專利名稱：深浮雕連續(xù)非球面微透鏡高保真?zhèn)鬟f方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種深浮雕連續(xù)非球面微透鏡高保真?zhèn)鬟f方法，屬于微光學(xué)元件制作領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微光學(xué)元件易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的輕量化、小型化、集成化，廣泛應(yīng)用在航空航天、光互連、光通訊、半導(dǎo)體激光器整形等各個領(lǐng)域。但是，由于加工技術(shù)的瓶頸，使得微光學(xué)元件的制作效率低、成本高，限制了微光學(xué)元件大量應(yīng)用到這些領(lǐng)域中。特別是矢高在幾十到上百微米的范圍內(nèi)，通過傳統(tǒng)光學(xué)加工或金剛刀切削無法實(shí)現(xiàn)非球面面形微光學(xué)元件，這類微光學(xué)元件大量需求的背景之一，就是用在大功率半導(dǎo)體激光器整形，如何有效實(shí)現(xiàn)這類微光學(xué)元件的制作，是大量應(yīng)用的關(guān)鍵。
通過光刻工藝在光刻膠上可以實(shí)現(xiàn)各種面形的微光學(xué)元件，但如何根據(jù)設(shè)計(jì)要求，把光刻膠面形按一定的比例高保真?zhèn)鬟f到光學(xué)材料上，是微光學(xué)元件走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵?，F(xiàn)階段主要傳遞技術(shù)手段有濕法刻蝕(wet etching)、反應(yīng)離子刻蝕(Reactive Ion Etching-RIE)、電感耦合等離子體刻蝕(InductivelyCoupIed Plasmas-ICP)。濕法刻蝕速率快，表面光潔度好，但面形得不到精確控制；RIE可以精確控制面形，但刻蝕速率極慢、表面光潔度較差；ICP在保證好的表面光潔度同時，可在較高刻蝕速率下，使光刻膠與基底材料按一定選擇比進(jìn)行面形傳遞，實(shí)現(xiàn)大浮雕深度微光學(xué)元件的高保真?zhèn)鬟f，但目前該方法進(jìn)行大浮雕深度微光學(xué)元件的制作還有一定的困難，面形保真度不高，且不能形成高效、批量的微光學(xué)元件。因此目前在石英上制作大浮雕深度微光學(xué)元件一般還都是通過RIE進(jìn)行多次刻蝕傳遞，但RIE方法的最高深度也就在50μm左右，研制周期長、面形精度控制難、表面損傷度高，成品率較低，同樣適應(yīng)不了大批量生產(chǎn)的需求。反映在傳遞過程中要解決的主要問題是提高刻蝕速率、刻蝕表面的抗損傷閾值和光刻膠與石英基底的選擇比。如何盡快對不同基底材料，對眾多工藝參數(shù)取得一個刻蝕傳遞的優(yōu)化組合是一個關(guān)鍵問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有加工技術(shù)的不足，采用電感耦合等離子體ICP刻蝕技術(shù)的深浮雕連續(xù)非球面微透鏡高保真?zhèn)鬟f方法，采用該方法面形保真度高，可形成高效，且可批量生產(chǎn)的微光學(xué)元件。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是深浮雕連續(xù)非球面微透鏡高保真?zhèn)鬟f方法，采用ICP刻蝕方法，其特點(diǎn)在于包括下列步驟(1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提取出刻蝕各工藝參數(shù)對刻蝕結(jié)果的影響規(guī)律，建立起工藝參數(shù)影響刻蝕結(jié)果的數(shù)據(jù)庫；(2)根據(jù)該數(shù)據(jù)庫建立大浮雕深度微光學(xué)元件高保真?zhèn)鬟f技術(shù)的工藝模型；(3)根據(jù)該工藝模型提出ICP刻蝕各個工藝參數(shù)對刻蝕結(jié)果的影響關(guān)系。
