一种基于数字微透镜器件的多聚焦透镜阵列制作方法

技术领域

本发明涉及光刻技术领域，尤其涉及一种基于数字微透镜器件的多聚焦透镜阵列制作方法。

背景技术

近年来，基于数字微透镜器件(Digital Micro-Mirror Device，DMD)阵列的光学系统由于其具有体积小、变换方式灵活、重量轻、视场大等多种优点，在光电子、医疗、数字显示、3D打印以及三维成像系统等领域得到了广泛应用。在三维显示的集成成像系统中，具有不同焦距的微透镜阵列可以在不同的物距下极大地提高视场的景深，获得清晰的图像。

目前，制造微透镜阵列的方法主要有三维电子束光刻、纳米球光刻、超精密加工技术、飞秒激光诱导双光子聚合技术、滴液法、喷墨印刷技术、热回流法和灰阶掩模光刻等；上述方法存在操作工艺复杂、制作效率低、成本高等问题；在采用物理掩膜光刻过程中，还存在掩膜图案易磨损和掩膜对准误差问题，导致微透镜阵列产生制作误差，影响三维成像效果；在采用二值掩模光刻过程中，还会因多次曝光而造成累计误差，影响微透镜阵列的制作质量。

发明内容

本发明的目的之一至少在于，针对如何克服上述现有技术存在的问题，提供一种基于数字微透镜器件的多聚焦透镜阵列制作方法，根据灰度值与光刻胶曝光深度的关系，计算设计的多聚焦透镜阵列中每个微透镜的像素点高度对应的灰度值，形成多聚焦透镜阵列的灰度图，并将其写入到DMD中，形成灰度编码数字掩膜，能够避免产生掩膜对准误差以及在光刻过程中多次曝光而产生的累计误差，提高多聚焦微透镜阵列的制作质量，提高制作效率，降低生产成本。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下各方面。

一种基于数字微透镜器件的多聚焦透镜阵列制作方法，包括以下步骤：

步骤一：准备制作多聚焦透镜阵列的灰度图，并将灰度图写入到DMD中；

步骤二：根据写入到DMD中的多聚焦透镜阵列灰度图，对硅片曝光，将多聚焦透镜阵列写入到硅片上，并且将曝光后的光刻胶显影；

步骤三：将写入到硅片上的微透镜阵列烘烤定型；

步骤四：采用PDMS膜在硅片上倒模；

步骤五：将倒模后的多聚焦透镜阵列烘烤成型。

优选地，步骤一中：先选定固定的曝光时间与曝光强度，绘制工艺曲线；再通过绘制的工艺曲线分析图案灰度与光刻胶曝光深度的关系，根据分析结果计算设计的多聚焦透镜阵列结构上每个像素的高度，并将其转化为灰度信息，进而得到多聚焦透镜阵列的灰度图。

优选地，绘制工艺曲线过程包括：

a：控制工艺参数；所述工艺参数包括：曝光当量、曝光时间、曝光所用硅片尺寸、光刻胶种类、显影液、甩胶机器的低转数和高转数、甩胶机器分别在低转数和高转数下的运行时间、烘烤时间以及烘烤温度；

b：寻找焦面；寻找焦面过程分为粗调焦、中调焦和精调焦三个环节；

c：拟合工业曲线；确定焦面位置后，对不同的灰度值进行曝光，采用台阶仪测量经过曝光后的光刻胶曝光深度，并根据曝光深度拟合出工艺曲线；根据拟合的工艺曲线得出灰度值与曝光深度的关系。

进一步地，所述粗调焦包括：先调出一个需要曝光的图形，将其灰度值写入DMD中，采用光刻系统进行曝光，并采用紫外强度计和电感仪初步寻找光刻系统的焦面；将紫外强度计和电感仪的探头放在载物台上，手动旋转载物台，通过紫外强度计的数据变换结果确定电感仪的读数范围，得到载物台高度方向的位移；选取读数范围内的多个位移值作为测量位置，并将其作为第一组数据，在选取的每个测量位置处将载物台沿x或y方向移动，对硅片多次曝光，将每个测量位置的曝光图形显影后，采用电子显微镜观测曝光图形的清晰度，得到曝光图形较为清晰的测量位置范围；

