第三章 微纳加工技术-微光学元件制备
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
★ 连续浮雕制作中使用的光刻胶：厚度10微米左右； 低的 对比度和宽阔的线性区；与微电子中的光刻胶不同，需要 改造（预曝光，改变硬度；改造显影工艺）。
- 不后烘或未足够的后烘可导致S U-8wk.baidu.com制微透镜的冠高 比PDMS高6-9%； - 横向尺寸变化在1%以内。
灰阶掩模技术
模拟灰阶 或半色调 屏
HEBS玻璃
M.He,X.-C.Yuan， Optics Letter, 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, Optics Letter, 2004,v29,9,1007; v29,n17, 2004
注模复制菲涅尔透镜
Mold
热压 注模
(a) (b)
难点: -表面光滑且保真度高的刻蚀转移； - 高冠高的微透镜.
4
2012-6-5
微透镜的复制
• 硅衍射微透镜母版制作
Photolithography + IBE or RIE 8-level Si microlens
• 光刻胶作为母版时
SU-8 replica Lamp power: 282W Flood exposure time: 7 min Post bake: 15min @60C - PR microlens as a master - good surface quality Array: 256 256 Pixel: 33 m 50m - Defects occurs due to bubbles
对 光强 相
1
2012-6-5
聚合物微透镜制作技术
• 石英衍射微透镜
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
• 实验装置和方法
Mask aligner provides UV sources and alignment tool
微透镜母版制作
• 光刻胶母版
光刻胶: Clariant AZ 1500
• 石英折射微透镜母版制作
主要工艺: - 光刻 - 热熔成型 - 刻蚀转移
- 简单的热熔成型方法，未 转移至衬底上； - 表面粗糙度1nm； - 产生的PDMS中间模和SU-8 复制品的表面质量均很好。
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
PMMA Lens - 材料范围受限 - 复制质量较低 - 低稳定性 1mm - 收缩率较高 - 成本相对较高
3
2012-6-5
紫外模塑（UV UV-molding）技术
• 主要工艺过程 • 材料
Silicon,silic a Silicon, silica, 反应离子刻蚀 (RIE) polymer 激光直写 微喷墨 微模制 PR Liquid polymer Polymer
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
专用设备，曝光量可调，但冠高 PR, Sol-gel 曝光量和曝光 分布 在几个微米 能量，电流， 入射角 气体组份和配 比，功率，气 压 功率，光束直 径 液滴量 压力 ,温度,曝 光剂量 专用设备,高刻蚀精度，但刻蚀速 度慢 专用设备，高刻蚀速率和选择性， 但刻蚀精度不高 专用设备， 刻蚀速率慢 打印设备, 接触角限制 批量，低成本，多样性
束能直写技术-无掩膜光刻
是一种无掩模光刻技术。高能粒子束扫描感光涂层而直接产生图 形信息。电子束理论上可聚焦到10nm ,可加工特征尺寸在1μm或更 精细的图形；激光束束斑在1 μm以下，加工几微米的图形。
6
0.2
0.0 -2 -1 0 1 2
x (m)
1.0
0.8
dx=0 m dx=0.4m dx=0.9m
0.6
•
0.4
0.2
0.0 -2 -1 0 1 2
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。
x (m)
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。
H h 2 R
H
d 2
2
• 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） 焦距 曲率半径R 60 100（F#=1） 200 120 400 240 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。 顶点高度h 27 10.9 5.5 膜厚H 14.8 5.3 2.6
a. 高宽比过小
3
b高宽比过大
h3
c 高宽比适中
4h 2 (3R h) 3d 2
透镜 F#=1～3
光刻胶热熔后的几种不同结果
2
2012-6-5
热熔Sol-Gel 玻璃制作微透镜
• 无机有机杂化SiO2-ZrO2 Sol-Gel热熔
热熔后光刻胶图形 反应离子刻蚀转移：
表面轮廓测量曲线
刻蚀选择比对微透镜形貌的影响
• PDMS 和SU-8 微透镜的形貌比较
PDMS中间模 SU-8， 未后烘 SU-8，后烘15min @60C
连续浮雕微光学器件制作技术
• 二元光学器件是对连续浮雕结构的近似，衍射 效率不高。 • 连续浮雕器件则采取一次成形技术，不仅衍射 效率高，而且省去了套刻对准过程。 • 制作方法：基于灰阶掩模的投影法和采用电子 束或激光束的束能直写法。
Canyon Materials Inc
宽范围：500灰度等级 高分辨：0.1μm/ 等级 连续光密度变化： 0.1～2
银离子交换层； 在高能束流轰击 下，交换层由透 明变成黑色；
5
2012-6-5
可采用传统桌面出版技术 制作掩模： 高精度打印输 出设设备产生半色调频， 再精缩（10倍），再空间 滤波去除高频分量即得到。
红外双面对准光刻机
高精度刻蚀技术
