一種金剛石微透鏡陣列及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及金剛石微透鏡陣列制造領域，更具體地，涉及一種金剛石微透鏡陣列及其制備方法。
【背景技術】
[0002]金剛石具有高機械硬度、高耐磨性、高熱導率、寬光透過波段區間、高化學穩定性、耐酸堿腐蝕等優越特性，而作為一種超硬材料的應用已久，在光、熱、電、聲等高新技術領域中應用的前景非常廣闊。金剛石在光學方面的的性質特別優異，例如金剛石在紫外、可見以及紅外區域很寬波長范圍(0.23-3微米，6-100微米)內透明，具有比較高的折射率(n=2.4)、高的楊氏模量、低熱膨脹系數、高擊穿電場等性質使得金剛石在高功率紅外激光器中有重要的應用價值，可以應用為高功率激光窗口和惡劣條件下工作的軍用或民用設備的紅外保護材料。金剛石具備的優越性能和應用前景，在世界范圍內得到廣泛重視。國外的金剛石研究起步更早，在金剛石光學器件的加工方面的研究和實踐工作已經開展了多年，有覆蓋了X射線到可見波段直至紅外波段的一系列金剛石衍射元件、光柵結構、菲涅爾波片和透鏡等金剛石光學器件。
[0003]透鏡是在光學系統中用來對光進行會聚和發散的一種光學元件。通常的透鏡一般是通過拋光加工得到，制造工藝復雜，而且制造出來的光學元件尺寸大、體積大、重量大，不能滿足集成化發展的需要。目前，人們已經能夠制作出直徑非常小的透鏡與透鏡陣列，這種透鏡與透鏡陣列通常是不能被人眼識別的，只有用顯微鏡、掃描電鏡、原子力顯微鏡等設備才能觀察到，這就是微透鏡和微透鏡陣列。最近20多年，一種新型的平面微透鏡陣列發展并壯大起來。采用光刻工藝，可以制作出排列整齊、結構均勻的微透鏡陣列，這些透鏡陣列只有一個平面，因此易于與其它平面元件耦合連接，并且具有較好的聚光和成像功能。另夕卜，由于單個透鏡的直徑小，微透鏡陣列的透鏡密度高，可實現信息的大容量、多通道并行處理。因此，微透鏡陣列在光傳感、光計算、光纖通信及其它光電子器件中獲得了重要的應用。
[0004]金剛石微透鏡陣列結合了金剛石優異特性和微透鏡陣列的高密度、低重量優點。金剛石在高功率激光和量子信息學方面的應用促進了金剛石微透鏡的制作，金剛石光學部件的加工在過去十幾年有了大幅進展。
[0005]傳統的金剛石微透鏡制作方法有三個，一是用掩膜的方法制備，只適用于直徑幾百微米以上的較大透鏡制備；二是用聚焦離子束方法加工，只適用于直徑幾十微米以下的較小透鏡制備且加工速度慢、成本高，不能大規模加工；三是用光刻膠熱熔法結合等離子體刻蝕加工金剛石透鏡，但是只能得到較為淺的透鏡(即透鏡高度與直徑的比值較小)。大規模制備金剛石微透鏡(直徑從十幾微米到幾百微米范圍)陣列的研究停留在曲率半徑較大(典型數值如:微透鏡直徑100微米，對應球冠高度小于2微米)的微透鏡制作，因為這種結構的透鏡制作相對簡易，但是應用受到了限制。
【發明內容】
[0006]本發明為解決以上現有技術的缺陷，提供了一種金剛石微透鏡陣列制備方法，使用該方法能夠制備出微透鏡高度與直徑的比值任意可調的金剛石微透鏡陣列。
[0007]一種金剛石微透鏡陣列制備方法，包括以下步驟:
a)在金剛石襯底上通過轉移或生長的方法覆蓋一層硬掩膜；
b)在硬掩膜上涂覆一層光刻膠；
c)使用三維光刻膠曝光法或熱熔法產生光刻膠的微透鏡陣列；
d)根據所需制備的微透鏡高度與直徑的比值，分別確定對硬掩膜和金剛石襯底進行等離子體刻蝕的等離子體刻蝕參數，然后按照確定的等離子體刻蝕參數對硬掩膜層和金剛石襯底進行等離子體刻蝕，得到金剛石微透鏡陣列。
[0008]上述方案中，在進行兩次等離子體刻蝕之前，通過對等離子體刻蝕的等離子體刻蝕參數的優化，使得制備出來的金剛石微透鏡陣列微透鏡高度與直徑的比值，符合所需的要求。且由于本發明提供的方法利用了較為成熟的傳統半導體微加工方法，可以大規模制作整片的金剛石微透鏡陣列，因而是具備較大的市場潛力和應用。
[0009]優選地，所述在硬掩膜上覆蓋一層光刻膠后，先對光刻膠進行烘烤，然后進行步驟C)。
[0010]優選地，所述等離子體刻蝕參數包括離子體刻蝕的氣體組分、流量、氣壓和功率。
[0011]優選地，所述硬掩膜為硅、氧化硅或者氮化硅中任一種。
[0012]優選地，所述金剛石襯底為單晶金剛石、多晶金剛石、非晶金剛石、微米晶金剛石和納米晶金剛石中任一種。
[0013]同時，本發明還提供了一種金剛石微透鏡陣列，所述金剛石微透鏡陣列是應用本發明提供的制備方法制備而得的。
[0014]優選地，上述金剛石微透鏡陣列的微透鏡直徑在1微米至1毫米之間。
[0015]優選地，所述金剛石微透鏡陣列的微透鏡的高度為直徑長度的1%到400%。
[0016]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
