空间限域热回流法制备高填充因子微透镜阵列的工艺参数优化

前面已经介绍了空间限域热回流法制备微透镜的原理和方法，本期主要介绍高填充因子微透镜阵列的工艺参数优化。

对于单一透镜而言，透镜的尺寸和高度分别由热回流前的光刻胶形状边长和厚度决定，那么影响填充因子的图形参数首先要优化的就是透镜图形之间的间隙t。

图1：用于制备微柱阵列的六边形蜂窝状掩膜版

经过空间限域热回流后，间隙微柱阵列转变为高填充因子微透镜阵列。填充因子随掩模间隙t的变化规律是本研究的关键，直接关系制备精度与工艺稳定性。为此进行多组不同间隙t的对比实验。实验过程中，旋涂的速度设定为3000rpm，对应的光刻胶的厚度约为9.4 μm，六边形的边长a设定为50 μm。为了确定合适的间隙t，具有不同间隙的掩膜被应用到实验过程中，间隙分别为2、4、6、8、10和12 μm。根据以往的实验结果，对于9.4 μm的胶层，曝光剂量为360mJ/cm²，显影时间设定为165s，回流温度为180℃，持续150s。

然后通过接触式台阶仪（DektakXT）对微透镜的截面轮廓进行测定，部分测量结果如图2、3所示，分别对应掩膜间隙为6和8 μm。图中绿色的实线代表测量轮廓，而不同颜色的虚线代表了用最小二乘法拟合得到的圆曲线，从图2和图3可以看出，无论是透镜本身还是透镜相邻区域，轮廓曲线都很光滑，而且轮廓都和圆曲线拟合的很好，说明高填充因子的微透镜阵列顺利的得到。而随着间隙t的增长，透镜的轮廓高度逐渐增加，因而可以改变间隙t可以控制微透镜的高度。由于光刻系统的分辨率是有限的，很难保证连接部分的高度正好为0，因而制作的高填充因子微透镜阵列连接部分会有一定的高度。

图2：当t=6 μm时，高填充因子微透镜阵列的部分轮廊和局部放大图

图3：当t=8 μm时，高填充因子微透镜阵列的部分轮廊和局部放大图

图4：当t=10 μm时，高填充因子微透镜阵列的部分轮廊和局部放大图

然而当间隙t增长到10 μm，透镜之间将会出现明显的间隙，如图4所示，虽然透镜仍然和圆曲线得到了很好的拟合，但是这与我们想要制作接近100%均因子的微透镜阵列的初衷相背离。因而间隙t应该设定为8 μm或者更小。

在热回流的过程中，回流参数也是一个重要的影响因素，这其中回流时间和回流温度是两个最重要的参数。为了研究回流时间对成型的影响，进行回流时间的实验。回流温度设定为180℃保持不变，回流时间为15s、30s、60s、90s和150s。实验结果如图3和图5所示。当回流时间达到60s或者以上时，良好面型的微透镜阵列都可以顺利获得，而且从60s到150s，微透镜阵列的参数几乎没有发生变化，这说明回流时间对于成型过程几乎没有影响。这无疑使得这个加工过程更加的稳定和容易控制。

图5：t=8 μm，回流时间为60s时，高填充因子微透镜阵列的部分轮廊和局部放大图

同样进行了关于回流温度的实验。旋涂的转速仍然为3000rpm，将回流时间固定为150s，然后将回流温度设置为120℃，140℃，160℃，180℃，200℃和220℃。受到PDMS热固化的影响，在温度小于180℃时，微透镜鼓起的过程将会被限制，微透镜无法成功成型；而当温度为200℃和220℃时，光刻胶有可能与PDMS发生融合，会破坏微透镜形状，光刻胶微透镜的表面会出现比较明显的缺陷，如图6所示，这无疑将会大大降低微透镜的表面质量。因而回流温度建议设置为180℃。

图6：回流温度过高时的气泡缺陷

对于微透镜来说，数值孔径NA也是一个重要的参数。对于一个球面微透镜来说，数值孔径可以表示为

R,h,r,f,n分别为微透镜的曲率半径，球冠高，底面半径，焦距和折射率（对于AZP4620光刻胶来说，折射率为1.70)。当底面半径r为50 μm，球冠高h约为9 um，数值孔径NA是固定的，约为0.25，这样的数值孔径单一且不够大。假定底面半径r为50 μm保持不变，为了提高数值孔径，最直观的方法就是提高球冠高度h。

在热回流的过程中，球冠的高度主要是由光刻胶的厚度所决定的，而光刻胶的厚度是与旋涂的转速成反比。但是，当转速下降到一定程度时，旋涂胶液的均匀性将会受到影响，从而影响到后续的实验结果。为了得到更厚的均匀的胶层，建议采用多次涂胶的方法，通过3000rpm的两次旋涂过程，可以得到19 μm左右的胶层，经过曝光和空间限制热回流过程，可以得到更高的微透镜阵列，截面轮廓如图7所示。无论是透镜轮廓还是相邻区域的轮廓都十分的平滑，说明高填充因子微透镜阵列已经顺利完成。高度约为20 μm,底面半径约为50 μm，数值孔径约为0.50。

图7：高数值孔径的高填充因子微透镜阵列截面轮廓与连接处的局部放大图

然而，进一步提升数值孔径仍面临一些挑战。在多次自旋工艺中，光刻胶层中会有一定量的溶剂残留物。光刻胶层越厚，剩余的溶剂越多。在回流过程中，溶剂逐渐溢出并形成气泡，从而损伤微透镜轮廓。所有这些都使得制造高填充率且高球冠的微透镜阵列变得困难。

后续将会带来高填充因子微透镜阵列轮廓表征及应用介绍。

主要参考来源：

[1] Jinfeng Q , Mμjμn L , Hμichμn Y ,et al.Fabrication of high fill-factor microlens array μsing spatially constrained thermal reflow[J].Sensors & Actμators A Physical, 2018, 279:17-26.DOI:10.1016/j.sna.2018.05.039.