所述中调焦包括：在粗调焦得到的光刻图形较为清晰的测量位置范围内，选取多个测量位置作为第二组数据，在第二组数据中的每个测量位置处曝光并显影，采用电子显微镜观测曝光图形的清晰度，得到曝光图形较为清晰的测量位置范围；

所述精调焦包括：以中调焦得到的曝光图形较为清晰的测量位置范围为基础，更换曝光图形，选取多个测量位置作为第三组数据，在第三组数据中的每个测量位置处曝光并显影，采用电子显微镜观测曝光图形的清晰度，得到曝光图形较为清晰的测量位置范围，在测量位置范围内选择一个测量位置作为焦面位置。

优选地，根据设计的多聚焦透镜阵列结构，结合灰度值与光刻胶的曝光深度，通过软件模拟得出的灰度图，并将其写入到DMD中，得到灰度编码数字掩膜。

优选地，设计的多聚焦透镜阵列结构包括5个弦长不同、矢高相同的球体，5个球体呈梅花形排布。

优选地，所述步骤二中，对多聚焦透镜阵列同时曝光，或者在单个微透镜曝光完成后，依次对其余微透镜曝光，直至所有微透镜曝光完成。

优选地，在对多聚焦透镜阵列同时曝光过程中，根据写入到DMD中的灰度图，一次性控制DMD中对应位置微透镜的旋转角度，对所有微透镜一次性曝光；或者多次控制DMD中对应位置微透镜的旋转角度，多次对光刻胶曝光，每曝光一次，光刻胶下降一定的深度，从而在光刻胶中形成多聚焦透镜阵列的轮廓。

优选地，在依次对微透镜曝光过程中，在其中一个微透镜一次性曝光完成后，微移载物台，依次对其余微透镜一次性曝光，直至所有微透镜曝光完成；或者在其中一个微透镜多次曝光完成后，微移载物台，依次对其余微透镜多次曝光，直至所有微透镜曝光完成。

优选地，进一步步骤六：对制作的多聚焦透镜阵列进行光学分析，判断其是否合格；其中，先采用台阶仪扫描制作的多聚焦透镜阵列轮廓，判断其轮廓是否合格，再采用制作的多聚焦透镜阵列搭建光学检测系统，检测多聚焦透镜阵列的成像效果。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：

根据灰度值与光刻胶曝光深度的关系，计算设计的多聚焦透镜阵列中每个微透镜的像素点高度对应的灰度值，形成多聚焦透镜阵列的灰度图，并将其写入到DMD中，形成灰度编码数字掩膜，能够避免使用物理掩膜多次对准的对准误差，还能够避免二值掩膜因多次曝光造成的累计积累误差，提高多聚焦透镜阵列的制作质量、制作效率。

通过绘制工艺曲线，根据绘制的工艺曲线得到灰度值与光刻胶曝光深度的关系，结合工艺曲线逐点修正设计的多聚焦透镜阵列中的球体，能够提高多聚焦透镜阵列的制作质量。

在制作过程中，可根据制作要求，调整灰度编码数字掩膜的灰度值，制作过程灵活；并且只用移动载物台，就可制作多个多聚焦透镜阵列，进一步提高了制作效率。

附图说明

图1是本发明示例性实施例的多聚焦透镜阵列的光刻系统示意图。

图2是本发明示例性实施例的多聚焦透镜阵列的制作流程图。

图3是本发明示例性实施例的灰度图。

图4是根据图3的灰度图所拟合出的工业曲线。

图5是本发明示例性实施例的多聚焦透镜阵列结构示意图。

图6是本发明示例性实施例的微透镜结构剖面图。

图7是本发明示例性实施例的微透镜结构的二维图和三维图，左为二维图，右为三维图。

图8是本发明示例性实施例的微透镜阵列结构的二维图和三维图，左为二维图，右为三维图。

图9是本发明示例性实施例的多聚焦透镜阵列结构的灰度图。

图10是本发明示例性实施例的多聚焦透镜阵列的制作流程结构图。

图11左是制作完成的多聚焦透镜阵列，右是其中一部分的放大示意图。

图12是图11的多聚焦透镜阵列测量结果示意图。

图13是光学检测系统光路示意图。

图14是采用图13的光学检测系统捕获的图像示意图。

图15是单个微透镜光刻胶剖面图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，以使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明示例性实施例的多聚焦透镜阵列的光刻系统包括沿光路上依次设置的照明系统、反射镜、数字微透镜器件(DMD)、焦透镜、显微物镜和载物台；载物台上设置有硅片，硅片上涂刷有用于光刻多聚焦透镜阵列的光刻胶。

