（电子科学与技术专业论文）微光学阵列器件研究.pdf

华中理工大学博士学位论文 另外，本文还进行了如下研究： 1 采用光刻热熔法及离子束刻蚀技术在s i 和s i 0 2 衬底上成功制作出多种形 状的凸折射型微透镜阵列，摸索了一整套制作微透镜阵列器件的经验参数。 2 推导出了微透镜阵列点扩散函数的解析表达式，建立了微透镜点扩散函 数的测试系统，并对各种形状微透镜的点扩散函数进行了测试。 3 针对微透镜与红外焦平面阵列的集成，采用边缘光线追迹法对作为微集 能器使用的微透镜阵列的光学参数进行了设计。测试了y b c o 高t 。的超导薄膜 红外探测器线列与柱折射微透镜线列混合组件的红外光电响应特性，开展了微透 镜阵列与p t s i 瓜c c d 集成的实验准备工作。 4 对微光学阵列器件的表面微观形貌进行了测试。 5 运用矩阵光学理论中的失调矩阵方法，讨论了微透镜阵列的多重成像和 综合成像特性。 6 对微光学阵列在激光准直、阵列发生器、灵巧光束扫描器、抛物面反射 型集能器阵列和v 型光锥阵列等重要领域的应用原理和实现的技术途径进行了阐 、 述，为微光学阵列器件的实用化奠定了基础。广一 关键词：微透镜阵列，光致抗蚀剂，氩离子束刻蚀， 红外焦平面阵列，微光学阵列器件 i i 华中理工大学博士学位论文 a b s t r a c t i nt 1 1 i s d i s s e r t a t i o n ，f a b r i c a t i l l gt e c l l l l o l o g ya i l do p t i c a lp r o p e n yo fm i c r o - o p t i c a l a r r a y ( m o a ) d e v i c e s a r es m d i e d s y s t e m a t i c a l l y t h ec o n t e m si 1 1 c l u d em a i l yi 衄o v a t i o n s ： 1 t w on o v e lm e t l l o d s ，n 锄c dm ec u r v 曲【l r e - c o m p e n s a t e dm i l l h l gm e m o da n d 也e h a i l g e dh e a t - f o m l m g p h o t o r e s i s t m e n l o d ，a r c r c s p e c t i v e l yp r c s e m e d t o f 曲r i c a t e p a r a b o l o i d s h 印e dm o a a i l dc o n e s h a p e dm o ao nv 耐o u ss u b s 仃：a t e s ，s u c ha ss i ，s i 0 2a n d a 【e ta j a n dt h er n e t 岣d sp r o v i d eu sm a n yr 心wi d e aa i l dt e c h n o l o 酉c a lw a y st of 弛r i c a t e m o ad e “c e s 、v i t l ld i a e r e m l i c r o s n u c t i l r e 2 an o v e lm e t h o d ，n a r n e dm ec u r v a t u r e i n v e r t e dm i l l i n gm e t h o d ，i sa tf i r s tt i i n e p r c s e n t e dt of a b r i c a t ec o n c a v em l a o nv a r i o u ss u b s 乜a t e ，s u c ha ss i ，s i 0 2 ，e ta 1 3 an e wm e t h o dn 锄e df i l mh e a t i n g f o m l i n gp h o t o r e s i s tm e t h o di sp m p o s e dt 0 f a b r i c a t em l a 、v i m 1 0 n gf o c a ll e n g n l a n d e x p a l l dm er a l l g eo fr e l 撕v e 印e m i r e o fm l a 4 a n e m p i r i c a lf o n n l l l a ，b e i i l gc o n s i s t e n t 、i t he x p e r i m e n t a l r e s l l l t sa i l db e m ga g u i d e t o f i l _ t u r e e x p e r i m e n t s ，i sd e r i v e d ，t l l r o u 曲a n a l y z i n g t l l et h e o r i t i c a lf o 脚l l l a p m p o s e db y s o m e k ha i l do fa ri o nb e 