所述的步驟(1)中通過大量實(shí)驗(yàn)建立起的工藝參數(shù)庫，是利于工藝優(yōu)化參數(shù)的提取，數(shù)據(jù)庫的建立過程如下在編制的軟件中自定義一個記錄一次工藝實(shí)驗(yàn)參數(shù)的數(shù)據(jù)類型，該數(shù)據(jù)類型包含的錄入信息有刻蝕的材料、選用的光刻膠、刻蝕氣體及其組分、射頻功率、ICP功率、腔壓、基片溫度、腔體溫度，以及在以上參數(shù)條件下的刻蝕結(jié)果刻蝕時間、刻蝕深度、選擇比和表面粗糙度。記錄時，在該軟件中按相應(yīng)項(xiàng)錄入各個工藝參數(shù)和該參數(shù)下的刻蝕結(jié)果，并按一定格式保存在一個文本文件中，這個文本文件隨著錄入的增加而成為工藝參數(shù)庫，它既可以直接打開進(jìn)行修改和數(shù)據(jù)分析，也可以通過EXCEL調(diào)入進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
所述的步驟(2)建立工藝模型的具體步驟如下(1)根據(jù)所建參數(shù)庫，初步確立新材料刻蝕一定深度、一定面形時所要選用的光刻膠和刻蝕速率、選擇比和表面粗糙度，提取出各初始優(yōu)化工藝參數(shù)；(2)采用該初始優(yōu)化工藝參數(shù)進(jìn)行微透鏡的ICP傳遞刻蝕，并將該傳遞過程參數(shù)保存入?yún)?shù)庫中；(3)對刻蝕結(jié)果進(jìn)行檢測、分析，如果刻蝕速率、選擇比和表面粗糙度達(dá)到傳遞要求，該工藝參數(shù)組合就是上述條件的最優(yōu)組合；(4)如果達(dá)不到刻蝕速率、選擇比、表面粗糙度的要求，根據(jù)工藝參數(shù)影響關(guān)系曲線對初始工藝參數(shù)作調(diào)節(jié)，直到達(dá)到要求的最優(yōu)化傳遞工藝，每一次調(diào)節(jié)參數(shù)都保存入?yún)?shù)庫中；(5)用最優(yōu)化工藝參數(shù)組合進(jìn)行微透鏡的ICP傳遞，該優(yōu)化工藝將作為下一次工藝流程的初始工藝參數(shù)。
在分析各工藝參數(shù)對刻蝕結(jié)果的影響關(guān)系時，可以在該軟件中保持其它參數(shù)不變，考察某一參數(shù)改變后，通過“參數(shù)選取”命令得出刻蝕速率、選擇比、表面粗糙度的變化規(guī)律，隨著數(shù)據(jù)庫的增容，該規(guī)律就越準(zhǔn)確。這樣通過對數(shù)據(jù)的分析比較，發(fā)掘出各刻蝕工藝參數(shù)對刻蝕速率、選擇比、表面粗糙度的影響規(guī)律，作為進(jìn)一步優(yōu)化的指導(dǎo)方向。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點(diǎn)是(1)隨著傳遞工藝次數(shù)的增加，參數(shù)庫愈加豐富，可以很快找到一定基底材料、大浮雕深度微透鏡的最優(yōu)化ICP傳遞工藝參數(shù)；(2)參數(shù)庫有利于擴(kuò)大微透鏡基底材料選取的自由度，降低成本，提高制作效率；(3)建立的工藝模型可以實(shí)現(xiàn)微光學(xué)元件的高效、批量制作，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)技術(shù)不能加工深浮雕非球面微透鏡的空白；(4)浮雕深度的控制范圍覆蓋納米到上百微米范圍，并可以傳遞任意面形的微光學(xué)元件；(5)較RIE傳遞效率更高，成品率高，參數(shù)調(diào)節(jié)靈活；(6)工藝模型對任意基底材料的刻蝕傳遞普遍適用。