光刻过程中，照明系统发出的光束经反射镜反射，斜射入DMD中，DMD中写入有多聚焦透镜阵列的灰度图，光束经DMD反射，再经焦透镜、显微物镜照射到载物台上的硅片上，从而在硅片上光刻出多聚焦透镜阵列的轮廓。

显微物镜的分辨率为1.3μm；DMD中包括1024×768个微透镜，每个微透镜的尺寸为13.68μm×13.68μm，并且每个微透镜都可以独立旋转±12°，当旋转+12°时，斜入射到其表面的光束以垂直的角度出射参与成像；当旋转-12°时，斜入射到其表面的光束偏离光轴，不参与成像；通过控制DMD中的微透镜偏转角度，即可在硅片上光刻出多聚焦透镜阵列的轮廓。

照明系统中，光源采用UV-LED或高压汞灯，其中，UV-LED仅需通过接入或断开电源即可实现工作状态的自由切换，响应灵敏，可以精确地控制各类曝光参数，曝光操作灵活；载物台为三维微位移平台，可以沿x、y、z方向进行微小移动。

参考图2、图10，本发明示例性实施例的多聚焦透镜阵列的制作流程包括以下步骤：

步骤一：准备制作多聚焦透镜阵列的灰度图，并将灰度图写入到DMD中；先选定固定的曝光时间与曝光强度，绘制工艺曲线；再通过绘制的工艺曲线分析图案灰度与光刻胶曝光深度的关系，根据分析结果计算设计的多聚焦透镜阵列结构上每个像素的高度，并将其转化为灰度信息，进而得到多聚焦透镜阵列的灰度图。

绘制工艺曲线过程包括：

a：控制工艺参数；根据脉宽调制原理，DMD中，每个微透镜的工作时间可以根据二进制数据独立调整，每个微透镜可以识别的灰度值为0到255。因此，通过调整曝光时间与曝光强度，就可控制图案的灰度，也就等同于控制了硅片上光刻胶的曝光厚度。

经过计算，确定工艺参数为：曝光当量为40％，曝光时间为8s，曝光所用硅片为两寸硅片，光刻胶为正性光刻胶，显影液为1％浓度的NaOH溶液，甩胶机器在低速600r/min下运行时间为4秒，高速2000r/min下运行时间为50秒，烘烤时间为4分钟，烘烤温度为110℃。

b：寻找焦面；确保曝光硅片处于显微物镜的焦深范围内，尽可能接近其像面位置，避免经显微物镜聚焦后在硅片上所成的像弥散，从而确保光刻质量。

寻找焦面过程分为粗调焦、中调焦和精调焦三个环节；粗调焦过程中，先调出一个需要曝光的图形，将其灰度值写入DMD中，采用图1的光刻系统进行曝光，并采用紫外强度计和电感仪初步寻找光刻系统的焦面；将紫外强度计和电感仪的探头放在载物台上，手动旋转载物台，使其沿z方向(高度方向)移动，通过紫外强度计测得的光强数据变换结果确定电感仪的读数范围，得到载物台高度方向的位移；选取读数范围内的多个位移值作为测量位置，并将其作为第一组数据，在选取的每个测量位置处将载物台沿x或y方向(水平方向)移动，对硅片多次曝光，将每个测量位置的曝光图形显影后，采用电子显微镜观测曝光图形的清晰度，得到曝光图形较为清晰的测量位置范围；

中调焦：在粗调焦得到的光刻图形较为清晰的测量位置范围内，选取多个测量位置作为第二组数据，在第二组数据中的每个测量位置处曝光并显影，采用电子显微镜观测曝光图形的清晰度，得到曝光图形较为清晰的测量位置范围；