锄m i l l i i l gr a t ea n ds 眦m a r i z i n ge x p e r i m e n t a ld a t ao fa ri o n b e 锄m i l l i n gr a t ei nt h ec a s eo f d i f f b r e n tm a t e r i a la 1 1 dm i l l i n g p a r a m e t e r s t h ec o u r s e ，i n w h i c hs 删缸e m i ) r p h o l o g y o fp h o t o r e s i s t f i g i l r e i s d u p l i c a t e d a i l d 岫s f e r r e dt o s u b s 廿a t e ，i sa n a l y z e d 5 p h e n o m e n o no fc r i t i c a le 丘b c t i nm ec o l l r s eo fh e a tf o 咖i 1 1 9o fp h o t o r e s i s ti s d i s c u s s e da n de x p l a i n e d 1 7 i l ec o n c e p 招o f c r i t i c a lf b m l i n gc o e f f i c i e n ta n dc r i t i c a lr i ma n 9 1 e a r ei n 仃o d u c e d ，a n dc o m p a c tf l m c t i o n a lr e l a t i o nb e 柳e e nm e md e m o n s t r a t i n g 也e i r i 1 1 1 1 e r e n t c o n n e c t i o ni sd e r i v e d b e s i d e st 1 1 ec o n t e n t sm e n t i o n e da b o v e ，t h er e s e a r c hi n c l u d c st h ef o l l o w i n g c o m e n t s ： 1 c o n v e xr e 行a c t i v em i c r o l e n sa r r a y ( m l a ) a r es u c c e s s m l l yf a b r i c a t e db yt h e m 砒o dc o m p o s e do f h e a t - f o r n l i n gp h o t o r e s i s ta i l dm i o nb e 锄m i l l i n g ，o nv 撕o u s i i i 华中理工大学博士学位论文 s u b s t r a t e ，s u c h a s s i ，s i 0 2 e ta 1 a n dav 抓e t yo fc r i t i c a l e x p e 曲e n t a lf a b r i c a t i o n p 删e t e r s a r eo b t a i n e d 2 t h ea i l a l y t i ce x p r e s s i o i l so f p s fo f m l a a r ed c r i v e d a t e s t i l l gs y s t e mo f p o i m s p r e a d 鼬c t i o n ( p s f ) i s c o i l s 订u c t e d 趾dp s f so f v a r i o u sm l aa r em e a s u r e d 3 f o rm t e 乒a t i o no fm l aa n di n 细r e df o c a l p l 鼬ea r r a y ( i r f p ：a ) ，o p t i c a l p a r 锄e t e r so f m l a a saf o c a lp l a n eo p t i c a lc o n c e n 仃 l t o ra r ed e s i 掣l e db yl i 曲t 仃a c i n g m e t l l o d n 地i ro 跳0 e l e c t c o i l i cp e r f o r m a n c eo ft h ei m e 挚a t e d 如咖eo fl i l l e a ri rk g h t cy b c 0s u p e r c o n d u c t i n g l i i lf i i i n 黝y sa n dl i n e a rr e 行a c t i v em l a i st e s t e d 1 1 1 e p r e l u s i v ee x p e r m l e n tw o r k i n 也e o p t o e l e c t r o 试cp 确m l a n c ei r r l p r o v e m e n t o f1 2 8 1 2 8 e l e