圖1為本發(fā)明中ICP高保真?zhèn)鬟f光刻膠圖形到基底材料上的原理示意圖；圖2為本發(fā)明中ICP從參數(shù)庫中提取初始參數(shù)的軟件界面示意圖；圖3為本發(fā)明工藝模型中刻蝕速率與工藝參數(shù)的關(guān)系曲線圖；圖4為本發(fā)明工藝模型中選擇比與工藝參數(shù)的關(guān)系曲線圖；
圖5為本發(fā)明工藝模型中表面抗損傷閾值與工藝參數(shù)的關(guān)系曲線圖；圖6為本發(fā)明工藝模型流程圖；圖7為通過工藝模型優(yōu)化前后石英材料刻蝕表面光潔度的掃描電鏡比較圖，其中圖7(a)為工藝優(yōu)化前的情況，圖7(b)為工藝優(yōu)化后的情況；圖8為通過本發(fā)明工藝模型制作的大功率半導(dǎo)體激光器整形用石英微透鏡掃描電鏡圖；圖9為本發(fā)明的實(shí)施例中深度為72μm整形微透鏡表面輪廓示意圖；圖10為圖9中整形微透鏡設(shè)計(jì)的理想雙曲線面形和實(shí)際元件面形的擬合曲線圖。
具體實(shí)施例方式
(1)數(shù)據(jù)庫和刻蝕工藝參數(shù)與刻蝕結(jié)果的建立如圖1所示，對幾種常用微光學(xué)元件的基底材料(如石英、鍺、硅等)進(jìn)行刻蝕傳遞特性研究，建立每種材料在不同刻蝕參數(shù)下刻蝕結(jié)果的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫錄入信息有刻蝕的材料、選用的光刻膠、刻蝕氣體及其組分、射頻功率、ICP功率、腔壓、基片溫度、腔體溫度，以及在以上參數(shù)條件下的刻蝕結(jié)果刻蝕時間、刻蝕深度、選擇比和表面粗糙度。根據(jù)該數(shù)據(jù)庫，在其它工藝參數(shù)不變的情況下，考察其中一個工藝參數(shù)變化時的刻蝕結(jié)果，分析提取各個刻蝕參數(shù)與刻蝕結(jié)果的影響規(guī)律，作為達(dá)到刻蝕目標(biāo)的最優(yōu)化指導(dǎo)方向。附圖2是該數(shù)據(jù)庫調(diào)用分析軟件，附圖3是各刻蝕工藝參數(shù)與刻蝕速率的規(guī)律曲線，附圖4是各刻蝕工藝參數(shù)與刻蝕選擇比的規(guī)律曲線、附圖5是各刻蝕工藝參數(shù)與刻蝕粗糙度的規(guī)律曲線。
以下發(fā)明實(shí)施例是制作大功率半導(dǎo)體激光器整形用雙曲面形柱透鏡，其孔徑為300μm，透鏡矢高72μm，焦距260μm。
(2)根據(jù)元件的刻蝕材料、深度和面形要求，確定刻蝕速率和選擇比根據(jù)實(shí)施例制作的微透鏡參數(shù)，采用石英作為基底材料，由于透鏡口徑較大、浮雕深度較深，選用厚膠系列的光刻膠(如9260光刻膠)作為刻蝕抗蝕劑，預(yù)先確定較快的刻蝕速率(220nm/min左右)、選擇比2∶1、粗糙度較低的刻蝕目標(biāo)要求；(3)確定刻蝕工藝參數(shù)根據(jù)刻蝕目標(biāo)要求確定刻蝕工藝參數(shù)按上述要求將刻蝕材料、刻蝕速率、選擇比、粗糙度按圖2所示的軟件界面填入相應(yīng)的項(xiàng)，用“選取參數(shù)”命令從數(shù)據(jù)庫中提取出最適合上述刻蝕結(jié)果要求的工藝參數(shù)，并顯示在軟件的相應(yīng)項(xiàng)中；(4)微光學(xué)元件的ICP刻蝕