离子束刻蚀 SF6/O2/CHF3等离子体
离子束刻蚀
反应离子刻蚀
套刻误差的影响
菲涅耳透镜存在δ 对准误差
存在套刻误差的微透镜
1.0
0.8
强值 对光 相
0.6
dx=0m dx=0.45m dx=0.9m
0.4
• 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；
2012-6-5
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； 衍射效率：
sin c
1 N
2
第三章 微纳加工技术 - 4 微光学元件制备
• 标准微电子工艺；
二元光学设计
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
• SU-8 - a kind of negative, epoxy like, near-UV photoresist - high transparency at visible band - very low optical absorption in the visible and infrared wavelengths waveguides, lenses, mirrors, gratings, couplers, photonic crystals. • PDMS 聚二甲基硅氧脘 ) - good(mechanical properties (used as MEMS structures) - silicone elastomer, SYLGARD® 184 (Dow Corning), a crosslinked mixture of two components in ratio of 10:1, thermal cured at any time:4 hours at 65℃, or 15 minutes at 150℃. - good optical properties, low cost, biocompatibility, chemical stability - PDMS mold: easily demolded, unchange after several tens of molding Mask aligner: Karl Suss MJB 3
• 母版: silicon, glass, polymer, metal, ceramic,…. • 中间模: soft ( PDMS), hard(glass,PMMA,PC,Sol-gel…) • 复制品: UV-polymer: SU-8, BCB,PI, epoxy adhesive, …
• 现在使用的材料
Array: 1500640 Pixel: 25 m 25 m
- 工艺兼容性 - 表面的平坦性
• 制作技术
制作方法 热熔法 二元光学法 灰度等级掩模 离子束刻蚀(IBE) 材料 PR PR 控制参数 孔径，冠高 特征 常用，简单，F数受接触角限制
• 光刻热熔成型 • 干法刻蚀转移
环带半径，台 高衍射效率，填充系数，设计自 由度，但存在临界尺寸限制，套 阶深度 刻对准困难
- 不后烘或未足够的后烘可导致S U-8wk.baidu.com制微透镜的冠高 比PDMS高6-9%； - 横向尺寸变化在1%以内。
灰阶掩模技术
模拟灰阶 或半色调 屏
HEBS玻璃
M.He,X.-C.Yuan， Optics Letter, 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, Optics Letter, 2004,v29,9,1007; v29,n17, 2004
注模复制菲涅尔透镜
Mold
热压 注模
(a) (b)
难点: -表面光滑且保真度高的刻蚀转移； - 高冠高的微透镜.
4
2012-6-5
微透镜的复制
• 硅衍射微透镜母版制作
Photolithography + IBE or RIE 8-level Si microlens
• 光刻胶作为母版时
SU-8 replica Lamp power: 282W Flood exposure time: 7 min Post bake: 15min @60C - PR microlens as a master - good surface quality Array: 256 256 Pixel: 33 m 50m - Defects occurs due to bubbles
对 光强 相
1
2012-6-5
聚合物微透镜制作技术
• 石英衍射微透镜
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
• 实验装置和方法
Mask aligner provides UV sources and alignment tool
微透镜母版制作
• 光刻胶母版
光刻胶: Clariant AZ 1500
• 石英折射微透镜母版制作
主要工艺: - 光刻 - 热熔成型 - 刻蚀转移
- 简单的热熔成型方法，未 转移至衬底上； - 表面粗糙度1nm； - 产生的PDMS中间模和SU-8 复制品的表面质量均很好。
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
PMMA Lens - 材料范围受限 - 复制质量较低 - 低稳定性 1mm - 收缩率较高 - 成本相对较高
3
2012-6-5
紫外模塑（UV UV-molding）技术
• 主要工艺过程 • 材料
Silicon,silic a Silicon, silica, 反应离子刻蚀 (RIE) polymer 激光直写 微喷墨 微模制 PR Liquid polymer Polymer
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
