微米
离子束刻蚀(IBE)
Silicon,silic
a
能量,电流,
入射角
专用设备,高刻蚀精度,但刻蚀速
度慢
反应离子刻蚀(RIE)
Silicon,
silica,
polymer
气体组份和配
比,功率,气
压
专用设备,高刻蚀速率和选择性,
但刻蚀精度不高
激光直写
PR
功率,光束直
径
专用设备,刻蚀速率慢
微喷墨
Liquid
polymer
液滴量
打印设备,接触角限制
微模制
Polymer
压力,温度,曝
光剂量
批量,低成本,多样性
焦距
曲率半径R
顶点高度h
膜厚H
100(F#=1)
200
400
60
120
240
27
10.9
5.5
14.8
5.3
2.6
d
3
3
2014-5-29
• 光刻热熔成型
• 干法刻蚀转移
聚合物微透镜:BCB
折射微透镜设计
光刻胶热熔前后截面变化
在热熔前后,可以近
似认为光刻胶浮雕图
形的体积保持不变,
设d为热熔前圆柱状
光刻胶的底边直径,
H为光刻胶层厚度,
于是有
3
h
2
H h2R
2
4h2(3Rh)
3d 2
H
• 制造直径为100μm微透镜的不同参数
(设光刻胶的折射率为1.6)
对于较高数值孔径的透
镜, 熔化过程令人满意;
对于长焦距透镜,熔化
过程倾向于在中间产生
凹陷而不是球面。
透镜F#=1~3
c高宽比适中
b高宽比过大
a.高宽比过小
光刻胶热熔后的几种不同结果
表面轮廓测量曲线
热熔后光刻胶图形
反应离子刻蚀转移:
刻蚀选择比对微透镜形貌的影响
2014-5-29
热熔Sol-Gel 玻璃制作微透镜
• 无机有机杂化SiO2-ZrO2Sol-Gel热熔
M.He,X.-C.Yuan,OpticsLetter,2003,v28n9,731
凹微透镜以及旋转双曲面微透镜的制作
• 复制技术
MiaoHe,XiaocongYuan,OpticsLetter,2004,v29,9,1007; v29,n17, 2004
4
热压
注模
紫外模塑
+成熟的技术
+投入小,成本低
+聚合物中的光程短
+平坦度高
+相对于衬底的可调性
+可利用现有设备
-材料范围受限
-复制质量较低
-低稳定性
-收缩率较高
-成本相对较高
5
2014-5-29
注模复制菲涅尔透镜
Mol
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