摘 要:讨论了采用常规的光刻热熔法及灰度掩模技术制作非梯度折射率型平面折射和平面衍射微透镜的情况。定性地分析了在不同的工艺条件下可能得到的平面端面微光学器件的种类和形貌特征。给出了在石英衬底表面通过光刻热熔工艺和氢离子束蚀刻所得到的球面及圆弧轮廓特征的凹形掩模的SEM照片,并对用于近场集成光学头的平面微透镜和半导体激光器的集成结构作了初步分析。利用这一技术所制成的平面折射微透镜可以很方便地与半导体光源等器件匹配耦合及集成固联。
1 引 言
诞生于20世纪70年代并得到迅速发展的光存储技术,在20世纪90年代已被发展成为一项工业技术。目前,其产品广泛应用于国民经济的各个领域和人们的日常生活中。随着整个社会信息化进程的加快,迫切需要有别于传统商品的大容量、高数传率、结构紧凑、重量轻和价格低廉的光存储技术及产品。为了开发出每平方英寸100 GB量级甚至更高记录密度的光存储技术,并进一步提高存取速度,降低成本,实现光学头结构的微型化、多功能化和集成化,人们提出了多种多样的技术方案,如典型的固态浸没物镜(SIL)方案,近场Super-Rens光存储介质技术,采用微孔激光器直接写入的VSAL技术和近场光学存储方案等,而现代微细加工及装配技术和微光学技术等是上述这些技术选择的核心支柱之一。现代微光学是继微电子技术之后近些年来得到迅速发展的一个新兴学科,运用现代微光学的理论和实验技术所制成的光学元器件具有微型化、阵列化、集成化和高可靠性等特点[1~3]。为了研究适用于所发展的近场集成光学头的平面微透镜技术,开发了有别于梯度折射率型微透镜的平面折射及衍射微透镜的制备技术。该技术的核心工艺环节就是首先在衬底基片上制作凹型结构的微透镜掩模,然后通过诸如离子束溅射和光学介质生长等手段将所选定的光学材料覆盖到衬底基片的凹形掩模结构上,再经减薄最终得到平面端面的微透镜器件。利用这一技术所制成的平面折射微透镜可以方便地与半导体光源等器件匹配耦合及集成固联。本文主要讨论了用于近场集成光学头的平面微透镜的制备技术。
2 面阵平面微透镜
2.1 常规制备工艺
图1为在衬底基片表面利用常规方法制作典型的面阵平面微透镜的简要工艺流程图。图1(a)为制作非梯度折射率型面阵平面折射微透镜的工艺流程图。其主要步骤有:(1)采用光刻热融成形工艺制作光致抗蚀剂凹形掩模浮雕结构;(2)离子束蚀刻与溅射;(3)端面减薄。图1(b)为采用重复掩模图形转印、离子束蚀刻与溅射及端面减薄等手段得到面阵平面衍射微透镜的工艺流程图。通常情况下,采用图1所示的常规方法在衬底基片表面制作平面微透镜陈列的最大填充因子、平面微透镜的最小特征尺寸,它的轮廓特征以及光学特性等均取决于设备条件、工艺流程及相关原材料的情况和相互之间的匹配特性等。
在按图1所示工艺制作平面微透镜器件的过程中,由于对光线偏析起主要作用的微透镜及衬底所用光学材料相对而言可以任意选择,因此按图1(a)所示制作的起折射作用的平面微透镜既可以是光汇聚型的,也可以是光发散式的,即可与传统意义上的凸折射或凹折射透镜对应,或者可以根据衬底基片上弧形轮廓的弯曲程度而分别制成与薄透镜或厚透镜类似的微结构。对图1(a)所示工艺流程来说,通过调整工艺参数,可使所得到的衬底基片上的弧形轮廓为球面(圆形)或柱面、抛物面(抛物线形)及椭圆面(椭圆形)或其它复杂曲面(曲线)等。在图1(b)所示工艺流程中,如果针对每种光致抗蚀剂掩模浮雕结构重复转印后施加离子束蚀刻及特定光学材料的离子束溅射操作,或者其它一些光学介质或光学膜层的生长或填充工艺,则可以得到不同光学膜系阶梯式分布的平面衍射微透镜,见图1(b)★。在制作平面微透镜的过程中应注意的问题是,聚焦氩离子束轰击靶材后所得到的出射束流应具有足够的能量和密度,以便得到致密和均匀的光学介质层;通过重复掩模图形转印和氩离子束蚀刻及溅射制作(阶梯状截面结构光致抗蚀剂掩模浮雕图形)的过程中套刻参数应合理搭配。对图1(a)和图1(b)的制作工艺而言,通常情况下,氩离子束应垂直入射到凹形掩模浮雕结构上。
2.2 灰度掩模法