专用设备，曝光量可调，但冠高 PR, Sol-gel 曝光量和曝光 分布 在几个微米 能量，电流， 入射角 气体组份和配 比，功率，气 压 功率，光束直 径 液滴量 压力 ,温度,曝 光剂量 专用设备,高刻蚀精度，但刻蚀速 度慢 专用设备，高刻蚀速率和选择性， 但刻蚀精度不高 专用设备， 刻蚀速率慢 打印设备, 接触角限制 批量，低成本，多样性
束能直写技术-无掩膜光刻
是一种无掩模光刻技术。高能粒子束扫描感光涂层而直接产生图 形信息。电子束理论上可聚焦到10nm ,可加工特征尺寸在1μm或更 精细的图形；激光束束斑在1 μm以下，加工几微米的图形。
6
0.2
0.0 -2 -1 0 1 2
x (m)
1.0
0.8
dx=0 m dx=0.4m dx=0.9m
0.6
•
0.4
0.2
0.0 -2 -1 0 1 2
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。
x (m)
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。
H h 2 R
H
d 2
2
• 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） 焦距 曲率半径R 60 100（F#=1） 200 120 400 240 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。 顶点高度h 27 10.9 5.5 膜厚H 14.8 5.3 2.6
a. 高宽比过小
3
b高宽比过大
h3
c 高宽比适中
4h 2 (3R h) 3d 2
透镜 F#=1～3
光刻胶热熔后的几种不同结果
2
2012-6-5
热熔Sol-Gel 玻璃制作微透镜
• 无机有机杂化SiO2-ZrO2 Sol-Gel热熔
热熔后光刻胶图形 反应离子刻蚀转移：
表面轮廓测量曲线
刻蚀选择比对微透镜形貌的影响
• PDMS 和SU-8 微透镜的形貌比较
PDMS中间模 SU-8， 未后烘 SU-8，后烘15min @60C
连续浮雕微光学器件制作技术
• 二元光学器件是对连续浮雕结构的近似，衍射 效率不高。 • 连续浮雕器件则采取一次成形技术，不仅衍射 效率高，而且省去了套刻对准过程。 • 制作方法：基于灰阶掩模的投影法和采用电子 束或激光束的束能直写法。
Canyon Materials Inc
宽范围：500灰度等级 高分辨：0.1μm/ 等级 连续光密度变化： 0.1～2
银离子交换层； 在高能束流轰击 下，交换层由透 明变成黑色；
5
2012-6-5
可采用传统桌面出版技术 制作掩模： 高精度打印输 出设设备产生半色调频， 再精缩（10倍），再空间 滤波去除高频分量即得到。
红外双面对准光刻机
高精度刻蚀技术
离子束刻蚀 SF6/O2/CHF3等离子体
离子束刻蚀
反应离子刻蚀
套刻误差的影响
菲涅耳透镜存在δ 对准误差
存在套刻误差的微透镜
1.0
0.8
强值 对光 相
0.6
dx=0m dx=0.45m dx=0.9m
0.4
• 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；
2012-6-5
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； 衍射效率：
sin c
1 N
2
第三章 微纳加工技术 - 4 微光学元件制备
• 标准微电子工艺；
二元光学设计
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
• SU-8 - a kind of negative, epoxy like, near-UV photoresist - high transparency at visible band - very low optical absorption in the visible and infrared wavelengths waveguides, lenses, mirrors, gratings, couplers, photonic crystals. • PDMS 聚二甲基硅氧脘 ) - good(mechanical properties (used as MEMS structures) - silicone elastomer, SYLGARD® 184 (Dow Corning), a crosslinked mixture of two components in ratio of 10:1, thermal cured at any time:4 hours at 65℃, or 15 minutes at 150℃. - good optical properties, low cost, biocompatibility, chemical stability - PDMS mold: easily demolded, unchange after several tens of molding Mask aligner: Karl Suss MJB 3
• 母版: silicon, glass, polymer, metal, ceramic,…. • 中间模: soft ( PDMS), hard(glass,PMMA,PC,Sol-gel…) • 复制品: UV-polymer: SU-8, BCB,PI, epoxy adhesive, …
• 现在使用的材料
Array: 1500640 Pixel: 25 m 25 m
- 工艺兼容性 - 表面的平坦性
• 制作技术
制作方法 热熔法 二元光学法 灰度等级掩模 离子束刻蚀(IBE) 材料 PR PR 控制参数 孔径，冠高 特征 常用，简单，F数受接触角限制
• 光刻热熔成型 • 干法刻蚀转移
环带半径，台 高衍射效率，填充系数，设计自 由度，但存在临界尺寸限制，套 阶深度 刻对准困难