精调焦：以中调焦得到的曝光图形较为清晰的测量位置范围为基础，更换曝光图形，选取多个测量位置作为第三组数据(第三组数据的范围可大于中调焦中测量得到的位置范围，以提高寻找的焦面位置的准确性，进而提高光刻质量)，在第三组数据中的每个测量位置处曝光并显影，采用电子显微镜观测曝光图形的清晰度，得到曝光图形较为清晰的测量位置范围，在测量位置范围内选择一个测量位置作为焦面位置。

例如：粗调焦过程中，电感仪测量得到的读数范围为(413μm，-271μm)，在读数范围内，选取(413，351，301，248，195，147，96，47，-1，-54，-100，-163，-207，-271)14个测量位置为第一组数据(每个数据单位为μm)，将每个测量位置的曝光图形显影后，采用电子显微镜观测曝光图形的清晰度，得到曝光图形较为清晰的测量位置范围为(-100，-271)；中调焦：在(-100，-271)内，选取(-104，-115，-130，-146，-163，-176，-191，-204，-225，-234，-246，-260，-274)13个测量位置为第二组数据，在第二组数据中的每个测量位置处曝光并显影，采用电子显微镜观测曝光图形的清晰度，得到曝光图形较为清晰的测量位置范围为(-163，-234)；精调焦：以(-163，-234)为基础，更换曝光图形，选取(-160，-169，-177，-184，-190，-198，-205，-214，-221，-230，-237)11个测量位置作为第三组数据，将每个测量位置的曝光图形显影后，采用电子显微镜观测曝光图形的清晰度，得到光刻图形较为清晰的测量位置范围为(-177，-184)，选择-184位置作为焦面位置。

c：拟合工业曲线；确定焦面位置后，对不同的灰度值进行曝光，采用台阶仪测量经过曝光后的光刻胶曝光深度，并根据曝光深度拟合出工艺曲线。

例如，灰度值取值范围为10～250，从10开始取值，每10为一个间隔，逐步递增，直到250，每相邻灰度间隔之间增加一个灰度值255，便于台阶仪测量曝光后的图案。灰度图如图3所示，图中，灰度取值为255的为白色条纹，条纹的像素宽度为10piexls，高度为768pixels；灰度变化部分的像素宽度为60piexls，高度为768pixels。

灰度值与光刻胶曝光深度的工艺曲线图如图4所示，图中，x轴表示灰度值(无岗量)，y轴表示曝光后的光刻胶厚度(单位为μm)；图中，圆圈表示的值为光刻胶厚度测量值，星号表示的值为经过三阶高斯拟合所得到的值，经过对比，拟合值与测量值接近，在灰度值为70到160之间，灰度值与光刻胶曝光深度大致呈线性分布。拟合后的高斯函数为：

其中，a1＝-2.588、b1＝217.1、c1＝37.12、a2＝-1.493、b2＝159.3、c2＝23.58、a3＝11.83、b3＝220.4、c3＝91.36。

多聚焦透镜阵列结构设计：参考图5-图8，多聚焦透镜阵列结构包括5个弦长不同、矢高相同的球体，5个球体大致呈梅花形排布，各球体的焦距分别为：f

步骤二：根据写入到DMD中的多聚焦透镜阵列灰度图，对硅片曝光，将多聚焦透镜阵列写入到硅片上，并且将曝光后的光刻胶显影，其曝光部分溶解，非曝光部分保留；

根据DMD中的微透镜数量、每个微透镜的尺寸以及显微物镜的参数，确定DMD中的微透镜在像面上的投影尺寸为1.36μm，单场曝光面积为1.40mm×1.05mm；若曝光图形的整体尺寸大于单场曝光面积，则将曝光图形按照DMD的像素点数量拆分成多幅相同尺寸的图案，同时对处于图形边缘并且不符合DMD像素点数量的区域添加黑色像素点进行扩充，使其与其他图案保持相同的尺寸，并最终将所有图案依次导入DMD进行逐场步拼接曝光。

