基于DMD无掩膜光刻技术及其微透镜快速成型方法的研究

发布时间：2018-02-02 15:51

本文关键词： 数字微镜器件微透镜无掩膜光刻空间光调控热回流　出处：《中国科学技术大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：微透镜是一种重要的光学元件,它具有重量轻、体积小、集成度高等优点,在光学、光电系统、微机电系统及传感器等领域中有着广泛的应用。近年来各种微透镜制作方法也大量涌现,如何经济有效快速地制作出所需要的微透镜及阵列结构已受到越来越多的研究者和工业界的关注。本文是利用数字微镜器件(DMD)无掩膜光刻技术作为研究手段,提出了快速有效的微透镜制作方法。以DMD曝光投影理论研究为基础,设计搭建了 DMD无掩膜光刻平台。基于该曝光平台,进行了三维光调控技术的研究。然后,在此基础上又进行了多参数调制微透镜成型方法的研究,以及最后还进行了柔性制作仿生复眼透镜结构的研究,拓展了无掩膜光刻技术的应用。主要研究工作如下:本文首先对基于DMD空间光调制器的结构、工作原理、工作特点及其应用做了详细介绍。紧接着进行了基于DMD曝光投影成像理论的研究。基于该理论基础,自主设计和搭建了一套无掩膜光刻系统。该系统主要包括均匀照明系统,DMD控制系统,CCD聚焦控制系统和投影成像系统。并对该系统进行了系统的基本性能测试,最小分辨尺寸能达到2.44μm左右,获得的光刻图形质量能够满足设计的要求。在此基础上,进行了三维光调控技术的研究。该技术是基于DMD无掩膜光刻单次扫描技术进行的,先通过设计所需三维图形的理论轮廓,再进行三维图形空间曝光剂量分布的计算,然后通过研究和优化三维切片算法,最后能快速有效的获得高质量的成型三维微结构轮廓。另外,考虑到DMD分辨率的限制及相邻切片层间的台阶,又进行了提高微透镜图形质量方法的研究。该方法是结合了该三维光调控技术和提出的非接触式倒置热回流技术,结果表明该方法能够有效地提高成型微透镜的质量,弥补了 DMD三维光调控技术的不足。利用该光刻平台,进行了多参数调制的微透镜成型方法的研究。该方法主要是利用旋涂过程产生的离心力使得微孔中的胶液能形成弯月面形状,进而通过调制旋涂速度、孔径大小、胶液浓度以及软烘温度等参数来调控弯月面的曲率半径,最终通过PDMS图形快速转印工艺可以方便得到不同形状大小的微透镜图形。最后,还进行了较为复杂的曲面仿生复眼透镜结构的制作研究。以自然界中的昆虫复眼的实际尺寸为理论参考,分别进行了仿生复眼透镜制作工艺、加工方法以及光学特性测量的研究。该研究中主要是利用DMD单次扫描光刻技术能够一次性快速的加工完成预成型的仿生复眼透镜结构,然后再巧妙地利用了 AZ P4620和S 1813两种正性光刻胶玻璃软化点(Tg)的差距,分别进行两次热回流得到所需要的仿生复眼微透镜结构。另外,为了避免热回流过程中微透镜结构的缺陷,还进行了边缘凸起现象的研究。在光学特性测量方面,通过自行搭建的光学测量系统对焦距大小、点扩散函数及成像能力进行了测量,测量结果表明通过该方法制作的仿生复眼透镜结构基本能够满足设计要求,而且比自然界中昆虫复眼呈现出更大的数值孔径。
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【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH74

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