El proceso de fabricación de microlentes
Como elemento óptico importante, el conjunto de microlentes tiene las características de tamaño pequeño, peso ligero y alta integración, lo que ha atraído mucha atención. Con el desarrollo de la industria de los semiconductores y la mejora de la fotolitografía y la tecnología de microprocesamiento, desde la década de 1980 han surgido una serie de nuevas tecnologías de fabricación de conjuntos de microlentes. Dado que los dispositivos de conjunto de lentes se dividen en conjuntos de microlentes refractivas y conjuntos de microlentes difractivas, se han desarrollado diferentes métodos en sus procesos de fabricación.
3.1 Método de fabricación de microlentes refractivas
Dado que los dispositivos de matriz de microlentes refractivas se utilizan ampliamente en la captación de luz, colimación, visualización de matrices de área grande, mejora de la eficiencia óptica, computación óptica, interconexión óptica y microlentes. -El escaneo y otros aspectos se utilizan cada vez más, y sus procesos y métodos de fabricación se han estudiado cada vez más. Hasta ahora, ha habido muchos métodos para preparar matrices de microlentes refractivas, incluido el método de reflujo térmico fotorresistente, el método de escritura directa con láser, el método de impresión por microchorro, el método sol-gel, el método de grabado con iones reactivos, el método de máscara en escala de grises, el método de moldeo por prensado en caliente y el vidrio fotosensible. método de termoformado, etc. A continuación se presentan principalmente varios métodos convencionales de fabricación de conjuntos de microlentes.
(1) Tecnología de reflujo térmico fotorresistente
El método de reflujo térmico fotorresistente (método del fotorresistente fundido) fue propuesto por Poporie en 1988. El proceso completo se puede dividir en tres pasos, consulte la imagen a continuación: 1. Exponga el fotoprotector sobre el sustrato debajo de la cubierta de la máscara. El patrón de exposición es circular, rectangular o hexagonal regular. 2. Revele y limpie el material residual expuesto. derretirlo con calor. Dado que este método tiene las ventajas de un proceso simple, bajos requisitos de materiales y equipos, parámetros de proceso estables y fáciles de controlar y fácil replicación, se usa ampliamente en la producción de conjuntos de microlentes.
Sin embargo, la matriz de microlentes producida con esta tecnología también tiene muchas desventajas: 1. Dado que el fotorresistente moja el material del sustrato, la adhesión entre el fotorresistente y el sustrato es segura cuando está en estado fundido. luego, cuando finalmente se forma el fotorresistente fundido, hay un ángulo de humectación entre el perfil esférico de la microlente y el sustrato, de modo que el borde de la microlente tiene una cierta curvatura y la parte media se hunde 2. Generalmente, el factor de llenado de; la matriz de microlentes no excederá el 80% y el fotorresistente es fácil de adherir después de derretirse. Una vez que el fotorresistente fundido adyacente entra en contacto, no formará la forma de la superficie de la lente. Dado que el factor de llenado no es alto, la luz incidente no se puede utilizar completamente y se producirá ruido de fondo. 3. Dado que el fotorresistente en sí tiene propiedades mecánicas y químicas deficientes y propiedades ópticas bajas, no es adecuado para su uso como microlente o microlente final; Otros materiales microestructurados.
(2) Tecnología de escritura directa por láser
En la actualidad, debido a que el método de escritura directa por láser es fácil de operar y tiene las ventajas del tamaño pequeño y la alta precisión de los componentes microópticos. Producido, se utiliza en microfino. Es ampliamente utilizado en campos de investigación y procesamiento. La tecnología de escritura directa por láser utiliza un rayo láser con intensidad variable para exponer el fotorresistente recubierto en la superficie del sustrato con dosis variables y luego forma el perfil de relieve requerido en la superficie del fotorresistente después del revelado. La mayor ventaja de la escritura directa por láser es que los dispositivos ópticos binarios con múltiples órdenes de fase o fases continuas se pueden escribir al mismo tiempo después de colocar el dispositivo, evitando así la pérdida de precisión absoluta del eje causada por múltiples superposiciones de máscaras. El proceso de fabricación de matrices de microlentes mediante escritura directa por láser se puede dividir en tres pasos:
Utilizar CAD para diseñar la estructura de exposición de la matriz de microlentes y transferirla al sistema del equipo de escritura directa por láser; Se coloca el sustrato en la plataforma de escritura directa y se escribe con láser el fotorresistente; se revela el fotorresistente expuesto y se limpia el material residual, y finalmente se obtiene una estructura de matriz de microlentes uniforme y ordenada. El método de escritura directa por láser es adecuado para la producción de modelos y piezas individuales de alta precisión. Después de utilizar la escritura directa por láser para producir el prototipo de la matriz de microlentes, se utiliza tecnología de electroformado en el proceso de moldeo para convertir las microlentes en modelos metálicos para la producción en masa. Debido a que el proceso de replicación por electroformado garantiza la forma del producto final, permite la producción a gran escala de conjuntos de microlentes. Utilizando estas tecnologías avanzadas, se producen repetidamente estructuras de microunidades para producir componentes de matriz de microlentes de alta calidad y bajo costo.