m e n ts t a r i n gp t s ii r c c di n t e g m t e d 、i m1 2 8 1 2 8e l 锄e n tr e 丘a c t i v em l ai s e n g a g e d 4 n l es u 血c em o r p h o l o g yo f m o ai st e s t e d 5 t h em a l a d j u s t e dm 捌xm e m o do f m 捌xo 幽c sm e o r yi sa d o p t e dt oa n a l y z em e c h a r a c t e r i s t i c so f m l l l t i p l ei n l a g i l l g 趾ds ”i m e t i ci m a g i i l go f m l a 6 t h ep r i n c i p l e so fa p p l i c a t i o n so fm l a ，s u c ha sl a s e ra l i g 蛳e n t ，o p t i c a la r m y g e n e f a t o t ，a 舀l eb e 锄s t e 柏1 9 ，a n dv s h a p e dh 班c o n e ，c t a 1 ，a r ee x p o l h l d e d k e y w o r d s ：m i c m l e n sa r r a y p h o t o r e s i s t ，a ri o nb e a m m i l l i n g ， m i c r o o p t i c a la r r a yd e v i c e ，i i m a r e d i b c a l p l a n ea 删 华中理工大学博士学位论文 第一章绪论 世纪之交，信息技术的发展如火如茶，与婴儿的成长是不断长大相反，器件的发展是不 断缩小：i n t e l 公司采用0 1 8 微米技术制作的奔腾代微处理器、火材盒大小的m o t o l o r l a 移 动电话机和集成度高达上千万个元件的特大规模集成电路( u l s i ) 等，这些代表着当今科学 技术发展最高成就的高新技术，无不演绎和浓缩着一个又一个微型化的故事，微型化已成为 我们这个时代科学技术发展的主要特征之一。目前，半导体集成电路的集成度以每年翻一番 的速度增长，结构最为致密的集成电路元器件密度正在超过人类大脑细胞的表面密度，与此 同时，微器件的尺寸已伸展到亚微米量级，而微器件的最小特征尺寸已成为衡量一个国家科 学技术和工业现代化水平的重要标志。器件的微型化并不是简单地等同于外形尺寸上的缩小， 其意义在于由微器件构成的系统具有响应速度快、可靠性好、集成程度高及性能价格比高等 优点。微系统的出现大大拓展了科学仪器的应用范围，并将科学研究的范围延伸至传统方法 无法涉及的领域，微系统对科技的影响不亚于基因技术对生物学产生的影响。1 9 9 1 年，美国 国家关键技术委员会向美国总统提交了美国国家关键技术报告【1 l ，该报告指出：微工程 技术是发展新一代计算机、先进机器人及智能化系统，促进机械、电子及仪器仪表工业实现 集成化和智能化的核心技术之一。目前，世界各国都对微系统的研究投入了大量的人力和物 力【2 】：美国国防部每年拨出1 _ 3 亿美元用于微系统研究；德国联邦政府每年拨款6 5 0 0 万美元 支持微系统研究；英国政府每年拿出4 0 0 0 万美元投入微系统研究；另外。日本、加拿大和法 国等技术发达国家也均在九十年代初期将微系统的研究和开发列为新的重点或国家项目，投 入大量的资金和人力予以支持。可以这么说，科技界和产业界正在经历着一场波澜壮阔的微 型化革命。 同其它科技领域一样，在光学领域，光学元件和系统的微小化和集成化也是当代光学技 术的主导方向，微光学器件就是在这样的背景下应运而生。微光学器件是指尺度在微米至纳 米量级的光学元器件，它具有微型化、阵列化、集成化、易复制、造价低、可靠性高等特点。 近年来，以折射和衍射型微透镜阵列( m i c r o l e l l sa n 甜) 为代表的微光学器件在焦平面集光、 激光准直、大面阵显示、光效率增强、光计算、光互联、微型光扫描、多重像的生成、多通 道读写及昆虫复眼结构的仿生模拟等方面获得越来越广泛的应用【3 - ”。 六十年代末期，以离子交换技术为基础制成的梯度折射率型微透镜的出现揭开了微光学 研究的序幕。这类微光学元器件具有端面为平面、数值孔径大、焦距短、易于与其它光学元 器件匹配耦合等特点【9 l ，以这类光学元器件的提出和发展为契机，微光学的理论和实验技术 逐渐发展起来，目前已广泛地渗透到了传统光学的几个主要分支学科中，使光学工程与技术 在空间科学、小卫星系统、微机械和传感系统、激光技术、计算机技术、信息处理技术、光 纤通信、生物医学光子学、仿生技术、显示技术、模拟和仿真技术、凝视焦平面成像结构、 国防科技与工业等众多领域中显示出前所未有的重要性及广阔的应用前景0 1 ”。 