本發明提供的制備方法應用硅、氧化硅和氮化硅等硬掩膜材料，利用三維光刻膠曝光法或熱熔法產生光刻膠的微透鏡陣列，再利用兩次等離子體刻蝕，可以制備出透鏡高度與直徑的比值任意可調的微透鏡。兩次等離子體刻蝕的菜單選擇是制備方法的關鍵，通過選擇氣體組分、流量、氣壓、功率等離子體刻蝕參數可以獲得光刻膠和硬掩膜以及硬掩膜和金剛石之間的不同選擇比，從而制備出透鏡高度與直徑的比值任意可調的微透鏡，同時，本方法利用了較為成熟的傳統半導體微加工方法，可以大規模制作整片的金剛石微透鏡陣列，因而是具備較大的市場潛力和應用的。
【附圖說明】
[0017]圖1為金剛石微透鏡陣列的排列示意圖。
[0018]圖2為本發明提供的制備方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0019]附圖僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制； 以下結合附圖和實施例對本發明做進一步的闡述。
實施例1
圖1為本發明提供的金剛石微透鏡陣列的排列示意圖。微透鏡陣列可以以同樣直徑的排列在一起構成陣列，陣列可以為N*M，N可以等于或者不等于M，N和Μ的取值可以從1到1000 ;微透鏡陣列還可以把不同直徑的透鏡組合在一起。
[0020]上述方案中，金剛石微透鏡陣列的微透鏡直徑在1微米至1毫米之間，金剛石微透鏡陣列的微透鏡的高度為直徑長度的1%到400%。
[0021]圖2為本發明提供的制備方法的流程示意圖。在進行制備金剛石微透鏡陣列之前，先要根據所需制備的微透鏡高度與直徑的比值，分別確定對硬掩膜和金剛石襯底進行等離子體刻蝕的等離子體刻蝕參數，然后按照確定的等離子體刻蝕參數對硬掩膜層和金剛石襯底進行等離子體刻蝕。其中等離子體刻蝕參數包括但不限于離子體刻蝕的氣體組分、流量、氣壓和功率。
[0022]本發明提供的制備方法具體如下:
(1)在金剛石襯底上生長、轉移一層硬掩膜；
(2)在硬掩膜上涂覆并烘烤光刻膠；
(3)光刻或電子束曝光；
(4)光刻膠成為微透鏡；
(5)等離子體菜單1刻蝕出硬掩膜微透鏡陣列；
(6)等離子體菜單2刻蝕出金剛石微透鏡陣列。
[0023]顯然，本發明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而并非是對本發明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明權利要求的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種金剛石微透鏡陣列制備方法，其特征在于:包括以下步驟: a)在金剛石襯底上通過轉移或生長的方法覆蓋一層硬掩膜； b)在硬掩膜上涂覆一層光刻膠； c)使用三維光刻膠曝光法或熱熔法產生光刻膠的微透鏡陣列； d)根據所需制備的微透鏡高度與直徑的比值，分別確定對硬掩膜和金剛石襯底進行等離子體刻蝕的等離子體刻蝕參數，然后按照確定的等離子體刻蝕參數對硬掩膜層和金剛石襯底進行等離子體刻蝕，得到金剛石微透鏡陣列。2.根據權利要求1所述的金剛石微透鏡陣列制備方法，其特征在于:所述在硬掩膜上覆蓋一層光刻膠后，先對光刻膠進行烘烤，然后進行步驟c)。3.根據權利要求1所述的金剛石微透鏡陣列制備方法，其特征在于:所述等離子體刻蝕參數包括等離子體刻蝕的氣體組分、流量、氣壓和功率。4.根據權利要求1~3任一項所述的金剛石微透鏡陣列制備方法，其特征在于:所述硬掩膜為硅、氧化硅或者氮化硅中任一種。5.根據權利要求4所述的金剛石微透鏡制備方法，其特征在于:所述金剛石襯底為單晶金剛石、多晶金剛石、非晶金剛石、微米晶金剛石和納米晶金剛石中任一種。6.一種金剛石微透鏡陣列，其特征在于:使用權利要求1~5任一項所述的制備方法制備而得。7.根據權利要求6所述的金剛石微透鏡陣列，其特征在于:所述金剛石微透鏡陣列的微透鏡直徑在1微米至1毫米之間。8.根據權利要求6所述的金剛石微透鏡陣列，其特征在于:所述金剛石微透鏡陣列的微透鏡的高度為直徑長度的1%到400%。
【專利摘要】本發明涉及一種金剛石微透鏡陣列及其制備方法，其中所述制備方法包括以下步驟：a）在金剛石襯底上通過轉移或生長的方法覆蓋一層硬掩膜；b）在硬掩膜上涂覆一層光刻膠；c）使用三維光刻膠曝光法或熱熔法產生光刻膠的微透鏡陣列；d）根據所需制備的微透鏡高度與直徑的比值，分別確定對硬掩膜和金剛石襯底進行等離子體刻蝕的等離子體刻蝕參數，然后按照確定的等離子體刻蝕參數對硬掩膜層和金剛石襯底進行等離子體刻蝕，得到金剛石微透鏡陣列。本發明提供的制備方法能夠制備出微透鏡高度與直徑及其比值任意可調的金剛石微透鏡陣列。
【IPC分類】G02B3/00
【公開號】CN105372726
【申請號】CN201510920190
【發明人】張彥峰, 李蕓霄, 陳鈺杰, 王易, 劉林, 余思遠
【申請人】中山大學
【公開日】2016年3月2日
【申請日】2015年12月14日