3.2 Método para fabricar microlentes difractivas
Las microlentes difractivas tienen las funciones de condensar la energía luminosa, corregir aberraciones e imágenes, y son de tamaño pequeño, livianas, altamente integradas y fáciles de usar. copiar Es ampliamente utilizado en fotodetectores de infrarrojos, reconocimiento y procesamiento de imágenes, comunicaciones ópticas, medicina láser, óptica espacial y muchos otros campos. Sus principales métodos de producción incluyen tecnología óptica binaria, tecnología de escritura directa por haz de electrones y tecnología de máscara en escala de grises.
(1) Tecnología óptica binaria
A mediados de los años 80, un grupo de investigación dirigido por Veldkamp del Laboratorio Lincoln del MIT en Estados Unidos estaba diseñando un nuevo sistema de detección. Fue el primero en proponer el concepto de "óptica binaria". Es diferente del método de producción tradicional y utiliza el método de producción de circuitos integrados. La máscara está en capas en forma de codificación binaria. Posteriormente, la óptica binaria se convirtió rápidamente en tecnología -I'-J, que fue favorecida por la academia y la industria. La tecnología de óptica binaria es muy adecuada para la producción de matrices de microlentes difractivas, en las que los límites de las microlentes se pueden hacer fácilmente claros y nítidos. , el factor de llenado de la matriz de microlentes puede alcanzar el 100% y tiene las ventajas de peso ligero, bajo costo, fácil miniaturización y disposición. La óptica binaria adopta codificación binaria cuantificada en fase y la secuencia de producción se forma en N pasos del proceso. El orden aumenta de N+I a 2N, como se muestra en la Figura 1.2, lo que reduce en gran medida el número de iteraciones de los pasos del proceso y reduce los costos de procesamiento necesarios para fabricar elementos ópticos difractivos de alta eficiencia de difracción. El proceso de producción se basa en tecnología microelectrónica madura y. es adecuado para la producción en masa.
Cuando aumenta el número de pasos de fase, el elemento óptico binario también puede tener una alta eficiencia de difracción como el elemento de relieve continuo cuando el número de pasos es 2, 4, 8 y. 16, las eficiencias de difracción teóricas son 41%, 81%, 95% y 99% respectivamente. A medida que aumenta el número de pasos, la eficiencia de difracción aumenta y la dificultad de producción también aumenta. Para garantizar una alta eficiencia de difracción y precisión de fabricación, se requieren múltiples procesos de fotolitografía y grabado para producir microlentes de difracción por pasos de múltiples fases. Existe una relación entre el número de nivel de fase L del elemento óptico y el número de máscara requerido N: L = 2IV. , la producción real de microlentes de 8 y 16 fases requiere tres y cuatro máscaras respectivamente. Generalmente, se utilizan tres máscaras para fabricar una matriz de microlentes difractivas de ocho fases (u ocho pasos) mediante tres técnicas de fotolitografía y tres de grabado. Básicamente, puede cumplir con los requisitos. El proceso de fabricación de la matriz de microlentes incluye principalmente el diseño y la producción de la máscara. Utilice tecnología de fotolitografía para transferir el patrón de máscara diseñado al fotorresistente y utilice tecnología de grabado seco o húmedo para transferir el fotorresistente. patrón a la superficie del sustrato con alta fidelidad para formar la estructura en relieve requerida.