多聚焦透镜阵列中，最大微透镜(5号球)的弦长为390μm，根据圆的面积公式计算所得面积为0.12mm

对5个微透镜同时曝光过程中，可根据写入到DMD中的灰度图，一次性控制DMD中对应位置微透镜的旋转角度，对所有微透镜一次性曝光；紫外光斜入射DMD中，经对应位置的微透镜反射，携带DMD中的图案信息传递至显微物镜，并聚焦在硅片表面的光刻胶层中，从而将DMD的图案转移至光刻胶层，灰度图中的各灰度值对应了光刻胶层的光刻深度，灰度值越大，光刻深度越深；也可多次控制DMD中对应位置微透镜的旋转角度，多次对光刻胶曝光，每曝光一次，光刻胶下降一定的深度，光刻胶下降深度与灰度值相关，从而在光刻胶中形成多聚焦透镜阵列的轮廓。

曝光过程中，为增加多聚焦透镜中，相邻两微透镜之间的距离，也可在其中一个微透镜一次性曝光完成后，微移载物台，依次对其余微透镜一次性曝光，直至所有微透镜曝光完成；也可在其中一个微透镜多次曝光完成后，微移载物台，依次对其余微透镜多次曝光，直至所有微透镜曝光完成。

单个微透镜光刻胶剖面图如图15所示，图中，H1、H2、H3、H4分别表示不同等级的灰度值对应的曝光深度，图中曝光的微透镜图案为放大示意图，曝光的微透镜呈阶梯式分布，而在实际曝光过程中，其边缘轮廓为平滑曲线；在对光刻胶6一次性曝光过程中，通过控制DMD中对应微透镜的偏转角度和曝光时间，即可一次性在光刻胶6中曝光出包含H1、H2、H3、H4的微透镜的整体轮廓；在对光刻胶6多次曝光过程中，通过控制DMD中对应微透镜的偏转角度和曝光时间，即可依次曝光出H1、H2、H3、H4，从而形成微透镜的整体轮廓；曝光过程中，第一次控制DMD中对应的微透镜，在光刻胶6中曝光出H1，第二次控制DMD中对应的微透镜，在光刻胶6中曝光出H2，第三次控制DMD中对应的微透镜，在光刻胶6中曝光出H3，第四次控制DMD中对应的微透镜，在光刻胶6中曝光出H4，从而曝光出微透镜的整体轮廓。

多聚焦微透镜阵列曝光完成后，可移动载物台，重复上述步骤曝光多个多聚焦微透镜阵列。

步骤三：将写入到硅片上的微透镜阵列烘烤定型，使微透镜阵列固化成型。

步骤四：采用PDMS膜在硅片上倒模。

步骤五：将倒模后的多聚焦透镜阵列烘烤成型；先将倒模后的多聚焦透镜阵列烘烤1小时，然后在常温下放置1小时冷却成型，成型后的微透镜阵列如图11所示。

步骤六：对制作的多聚焦透镜阵列进行光学分析，判断其是否合格；采用台阶仪测量多聚焦透镜阵列的轮廓，测量结果如图12所示，图中仅显示了3个微透镜的轮廓，其中，x表示各透镜的弦长(单位为μm)，x表示各透镜的高度(单位为μm)，图中偏上部分为台阶仪扫描的轮廓，偏下部分为设计的轮廓，由图可知，扫描的轮廓与设计的轮廓吻合度较高；采用制作的多聚焦透镜阵列搭建光学检测系统，检测制得的多聚焦透镜阵列成像效果，其检测光路如图13所示，光路方向上依次设置有光源、待测物体、多聚焦透镜阵列，显微物镜、焦透镜和相机，相机感光芯片为CCD，光源为白光光源，多聚焦透镜阵列用于对光线聚焦，通过调整多聚焦透镜阵列的微透镜，可对处于不同景深的物体成像，获得清晰的图像，显微物镜用于捕捉虚拟的图像，CCD相机用于显示图像。

例如，以纸上的英文大写字母E作为实验对象，字母E的长度为5mm、高度为8mm；将英文大写字母E放置于图13的光学检测系统中，通过调整光路，在不同的物距下，使用不同焦距的聚焦透镜可获得清晰的图像，表明制作的多聚焦透镜阵列合格，并且在增强图像景深的情况下，通过调整多聚焦透镜阵列中的聚焦透镜可以得到清晰的图像；在使用不同聚焦透镜情况下，CCD相机捕获的图像如图14所示。

以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。