华中理工大学博士学位论文 1 1 徽光学技术的发展 微光学是研究微米级至纳米级尺寸的光学元器件的设计、制作工艺及利用这些光学元器 件实现光波的发射、传输、变换及接收的理论和技术的现代前沿光学学科，其发展主要基于 微细加工的两个关键技术：亚微米光刻和各向异性刻蚀技术。微光学发展的两个主要分支是： 基于折射原理的折射微光学和基于衍射原理的二元光学，二者在器件性能和工艺制作等方面 各具特色。二元光学的概念首先由v e l d k a m p 于1 9 8 7 年提出【1 ”】，得名于制作衍射型微器件 。 的掩膜是二元的( 也就是全透或全不透，没有灰度等级) ，而且掩膜用二元编码形式进行分层， 这种二元编码由计算机采用二元数字库进行设计。 微光学的发展已经经历了三个阶段f ”“w 。 ( 一) 微型化阶段 为了使光学系统微型化、轻量化，人们采用微细加工技术制作出直径从几个毫米到几百 个微米的微小透镜，去实现普通光学元件无法实现的一些特殊功能。另外，微光学技术还被 用于像差校正，通常是在球面折射透镜的表面上刻蚀微米级的衍射图案，实现折衍复合消 像差和较宽波段上的消色差【l l 】。此外，微光学元件能产生任意波面以实现许多特殊功能，而 具有重要的应用价值，如材料加工和表面热处理中的光束整形元件、医疗仪器中的h e n e 激光聚焦校正器、光学并行处理系统中的光互连元件以及辐射聚焦器等f - 喇。微光学元件的 第一代应用技术已趋于成熟。 ( 二) 阵列化阶段 八十年代末，微光学领域向着阵列化的方向发展，出现了以折射或衍射微透镜阵列为代 表的第二代微光学元器件。随着各种类型微光学元件设计理论和加工技术的迅猛发展，光学 元件的微型化、轻量化驱使着光学元件从微型化的分离元件向阵列化微器件发展，这样就有 效地发挥了光子信息载体所具有的高速、并行和巨大的互联功能，同时还可以有效地增强系 统的功能，以及其稳定性、耐用性和实用性，降低系统的成本，使得由各种微光学阵列器件， 如半导体激光器阵列( l d a ) 、发光二极管阵列( l e d a ) 等光源阵列；微透镜阵列( m l a ) 、 空间光调开关和逻辑阵列；大规模c c d 面阵探测器阵列所组成的微光学系统具有极大的竞 争优势，从而成为光计算、光互联、光信息处理网络系统的普遍结构组成形式，其中对光波 进行位相、开关和逻辑调制的微透镜阵列等光学调制器件阵列将是系统中最关键的部分之一， 其光学变换特性已引起了众多光学工作者的浓厚兴趣，得到日益深入的研究。 。 用微细加工技术制作的高密度微透镜阵列的衍射效率通常很高，且可实现衍射受限成 像。另外，当刻蚀深度超过几个波长时，微透镜阵列表现出普通的折射元件特性，并具有独 特的优点：阵列结构灵活，可以是矩形、圆形或密排六方形排列：能产生各种轮廓形状的透 镜表面，如抛物面、椭球面及合成表面等；透镜阵列的“死区”面积可降到零( 即填充因子 达到1 0 0 ) 。这类高质量的折射或衍射微透镜阵列可以在多通道微型传感系统中被用作望远 混合光学系统、光束灵巧控制、多通道处理、探测器阵列和自适应光互连。 ( 三) 集成化阶段 第三代微光学技术的发展方向侧重于集成化，目前正在研究和发展的三维微小混合光电 2 华中理工大学博士学位论文 集成系统是其典型代表，它主要通过在一种衬底材料上制作种功能光子或光电子元器件阵 列基片，然后把不同功能的基片纵向叠合起来从而实现多功能的集成，这类三维集成光电结 构可以在成像及复杂的光互连中进行多种复杂的光波变换、探测和处理，形成一个多功能的 集成化光电处理器。这一进展将使一种能按照不同光强进行适应性调整、探测出目标的运动 并自动确定目标在背景中的位置的图像传感器成为可能。v e l d k a i l l p 将这种新的微光学技术与 量子阱激光器阵列或s e e d 器件、c m o s 模拟电子技术结合在一起，提出了“无长突神经细 胞电子装置”的设想，它把焦平面结构和局域处理单元耦合在一起，以模仿视网膜上无长突 神经细胞的近距离探测，系统具有边缘增强、动态范围压缩和神经网络等功能f ：m 】。第三代 微光学技术的典型应用是多层光电网络处理器，它是一种采用焦平面预处理技术的智能芯片， 它以微光学元件提供灵活反馈和非线性预处理能力，每一层之间利用微光学阵列实现互连耦 合，它为传感器的微型化、集成化、智能化和多功能化开辟了新的途径。 随着光通信技术、信息处理技术、光计算技术、光学图像传感和变换技术、生物医学光 子学和基因工程技术的迅速发展，微光学在以三维集成光学系统为典型应用的领域将会取得 关键性的突破，对光通信、光信息处理及光计算技术产生巨大的推动作用，微光学技术的迅 速发展使其与微机械学和微电子学的融合更加广泛和深入。微光学、微电子学与微机械学结 合所形成的微光电子机械现已成功地应用于改善传感器和执行机构的性能，并能够大幅度地 降低使用和运行费用。由于微光学的理论和实验技术的引入，目前正在快速发展的虚拟制造、 控制和处理系统已使传统的制造工业、信息处理与控制技术进入一个崭新的发展阶段。基于 v l s i 技术的微光学技术与机械学的紧密结合将会产生一个新的、更加先进的微光机电机械系 统，在微机械学和微电子技术支撑下的微光学也有望形成一个庞大的产业【“：目”。 1 2 徽透镜阵列在红外焦平面阵列上的应用 近年来微光学领域的研究一直非常活跃，而其中的微透镜阵列作为一个非常典型和关键 的微光学器件引起了广泛的兴趣。