图1所示工艺流程也可以通过采用灰度掩模技术得到程度不同的简化,见图2。相应地可以排除许多工艺因素对器件制作的不良影响,使所制作的器件的性能指标得到很大程度的拓展,或者制作出传统工艺流程所难以制出甚至无法涉足的微器件。图3为典型的面阵平面微透镜的端面结构示意图,该图主要包括了矩形、圆形和长方形等几种典型结构。不同光学膜系阶梯式分布的平面衍射微透镜见图2★。图4给出了几种典型的平面微透镜阵列被光学介质覆盖的凹形区域结构的示意图,图中也给出了微棱镜阵列和微光锥阵列的情况,见图4(a)~图4(c)。对图1(a)工艺而言,通过调整光致抗蚀剂掩模图形和衬底材料在离子束蚀刻过程中的匹配特性,可以得到如凹尖微形貌的模版,再经覆膜和端面减薄而得到光锥和微棱镜等微光学器件。这些微光学器件也可以通过图2(a)所示类似的工艺得到,所不同的仅是灰度模版的具体形貌和结构参数。图4(d)~图4(f)所示器件同样既可由图1(a)所示的传统工艺获得,也可以通过图2所示工艺得到。对制作平面微透镜器件来说,由于本文所述传统工艺主要是指通过光致抗蚀剂图形的热效应及光致抗蚀剂掩模与衬底在离子束刻蚀过程中的匹配特性来获得微器件,灰度掩模工艺也主要是通过以计算机作图为基础的制灰度掩模版方法得到光刻后的光致抗蚀剂掩模结构,然后同样实施离子束刻蚀转印技术得到微器件,故二者各有特点。实验显示,采用灰度掩模法制作平面衍射微透镜,如图4(g)~图4(h)所示,较本文所述的传统工艺有明显优势。在现有的工艺条件下,以数字量的划分为基础的灰度掩模技术在制作平面折射微透镜方面较传统工艺而言也有其自身的缺陷和不足,如有限的器件表面光滑程度及冠高等。可以预见,随着计算机技术和光刻工艺的发展,如上所述的这些缺陷和不足无疑是能够克服的。
2.3 凹型结构的轮廓特征
不论采用常规的光刻热熔成形工艺还是采用灰度掩模法,均可以制出如图5所示轮廓特征的凹形结构。图5中各凹形结构上方的阴影部分为在凹形结构中填充的光学介质。对光刻热熔法而言,制出图5所示形貌器件的关键点之一在于光致抗蚀剂凹形掩模浮雕图形和衬底材料在离子束蚀刻过程中的匹配特性。对灰度掩模法来说,核心问题之一是具有反映上述图形特征的灰度光刻模版的制作。灰度掩模法较光刻热熔成形工艺说,可以制作的表面凹形结构的形态更多,即使是同类形貌的特平缓和更弯曲等。图6为采用光刻热熔成形工艺通过氩离子束蚀刻在石英基片上所得到的两种凹形模版的SEM照片。
2.4 平面微透镜与光学器件
典型的平面微透镜阵列与半导体激光器阵列拼装固联以及单片集成的情形如图7所示。图7(a)和图7(b)分别为能显著改善半导体激光器阵列出射光束空间分布特性所利用的折射或衍射微透镜阵列与其拼接成集成发光结构的示意图。在如上所述光学器件的表面贴装或蚀刻平面微透镜器件或图案具有如下优点:
(1)由于微透镜的一个或两个端面均为平面,易与半导体激光器阵列等集成结构拼装固联成一个刚性整体,所以对工作在恶劣环境中的器件而言是极为有利的;
(2)可以利用目前在平面端面上成熟地镀均匀性和致密性良好的光学膜或覆盖均匀致密的光学介质层的常规光学工艺;
(3)可以利用目前成熟的半导体集成电路制作工艺制作一体化的光源-微光学器件-微探测器件的综合体。
平面微透镜与半导体激光器阵列拼装固联以及单片集成的耦合工作目前正在进行。
3 结 论
(1)平面微透镜在一些应用领域具有明显的优势,开展这类器件的研究工作对微光学技术和微机械技术的发展,对集成光学头的制作、军用成像和发光器件性能指标的显著提高及发展新一代成像和发光器件等具有重要的意义。
(2)对非球面轮廓凹微透镜和折射率渐进变化的衍射微透镜的研究在国内尚不多见。本文探讨了与这些内容有关的些问题,但显肤浅,仍需深入研究。
(3)尽管作者率先开展了凹形微透镜阵列、非梯度折射率型平面折射及衍射微透镜阵列、微光锥阵列和微棱镜阵列的研究工作,但更深入的工作仍有待进行。
参考文献:
[1] Margaret B Stern, Thersa R Jay. Dry etching for coherent refrarctivemicrolens arrays[J].Opt Eng, 1994,33(11):3547—3551.
[2]许乔,杨李茗,舒晓武,杨国光.扩展微透镜数值孔径范围的阶梯光刻热熔法研究[J].光学学报,1998,18(8):1128—1133.
[3]张新宇,易新建,赵兴荣,等.线列熔融石英微透镜阵列的光刻和氩离子束刻蚀制备[J].量子电子学报,1998,1(1):66—73.
收稿日期: 2001-05-05
基金项目:2000年中国博士后科学基金资助项目;国家重点基础研究973资助项目(G19990330)
作者简介:张新宇(1965-),男,陕西省西安市人,华中科技大学计算机学院外存储系统国家专业实验室讲师,博士,主要从事微光机电系统方面的研究。