(2) Tecnología de escritura directa por haz de electrones
Para evitar el problema de acumulación de errores causado por múltiples superposiciones, la gente ha desarrollado una variedad de tecnologías de procesamiento de conformado de una sola vez, como el método de torneado con diamante, el método de escritura directa con láser, el método de deposición química, etc. El método de escritura directa es un método más práctico, que se divide en tres tipos: directo por haz de electrones. Escritura, escritura directa por haz de iones y escritura directa por haz de láser. El uso de la tecnología de escritura directa electrónica para producir dispositivos microópticos comenzó a principios de la década de 1990, el principio de la escritura directa por haz de electrones era diferente del de la escritura directa por haz de láser. Antes de la escritura directa, se debe recubrir previamente el sustrato con una película conductora (como Au, In, O, etc.) para permitir que el haz de electrones se escape durante la exposición. La resolución de la escritura directa es muy alta. de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de California, Los Ángeles, utiliza tecnología de escritura directa por haz de electrones para producir microlentes con un diámetro de 45 um, y su tamaño crítico es de solo 60 nm. La escritura directa por haz de electrones se utiliza para producir microlentes con estructuras por debajo de la longitud de onda. Método importante.
(3) Tecnología de máscara en escala de grises
La tecnología de máscara en escala de grises utiliza una máscara en escala de grises para lograr elementos ópticos de difracción de varios pasos o cambios de fase continuos a través de una fotolitografía. Luego se graba (o se deposita una película delgada) para transferir el patrón al sustrato con alta fidelidad, como se muestra en la siguiente figura. Esta tecnología simplifica múltiples fotolitografías y transferencias de patrones en una sola terminación, sin problemas como errores de alineación en la superposición. Es adecuada para la producción en masa, acorta el ciclo de producción y reduce los costos. La clave de la tecnología de máscaras en escala de grises es la producción de máscaras en escala de grises. Dos de los métodos más utilizados son las retículas codificadas por colores y las retículas de vidrio sensibles al haz de electrones de alta energía. El primero utiliza diferentes colores para representar diferentes niveles de gris. Un color representa un nivel de gris. La distribución del relieve de la superficie de cuatro fases está representada por cuatro colores. Los gráficos en escala de grises se imprimen en la película transparente con una impresora en color de alta resolución y luego la película en color se transfiere a la película transparente en blanco y negro mediante contracción. Esto forma una máscara con diferentes niveles de escala de grises, que se pueden obtener a través de uno. Exposición de la estructura de distribución de la superficie en relieve de pasos multifásicos. La resolución de esta máscara es baja y el haz de perfil de fase del dispositivo está directamente limitado por el nivel de color de la impresora.
La máscara de vidrio sensible al haz de electrones de alta energía (HEBS) utiliza su diferente sensibilidad a haces de electrones de diferentes energías para formar una verdadera máscara en escala de grises con un cambio escalonado o un cambio continuo en la transmitancia. Este tipo de máscara tiene alta resolución, hasta 500 niveles de gris, y el proceso de producción de la máscara es simple y de bajo costo. Los componentes fabricados con máscaras de grado de soporte HEBS tienen ventajas como alta resolución y eficiencia de difracción que no pueden ser igualadas por otros métodos. A medida que aumenta el nivel de soporte. La distribución del relieve es aproximadamente continua, pero la producción de la máscara de soporte será muy difícil a medida que aumente su escala de grises, y el coste de producción también aumentará significativamente.
Los diversos métodos de fabricación de conjuntos de microlentes mencionados anteriormente son más adecuados para fabricar pequeños lotes de conjuntos de microlentes. Sin embargo, si se requiere la producción en masa de conjuntos de microlentes, el método anterior es inconveniente y costoso, el proceso de producción general es complejo y es difícil garantizar la uniformidad del producto. Por lo tanto, el desarrollo de tecnología de replicación se ha convertido en la clave para reducir el costo de los dispositivos microópticos y promover las aplicaciones J1. Generalmente, crear microestructuras en la superficie del fotorresistente tiene las siguientes desventajas:
1. La superficie del material fotorresistente es relativamente rugosa, lo que puede provocar fácilmente radiación difusa y reducir el rendimiento óptico del dispositivo.
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2. , La superficie del material fotorresistente tiene baja resistencia mecánica, es susceptible al desgaste y no es adecuada para entornos hostiles.