微透镜阵列有着许多非常重要的应用，它是光计算、光学 神经网络、光信息处理、光通讯等的关键器件，如美国联合技术光学系统( u n i t e dt e c h n 0 1 0 2 i e s o p t i c a ls y s t e m ) 自适应光学公司( a o a ) 研制出硒化锌( z n s e ) 微透镜阵列，它能应用于可 见光到远红外，是一种宽带微透镜阵列，已应用于红外成像和可见光成像系统。同时微透镜 阵列也是光学系统微小化和集成化的基础，目前微光学的研究正从单元器件向与微电子、微 机械集成构成微系统的方向发展，形成新型、高效的功能器件。例如将微透镜阵列与焦平面 阵列或c c d 集成于一体，可以提高探测器阵列的填充因子口”】，在军事和工业应用中具有极 大的意义；在投影液晶显示屏中，在传统平面结构的l e d 上加上球面的微透镜结构，可以利 用微透镜阵列的聚光作用，增加显示屏的亮度，从而得到高亮度的l e d 光源，这样就可以大 幅度提高产品质量、降低系统功耗，引入了可观的技术附加值：利用球面结构的微透镜阵列 还可以实现光源与光纤的有效耦含，提高系统的耦合效率：微透镜阵列可应用于照相机的自 华中理工大学博士学位论文 动对焦系统和近距成像系统，如复印机、传真机、光学扫描仪、激光打印机及条码识读器等 现代化办公设备中的1 ：1 成像系统：微透镜阵列还可以成为制造三维照相术中的关键器件一 一逆反射屏和集成成像屏，这也许就是立体照相机的最佳实现方案【3 2 】。在以上微透镜阵列的 多种应用中，其最重要的作用是作为聚能元件，即通过使用光学手段来提高系统的光能利用 率，现代光学系统对这种功能元件的需求十分迫切，而且对器件的尺寸、阵列大小及均匀性 的要求也日益提高，这与先进的可见光及红外焦平面阵列、大规模c c d 面阵技术的高速发 展是密切相关的。在军用红外焦平面阵列方面，这一功能显得尤为重要，微透镜阵列已成为 高质量、高效率的红外焦平面阵列的一个重要组成部分。 1 2 1 红外焦平面阵列的发展 自二十世纪五十年代美国成功地在将p b s 红外探测器用于响尾蛇导弹寻的器以来，红外 辐射探测技术发展迅速，红外成像探测器经历了从单元到多元，从线阵到面阵的发展过程。 早期的红外成像系统采用单元探测器，很难解决帧速和灵敏度的矛盾，由此发展到了多元探 测器，第一代线阵探测器是将每个探测器元的信号引出，每个元都配一个室温前置放大器， 这一方法使第一代线阵探测器限制在2 0 0 个单元以下。六十年代末期，c c d 器件的发明使得 配有焦平面上电子模拟信号读出的第二代列阵探测器成为可能，其功能主要包括光子探测、 电荷存储和多路传输读出等，此类探测器称红外焦平面阵列( i n 丘a ”df o c a lp l a n ea n 科) ，i r f p a 是兼有信号处理功能的新一代红外探测器，是探测器制造技术和大规模集成电路结合的产物。 焦平面阵列通常表示为n m 阵列，其中n 表示分辨通道的数目，m 表示对景物中同 像元延时的次数。当m n 时，在成像系统中景物的可辨像元与焦平面阵列中的探测器单元 一一对应，因此不再需要机械扫描结构，仅进行电扫描即可，这种焦平面阵列被称为红外凝 视焦平面阵列，它与单元和线阵探测器相比具有以下优点： 实现了凝视和延时积累面阵，在红外系统设计时，便于对探测系统孔径、光谱带宽等 常数进行选择和折衷； 由于焦平面结构减少了从杜瓦瓶的引出线数，焦平面系统的设计比分立元件组成的系 统简化。系统需要的信号处理电路的数量减少，简化了结构并提高了性能； 系统的探测灵敏度明显提高，可提高系统的角分辨率，减少虚预警率； 没有机械扫描，系统可靠性提高，体积小、重量轻、功耗降低。 在军事应用领域，焦平面红外成像系统正在成为红外成像导引系统的主导形式f 3 3 “1 。大 规模红外焦平面阵列技术是美国战略防御计划( s d i ) 和国防高级研究计划局研究的关键技 术之一，中波碲镉汞h g c d t e 材料已完成2 5 6 2 5 6 的面阵，成功地用于红外卫星相机和大气 层外轻型射弹吲：5 1 2 5 1 2 的p c s if p a 将用于“s d i ”计划的战区高空防御系统( t h a a d 【”1 ) ； i n s b 材料能在0 3 5 5 口肌波段工作，抗辐射能力强，峰值量子效率在o 1 1 的范围内， i n s b 凝视i r f p a 已有6 4 0 4 8 0 和5 1 2 5 1 2 元阵列样品【”】。目前，长波h g c d t e 焦平面工艺 4 华中理工大学博士学位论文 上的困难是难以作出面积大、均匀性好、结构完整的材料，其不均匀性在4 1 0 范围内。 均匀性最好的为大面积p t s i 器件，其不均匀性为0 2 5 【3 ”。 1 2 2 红外焦平面阵列的擞透镜集成技术的发展现状 在焦平面阵列上应用微透镜阵列是单元探测器采用集能器技术的发展和延伸，它利用透 镜的聚光作用来提高探测器的填充因子，这样就可以减少探测器的面积和体积，从而降低了 探测器的噪声，提高了探测率。 