《炬丰科技-半导体工艺》激光增强湿法蚀刻制造的大规模高质量玻璃微透镜阵列

书籍：《炬丰科技-半导体工艺》
文章：激光增强湿法蚀刻制造的大规模高质量玻璃微透镜阵列
编号：JFKJ-21-992
作者：华林科纳

引言

微透镜阵列由于其在微光学系统、光纤耦合、人工复眼结构、光漫射器和光学传感技术中的广泛应用而成为至关重要的光学器件。大规模多层膜在高分辨率成像和提高发光二极管和有机发光二极管的光提取效率方面发挥着不可替代的作用。如今用于高清成像领域的图像传感器，如电荷耦合器件和互补金属氧化物半导体，很难达到100%的像素孔径比。方形多层反射镜通过将光线聚焦在感光区域有助于提高比率。这将提高电荷耦合器件和互补金属氧化物半导体器件的信噪比，并提高其成像能力。此外，多级光阑有助于降低图像传感器的灵敏度阈值，达到普通CCD对星光CCD的近似成像效果。在固态照明市场，低的光出射耦合效率限制了有机电致发光器件和发光二极管的广泛应用。为了提高输出效率，微透镜阵列与有机电致发光器件和发光二极管相结合。微透镜阵列覆盖的有机电致发光器件和发光二极管的输出功率可提高2倍。

实验

我们使用了用飞秒激光湿蚀刻法制作多层膜。如图1所示，制造过程可分为四个步骤，包括fs-激光曝光、湿法蚀刻、复制品成型和清洗。首先，用物镜(NA = 0.5)将激光功率§为5mW的fs-激光脉冲(800 nm，50 fs，1 KHz)聚焦到石英玻璃表面，产生方形排列的激光改性光斑阵列[图1(a)]。激光曝光坑是逐点生成的。对于每个点，曝光时间可以由快速机械快门控制，激光功率可以通过可变密度滤光器调节。随后，在室温下用3%氢氟酸溶液处理后制备样品。湿蚀刻工艺后，方形排列的凹坑转变为方形凹陷结构[图1(b)]。在蚀刻过程中，使用超声波浴来保证微透镜的一致性和蚀刻过程的高速。超声波浴有助于去除蚀刻过程中产生的产物和气泡。然后，可以通过将液体PDMS倾倒在方形凹陷结构上并在80℃的温度下保持大约60分钟来复制凸起的多层膜[图1©]。最后，我们可以通过去除模具在固化的PDMS表面获得方形凸起的多层膜[图1(d)]。此外，由于聚甲基丙烯酸甲酯的热塑性效应，也可以通过在120℃的温度下将聚甲基丙烯酸甲酯芯片压到模具上几分钟来制造凸起的多层膜。

总结和讨论

凹陷结构的形成过程：
凹面结构的形成过程可以通过装有电荷耦合器件照相机的光学显微镜观察。用300飞秒激光脉冲照射间距为20微米的方形排列的陨石坑阵列，单脉冲能量为5 μJ。图2显示了凹陷结构的形成过程。陨石坑的扫描电镜图像如图2(a)所示。我们可以清楚地看到，在激光照射区有一些纳米结构。这些纳米结构被认为是由fs-激光的非线性断裂过程引起的，并将加速这些区域周围的蚀刻速度。图2(b)为HF刻蚀后凹面微结构的SEM图像，具有完美的球形形貌，可作为微透镜处理。在湿蚀刻过程开始时，激光影响区的蚀刻速度高于其他区域。随着蚀刻的进行，坑周围的改性材料逐渐被消耗，最终蚀刻速度会降低到玻璃的固有蚀刻速度。因此，凹入结构的直径将增加，而由于凹入结构的底部和石英玻璃的表面之间相同的蚀刻速度，其深度将保持恒定。

大型方形凹陷结构的球形形态：
图3(a)和3(b)显示了从不同角度和不同放大倍数拍摄的方形多层膜的扫描电镜图像，这极好地揭示了多层膜完美的表面质量和均匀性。图3©和3(d)显示了CLSM观察到的凹面结构的三维(3D)形态和横截面轮廓。图3(d)中的插入图显示了凹形结构的SEM截面轮廓。方形凹面微透镜的边长为19.967微米，非常接近我们一开始设置的空隙(20微米)。

复制超大型方形凸微透镜的结果：
方形凹面微透镜阵列用作模具，在其他材料上复制凸面微透镜，例如PDMS和聚甲基丙烯酸甲酯。图4(a)和4(b)显示了在聚甲基丙烯酸甲酯上复制的凸方形微透镜的扫描电镜图像。图像显示复制的凸方形微透镜具有完美的表面质量和均匀性。图4©和4(b)显示了复制的凸形多层膜的三维轮廓。如图4(e)所示，复制的方形微透镜的长度和凹陷高度分别为19.933微米和2.332微米。与凹形MLAs模具相比，尺寸的不一致性小于1%。包含超过260，000个微透镜的大面积(1 × 1 cm2)的方形凸起多层膜被简单而快速地复制在PMMA上。凸状MLA的复制时间小于20分钟。这样就可以实现高质量大面积多层膜在PMMA芯片上的高效复制。

大尺寸方形凸MLAs的制作过程存在一些限制:样品的平整度、机械快门的连续工作能力和fs-激光器的辐照均匀性等，需要通过优化工艺和参数来提升。

在激光照射过程中，机械快门需要在每个光斑上进行切换。为了制造一个大规模的多层膜，机械快门会以高频率切换数千次。为了避免过高温度的损害，使用了再循环水系统来冷却机械快门。此外，飞秒激光输出功率的稳定性也会影响多层膜的均匀性。为了解决这个问题，我们可以增加照射时间。一般来说，激光照射时间越长，激光脉冲的数量越多，保持的均匀性越好。然而，盲目增加每个点的激光照射时间将导致制造时间的显著增加。在蚀刻过程中，氟化氢的浓度相当重要。高浓度会缩短刻蚀时间，但会影响多层膜的均匀性。

总结

本文提出的制作方法能够制作超大面积高质量的凹面多层膜和凸面多层膜。25小时内，一个512 × 512的方形成功地在石英玻璃上制作了面积为1 × 1cm2的凹面微透镜阵列。每个单元的尺寸为20μm × 20μm。此外，通过复制技术，可以在几十分钟内获得在聚甲基丙烯酸甲酯和PDMS上复制的凸多层膜。为了获得高均匀性，需要解决几个问题，包括样品的平整度、机械快门的连续操作能力、飞秒激光的辐照均匀性以及HF溶液的浓度。通过优化工艺和参数，我们制备了具有完美球形形貌、高填充因子、高均匀性和高成像性能的大尺寸微透镜阵列。

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