按步驟(2)從數(shù)據(jù)庫中選擇出能夠?qū)崿F(xiàn)刻蝕目標(biāo)的工藝參數(shù)氣體組分CHF3與Ar分別為40sccm和25sccm，腔壓為20mT，射頻功率為180W，ICP功率為1500W，腔體溫度為40℃，基片溫度為-50℃，以該工藝參數(shù)對9260光刻膠圖形進(jìn)行ICP刻蝕；(5)測量結(jié)果并分析修正參數(shù)制作柱透鏡列陣對刻蝕完畢的微光學(xué)元件進(jìn)行測量，確定出該次刻蝕的刻蝕速率、選擇比、表面粗糙度情況是否符合刻蝕要求，如果達(dá)到刻蝕要求，則元件刻蝕制作完成；本實(shí)施例中在步驟(4)參數(shù)條件下，刻蝕速率和選擇比都滿足要求，但刻蝕表面粗糙，沒有達(dá)到光學(xué)元件的表面光潔度要求，如圖7(a)所示。則根據(jù)圖5中各個刻蝕參數(shù)對刻蝕粗糙度的影響規(guī)律，參照圖3、圖4規(guī)律保持刻蝕速率和選擇比不變的前提下，確定需要調(diào)整的工藝參數(shù)是射頻功率和基片溫度，采取的辦法是適當(dāng)降低射頻功率到160W，同時降低基片溫度到-60℃，用調(diào)整后的刻蝕參數(shù)再次進(jìn)行ICP刻蝕，修改后的刻蝕工藝條件參數(shù)和結(jié)果通過圖2中“保存新參數(shù)”命令錄入數(shù)據(jù)庫中，以備下次選取調(diào)用；重復(fù)這個過程，直到達(dá)到要求的刻蝕條件，該刻蝕條件即為刻蝕該微光學(xué)元件的最優(yōu)條件，該條件錄入該數(shù)據(jù)庫中；圖7(b)是優(yōu)化工藝參數(shù)后，刻蝕表面的改善情況，所采用的工藝參數(shù)為氣體組分CHF3與Ar分別是40sccm和25sccm，腔壓為20mT，射頻功率為150W，ICP功率為1500W，腔體溫度為40℃，基片溫度為-60℃。
同樣的，如果其它刻蝕結(jié)果沒有達(dá)到目標(biāo)刻蝕要求，參照這三個規(guī)律圖示，綜合考慮并調(diào)節(jié)相應(yīng)工藝參數(shù)。
(6)刻蝕結(jié)果采用找到的最優(yōu)刻蝕工藝條件進(jìn)行ICP深刻蝕，研制出孔徑為300μm，透鏡矢高72。84μm，焦距260μm半導(dǎo)體整形用微光學(xué)元件。圖8是掃描電鏡圖，表面光潔；圖9是通過臺階儀測量的該微光學(xué)元件的表面輪廓圖和深度圖，圖10是該整形微透鏡設(shè)計(jì)的理想雙曲線面形和實(shí)際元件面形的擬合曲線，非常吻合。
權(quán)利要求
1.深浮雕連續(xù)非球面微透鏡高保真?zhèn)鬟f方法，采用電感耦合等離子體ICP刻蝕方法，其特征在于(1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提取出刻蝕各工藝參數(shù)對刻蝕結(jié)果的影響規(guī)律，建立起工藝參數(shù)影響刻蝕結(jié)果的數(shù)據(jù)庫；(2)根據(jù)該數(shù)據(jù)庫建立大浮雕深度微光學(xué)元件高保真?zhèn)鬟f技術(shù)的工藝模型；(3)根據(jù)該工藝模型提出ICP刻蝕各個工藝參數(shù)對刻蝕結(jié)果的影響關(guān)系。