美国e r l l a r d t k a u e 和o h 啪对3 5 棚红外3 2 6 8 元f p a ( 单元象素尺寸为8 0 m 1 6 0 小) ，采用背照明方式，将折射微透镜阵列以2 5 m 空隙耦合到c c d 成像探测器阵列， 填充因子从2 5 提高到5 5 ，探测灵敏度提高2 2 倍i 柏1 。 美国麻省理工学院( m i t ) 林肯实验室与美国l o r a i 红外与成像系统公司合作，首次报 导了在2 c m 2 c m l m m 的c d t e 衬底上制作出6 0 0 0 单元、f ，o 9 的微透镜阵列，其单元微透 镜直径为5 5um ，并与8 1 2umh g c d t e 红外探测器阵列配合使用。带有微透镜阵列的h g c d t e 光电二极管比没有微透镜h g c d t e 二极管阵列光电流信号增大2 3 倍，这一研究成果目前准 备武装美国军方红外前视系统f 4 ”。 日本的i s h i h a m 和t 抽i g a l e 对o 5 5 m 可见光4 9 0 7 6 8 元c c d 阵列( 单元象素尺寸为 1 1 5 m 1 3 5 小) ，采用前照明方式，将折射微透镜阵列直接与c c d 成像探测器阵列胶 合在一起。填充因子从4 0 提高到8 0 ，探测灵敏度提高2 1 倍h “ 日本松下电子工业公司和日立公司在l ，3 英寸2 7 万象元的可见光c c d 固体成像器件上 制作了单片微透镜阵列，用来改善成像器件感光灵敏度和信噪比。上述c c d 焦平面的像元 有效孔径在无微透镜阵列时约为3 0 ，采用微透镜阵列后，有效孔径已达6 7 ，感光灵敏度 是无微透镜的2 倍，电视画面清晰度有明显的提高【4 ”。计算机模拟指出，随着c c d 固体摄 像机的更加超小型化，像元数将增加到1 3 0 万到2 0 0 万个，微光学透镜阵列的作用将越来越 明显，随着制作技术的进步，有效孔径将来可接近1 0 0 。 1 3 徽透镜阵列的制作方法综述 在现代光学系统应用中，微透镜阵列应用范围的扩展对其制作技术不断提出新的要求， 例如对于衍射型的二元微透镜阵列，在单一波长场合中，理论上可以实现任意的波面变换， 还能达到很高的衍射效率。可以这么说，无论从设计方法，还是从加工技术上来考虑，二元 光学器件都堪称微透镜阵列中的佼佼者，但是如果考虑宽波段的应用场合，由于衍射型微透 镜阵列的工作机制是衍射，存在很大的色差，对中心波长设计的= 元微透镜阵列对两端波长 的会聚性能较差，导致能量损耗和邻近像元之间的窜扰增加，因此衍射型的二元微透镜阵列 只适用于单色光或准单色光场合。在复色光场合下，必然会因为引入过量的色差而大大降低 器件的性能，二元微透镜阵列的性能就要大打折扣了，尤其是在可见光和近红外区域大数值 华中理工大学博士学位论文 孔径的应用场合中，加工误差极大地降低了器件的性能。综合考虑在近红外焦平面阵列集成 技术和可见光成像领域中的应用，对微透镜阵列的制作方法有以下要求： 微透镜阵列的类型应为折射器件，以保证能在宽波段范围内使用； 微透镜阵列的制作的方法在各种光学材料上都能适用，在红外器件应用中，微透镜的 材料一般是硅，锗和硫化锌等红外材料，而在可见光成像系统中，其材料应为光学玻璃或光 学塑料等； 微透镜阵列的光学参数应灵活可调，单元微透镜的光学参数可以在一个较大的范围内 进行选择： 微透镜阵列的线度( 或称为阵列数) 在保证阵列单元光学特性一致性的基础上，应尽可 能大： 微透镜阵列的加工工艺应保证器件制作的可复制性，实现大规模的复制才能降低器件 的成本，提高性能价格比。 在本节中将详细介绍几种主流的折射型微透镜阵列的制作方法，并衡量和挑选适合我们 课题研究的方法。 半导体微透镜阵列主要是指在半导体基底上用特殊的工艺方法直接制造出微透镜的面形 结构，从而将微透镜与其它微器件集成在一片半导体基底上，完成光束耦合、能量增强、光 路转换等功能。从这个角度上说，半导体微透镜与其说是一种新的微透镜类型，还不如说是 将各种类型的微透镜的加工方法结合半导体加工工艺而形成的特种加工工艺的产物。 化学刻蚀法【“1 的基本工艺过程是：首先用光刻的办法在i n p 基底上获得圆环状的光刻胶 掩膜( 保留的环带区域作为l e d 的发光电极) ，然后用化学腐蚀液腐蚀，以得到凸透镜面形 的表面结构。此方法具有简单、高效、安全的优点。而且不会破坏基片的表面晶体结构。因 此这种方法一直作为半导体微透镜制作的传统工艺。 光电化学刻蚀法f 4 5 】的基本出发点是将光通过照相掩膜，使之受到强度调制，再将具有一 定空间分布的光投影到半导体的表面。而半导体表面进行的化学刻蚀与入射光的能量有关， 刻蚀速率受到入射于半导体表面的能量的控制，这样就可以通过调制入射光的能量分布，而 达到制造不同面形的微透镜的目的。 1 3 2 离子交换法 由均匀介质构成的光学元件对光的控制作用只发生在各光学界面上，为了达到满意的成 像质量，一般需要多个光学界面，使得光学系统的设计和制造复杂化。变折射率介质中的折 射率是可以逐点不同的，因而光在其中的传播方向可以连续地改变。变折射率透镜阵列的工 作原理就是采用变折射率介质来实现对光线的调制【4 6 】。 目前最常用的方法是用离子交换法在玻璃中形成一定的变折射率分布【4 7 】。离子交换技术 6 华中理工大学博士学位论文 是一种古老的方法，主要用于染色和改善玻璃的表面机械特性，而如今，离子交换则广泛用 于制作梯度折射率柱状透镜、折射率平面透镜和集成光学中的无源器件。我们知道，玻璃是 由诸如a l 2 0 ”b 2 0 3 、s i 0 2 和t i 0 2 等成分组成，以形成坚固的结构，也包含少量的金属氧化 物成分，如c a o 、k 2 0 、n a 2 0 和p b o ，用来改变玻璃特性，例如硬度和折射率。在温度远高 于玻璃基体的熔点时，这些氧化物将成为离子，而金属离子可在扩散和迁移作用下自由移动， 甚至移动到介质外表，通常基体中的钠离子可以由下列阳离子之一所代替：a r 、t i + 、c s + 、 k + 或l i 十这种由热扩散作用导致的离子交换过程将在交换区域产生逐点变化的折射率分布。 离子交换产生的变折射率分布与人们所希望的非常接近，而且工艺简单可靠，因而取得 了很大成功，但还存在着两个难以克服的缺点：首先是离子扩散的速度非常慢，使得可获得 的离子交换深度非常有限，一般在十毫米以下；其次适合离子交换的玻璃种类非常有限，离 子交换在大多数光学玻璃中能够造成的最大折射率差小于o 0 2 ，而在专门研制的玻璃中能够 得到的最大折射率差一般也小于0 2 。因此，离子交换工艺限制了制作大尺度的变折射率光 学器件，但这却很好地适应了光学器件微小化的趋势。8 0 年代初发展起来的平面掩膜离子交 换技术，打破了变折射率光学中离子交换的传统模式，使得可在某个局部得到所希望的变折 射率分布。它借用了半导体工业中已成熟的平面掩膜光刻技术，与集成光学有很好的兼容性。 1 9 8 1 年，日本的k i g a 等人【8 】首先用溅射的t i 作掩膜，光刻腐蚀出直径为o 6 m m 的圆 孔径阵列做离子交换窗口，用t i + 来交换玻璃中的n a + 或k + ，在一块b k 7 平板玻璃上制成了 直径1 2 m m ，焦距9 7 m m ，最小光斑直径为1 7um ，有效数值孔径n a = 0 0 5 的自聚焦平 面微透镜阵列。所采用工艺的主要特点是：在特定玻璃基片上首先溅射一层t i 掩膜，再通过 刻蚀工艺将图形转移到掩膜上，于是在玻璃基片上就形成了规则排列的透明圆形窗口。通过 离子交换工艺，就可制作出均匀分布的自聚焦平面微透镜阵列。离子交换过程在3 0 0 的烤 箱中进行，这样可以保证金属离子的强活动性，置于透明窗口上方的1 补0 ，盐呈熔融状态， 其中的t i + 在离子扩散作用下渗入透明窗口下的玻璃基体里。 一般地说，在自聚焦平面微透镜中，对光线的会聚成像效应是由于变折射率分布的存在 所引起的。微透镜的数值孔径决定于离子交换引起的最大折射率差，而最大折射率差又受玻 璃基底的化学成份和交换离子对的的严格限制。值得注意的是，由于离子交换引起玻璃体积 的膨胀，使离子交换区部分向外凸起，并在应力的平滑作用下趋向形成球面，此球面曲率的 存在对微透镜的成像性质有很大的影响。从已报道的实验结果可以发现，此球面曲率的部分 对数值孔径的贡献大于9 0 【4 ” 用离子交换的方法制造的微透镜阵列是梯度折射率分布的，如果能制作出相当尺寸和光 焦度的透镜，传统的球面透镜也能实现梯折透镜的特殊性能。早期制作球形微透镜阵列以获 得1 ：1 成像阵列的方法主要是用模压或注塑工艺在塑性材料上制作。对于这些方法，要达到 1 ：1 成像特性，多个透镜的对准十分困难。此外，在阵列中若不加入光学遮栏，就无法减少 透镜之间的交互干扰。为解决传统方法的这些困难，n f b o r r e l l i 、r h b e l l m 等人【5 “ 7 华中理工大学博士学位论文 ”】提出用光敏玻璃热成型的方法来制造微透镜阵列，成功地获得了直径为1 5 0 5 0 0um 的微 透镜阵列，透镜之间的中心距比例为1 ：2 。 光敏玻璃热成型法的原理是基于光敏玻璃的光敏变色效应及玻璃中重金属离子核析晶现 象而发展出来的，即将光敏玻璃基片在具有一定孔径图案的掩膜板的遮蔽下，进行紫外光曝 光，经预定热处理后产生颜色，这些颜色是由感光热处理中形成的一些重金属微粒( 如银、 金、铜等) 的吸收造成的。当这些微粒达到一定的临界尺寸时，就会作为微晶生长的核心， 促使玻璃从各向同性转变为微晶态。如果发生这种光致作用的区域足够大，那么将形成比最 初各向同性的玻璃更大的密度。于是，孔径周围的感光区域成核析晶，形成光学致密区域， 密度增大，而未曝光部分的碟形孔径区域密度未发生变化。当热处理温度达到未曝光碟形区 域玻璃软化温度时，高密度的曝光区域沿未曝光玻璃基体的柱形边界形成一定的压力，挤压 未曝光区域的软化玻璃，使之突出玻璃表面，在表面张力的作用下，在未曝光的表面凸起部 分形成光滑的球面形状，从而得到凸透镜表面结构，形成了微透镜阵列，如图1 1 所示。 紫外线 i i i i i i i i i 二塑j l l 光敏玻璃l 1 3 4 激光直接写入法 图1 1 光敏玻璃热成型法原理图 激光直写岬5 6 1 原理是基于激光在抗蚀层表面曝光剂量与显影后抗蚀层高度的线性关系， 将光学元件轮廓分布用曝光剂量的大小表示出来，再用该剂量的激光对基片逐点曝光，显影 后得到设计的光致抗蚀剂三维图形。 具体的操作首先应由元件表面设计结构和抗蚀材料的显影特性计算确定表面各点所需的 曝光量分布，并将该数据存入计算机，然后激光直写系统中被聚焦的h e c d 激光束在计算机 控制下，对基片上的光致抗蚀剂进行扫描并变剂量地曝光，基片置于由干涉仪控制精确定位 的平台上。