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深浮雕連續(xù)非球面微透鏡高保真?zhèn)鬟f方法，其特征在于所述的步驟(1)中建立工藝參數(shù)影響刻蝕結(jié)果的數(shù)據(jù)庫是在編制的軟件中自定義一個記錄工藝實(shí)驗(yàn)參數(shù)的數(shù)據(jù)類型，該數(shù)據(jù)類型包含的錄入信息有刻蝕的材料、選用的光刻膠、刻蝕氣體及其組分、射頻功率、ICP功率、腔壓、基片溫度、腔體溫度，以及在以上參數(shù)條件下的刻蝕結(jié)果包括刻蝕時間、刻蝕深度、選擇比和表面粗糙度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深浮雕連續(xù)非球面微透鏡高保真?zhèn)鬟f方法，其特征在于所述的步驟(2)中建立大浮雕深度微光學(xué)元件高保真?zhèn)鬟f技術(shù)的工藝模型的具體步驟如下(1)根據(jù)所建參數(shù)庫，初步確立新材料刻蝕一定深度、一定面形時所要選用的光刻膠和刻蝕速率、選擇比和表面粗糙度，提取出各初始優(yōu)化工藝參數(shù)；(2)用該初始優(yōu)化工藝參數(shù)進(jìn)行微透鏡的ICP傳遞刻蝕，并將該傳遞過程參數(shù)保存入?yún)?shù)庫中；(3)對刻蝕結(jié)果進(jìn)行檢測、分析，如果刻蝕速率、選擇比和表面粗糙度達(dá)到傳遞要求，該工藝參數(shù)組合就是上述條件的最優(yōu)組合；(4)如果達(dá)不到刻蝕速率、選擇比、表面粗糙度的要求，根據(jù)工藝參數(shù)影響關(guān)系曲線對初始工藝參數(shù)作調(diào)節(jié)，直到達(dá)到要求的最優(yōu)化傳遞工藝，每一次調(diào)節(jié)參數(shù)都保存入?yún)?shù)庫中；(5)用最優(yōu)化工藝參數(shù)組合進(jìn)行微透鏡的ICP傳遞，該優(yōu)化工藝將作為下一次工藝流程的初始工藝參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深浮雕連續(xù)非球面微透鏡高保真?zhèn)鬟f方法，其特征在于步驟(3)中根據(jù)該工藝模型提出ICP刻蝕各個工藝參數(shù)對刻蝕結(jié)果的影響關(guān)系是分析各工藝參數(shù)對刻蝕結(jié)果的影響關(guān)系，在該軟件中保持其它參數(shù)不變，考察某一參數(shù)改變后，通過“參數(shù)選取”命令得出刻蝕速率、選擇比、表面粗糙度的變化規(guī)律。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種深浮雕連續(xù)非球面微透鏡的高保真?zhèn)鬟f方法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提取出刻蝕各工藝參數(shù)對刻蝕結(jié)果的影響規(guī)律，建立起工藝參數(shù)影響刻蝕結(jié)果的數(shù)據(jù)庫，然后根據(jù)該數(shù)據(jù)庫建立大浮雕深度微光學(xué)元件高保真?zhèn)鬟f技術(shù)的工藝模型，最后通過該工藝模型提出ICP刻蝕各個工藝參數(shù)對刻蝕結(jié)果的影響關(guān)系，本發(fā)明解決了傳統(tǒng)加工技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的深浮雕非球面微透鏡制作問題，微光學(xué)元件面形保真度高。根據(jù)該工藝模型，可以有效提高制作深浮雕微光學(xué)元件的效率，降低了生產(chǎn)成本，并用于小批量生產(chǎn)微光學(xué)元件。
文檔編號G02B3/08GK1553224SQ0312357
公開日2004年12月8日 申請日期2003年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月29日
發(fā)明者邱傳凱, 杜春雷 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所