显影后在其表面形成连续变化的光致抗蚀剂图形结构，恰当地选择实验参数即可 得到与理想结构十分接近的图形结构。由于抗蚀剂材料机械强度低，易受磨损且不适用于恶 劣环境，还必须对其进一步刻蚀将抗蚀剂表面的结构转移到基底上。 激光直写过程完全由计算机控制，横向定位精度通常小于o 1 微米，一次成形，使用方 便。但它存在以下问题： 直写后抗蚀材料表面比较粗糙，引起漫散射，降低器件光学性能。 轮廓深度不能精确控制。加工轮廓深度与曝光强度、扫描速度、抗蚀剂材料、显影液 华中理工大学博士学位论文 配方以及显影时间等多种因素有关，任何一个因素的改变都会引起轮廓深度误差。 曝光时间长，生产效率低，元件制作费用高。 采用电子直写技术制作微光学器件始于8 0 年代初【5 7 】，电子束直写原理与激光束直写相 同，利用电子束以光栅式扫描方式对基片逐点曝光，写入图形以梯形和矩形为基元划分，数 据文件以各基元坐标格式存储。但它很不适于描述圆形和任意曲线图形，因为数据过于庞大。 通过改进软件以有效的数据存储形式描述微光学三维图形，并且与国际通用光学器件设计软 件( 如c o d ev ) 接口，可使设计数据直接转为直写数据，完成了从设计到制作完全自动化， 有效地制作光学器件p ”。 电子束直写制作器件的具体工艺步骤：在基片上蒸镀层导电膜，导电层具有释放静电 功能，可避免写入过程中基片表面静电积累而影响实际曝光剂量大小。在导电层上涂一层对 电子束敏感的抗蚀剂，先烘干，再经曝光，显影形成所需的三维表面微轮廓。 电子束直写设备的扫描频率高达1 0 m h z 左右，使一块典型的微透镜阵列的加工时间只 要几十秒。电子柬直写的分辨率可做到小于1 0 啪。但电子束直写与激光束直写一样存在一 些问题：轮廓深度难以控制，由于电子束曝光量是靠在每个格点的驻留时间来控制的，而 激光束是靠强度的改变，因此局部轮廓的高低不仅与局部电子束曝光剂量有关，还与临近区 域的曝光剂量有关，对复杂轮廓器件，其曝光重的控制是很困难的；在计算曝光剂量时要 考虑电子束l 临近效应的影响，临近效应是由于电子束，抗蚀材料和基底材料之间复杂的相互 作用而引起的，它包含电子束在抗蚀剂中的散射和基片表面的背散射的影响，临近效应使抗 蚀剂所得实际曝光量与电子束投入曝光量存在一定的差距。 光刻热熔成形法从z p o p o r i c 【”1 于1 9 8 8 年提出后，立刻在学术界引起广泛的兴趣，如m i t 林肯实验室的t r - j a v 等咖l 就工艺参数对微透镜质量的影响进行了研 究，并提出了预成形光刻胶热熔法，a t & t 贝尔实验室的y f e l d b 】u m d g 等对这种微透镜列阵的测试进行了研究。 光刻热熔成形法的原理是：是将有一定厚度的光刻胶在具有适 当孔径的圆形图案的掩膜的遮蔽下，进行紫外曝光，经过显影后在 基底上就形成了相对应的孤立的岛状圆柱形胶体，再进行热处理， 加热光刻胶至熔融态温度，此时熔融的光刻胶由于表面张力的作用， 形成了以图案孔径为边界的光滑的球面，从而就得到折射型微透镜 的表面结构整个工艺过程可分为如图1 2 所示的三步：光刻胶板 在掩膜的遮蔽下进行紫外曝光；对已曝光的光刻胶版进行显影和清 洗：热熔成形。 图l2 光刻热熔法 的工艺流程简图 9 擞一 华中理工大学博士学位论文 光刻热熔成形法具有工艺相对简单，对材料和设备的要求不高。工艺参数稳定且易于控 制，复制容易等优点，很适于制作较大相对口径的微透镜 另外，还有几种折射微透镜阵列的加工技术【6 2 “】：汽相或液相沉积工艺、离子束直写法、 塑料基片的扩散共聚工艺、全息法和拉光纤法等，由于这些方法在技术上均不能满足我们的 要求，限于篇幅，在此不再赘述。 综合考虑以上所介绍的各种微透镜阵列的制作方法，我们经权衡后选择采用光刻热熔成 形法来制作微透镜阵列，关于此方法将在后面的章节作专门的论述。 由于大批量生产的需要，我们还必须探索和研究微透镜阵列的复制方法，这些方法对于 某些微透镜阵列( 如热熔型微透镜阵列) 来说是整个工艺步骤中的一个工序。目前，各种微 透镜阵列的复制方法主要可以分为两类：“铸造”式复制方法和“刻蚀”式复制方法。 1 4 1 。铸造”式复f 材_ 疗法 这类方法是将微透镜的面形拷贝成模具i “，然后再采用类似铸塑的方法进行生产复制， 传统的电铸模具法是这一类方法的代表：运用化学电铸的方法制成金属硬模板，通过模压或 注塑的方法将微透镜面形轮廓复制到塑性材料上，可以实现微透镜阵列的大批量复制，这种 方法的基本工艺过程为：在微透镜阵列母板( 光刻胶版) 表面形成一层金属导电层；电 铸金属母板：翻铸工作模板或模具；模压复制或注塑成型随着微细加工技术的发展， 又有很多新兴的方法涌现出来，如d p e 技术、s o i g e l 技术和l i g a 技术等 干型光聚合物紫外成型压模( d p e ) 技术是1 9 8 7 年由杜邦公司发明的【3 1 。最近，杜邦实 验室又成功地研制出一种可用于复制高纵横比的微光学器件的干型光聚合物( s u r p 眦x t m ) ， 它在波长5 0 0 2 0 0 0 f l