《炬豐科技-半導體工藝》鐳射增強溼法蝕刻製造的大規模高質量玻璃...

書籍:《炬豐科技-半導體工藝》

文章:鐳射增強溼法蝕刻製造的大規模高質量玻璃微透鏡陣列

編號:JFKJ-21-992

作者:炬豐科技

引言

微透鏡陣列由於其在微光學系統、光纖耦合、人工複眼結構、光漫射器和光學感測技術中的廣泛應用而成為至關重要的光學器件。大規模多層膜在高解析度成像和提高發光二極體和有機發光二極體的光提取效率方面發揮著不可替代的作用。如今用於高畫質成像領域的影象感測器,如電荷耦合器件和互補金氧半導體,很難達到100%的畫素孔徑比。方形多層反射鏡透過將光線聚焦在感光區域有助於提高比率。這將提高電荷耦合器件和互補金氧半導體器件的信噪比,並提高其成像能力。此外,多級光闌有助於降低影象感測器的靈敏度閾值,達到普通CCD對星光CCD的近似成像效果。在固態照明市場,低的光出射耦合效率限制了有機電致發光器件和發光二極體的廣泛應用。為了提高輸出效率,微透鏡陣列與有機電致發光器件和發光二極體相結合。微透鏡陣列覆蓋的有機電致發光器件和發光二極體的輸出功率可提高2倍。

實驗

我們使用了用飛秒鐳射溼蝕刻法制作多層膜。如圖1所示,製造過程可分為四個步驟,包括fs-鐳射曝光、溼法蝕刻、複製品成型和清洗。首先,用物鏡(NA = 0。5)將鐳射功率(P)為5mW的fs-鐳射脈衝(800 nm,50 fs,1 KHz)聚焦到石英玻璃表面,產生方形排列的鐳射改性光斑陣列[圖1(a)]。鐳射曝光坑是逐點生成的。對於每個點,曝光時間可以由快速機械快門控制,鐳射功率可以透過可變密度濾光器調節。隨後,在室溫下用3%氫氟酸溶液處理後製備樣品。溼蝕刻工藝後,方形排列的凹坑轉變為方形凹陷結構[圖1(b)]。在蝕刻過程中,使用超聲波浴來保證微透鏡的一致性和蝕刻過程的高速。超聲波浴有助於去除蝕刻過程中產生的產物和氣泡。然後,可以透過將液體PDMS傾倒在方形凹陷結構上並在80℃的溫度下保持大約60分鐘來複制凸起的多層膜[圖1(c)]。最後,我們可以透過去除模具在固化的PDMS表面獲得方形凸起的多層膜[圖1(d)]。此外,由於聚甲基丙烯酸甲酯的熱塑性效應,也可以透過在120℃的溫度下將聚甲基丙烯酸甲酯晶片壓到模具上幾分鐘來製造凸起。

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總結和討論

凹陷結構的形成過程:

凹面結構的形成過程可以透過裝有電荷耦合器件照相機的光學顯微鏡觀察。用300飛秒鐳射脈衝照射間距為20微米的方形排列的隕石坑陣列,單脈衝能量為5 μJ。圖2顯示了凹陷結構的形成過程。隕石坑的掃描電鏡影象如圖2(a)所示。我們可以清楚地看到,在鐳射照射區有一些奈米結構。這些奈米結構被認為是由fs-鐳射的非線性斷裂過程引起的,並將加速這些區域周圍的蝕刻速度。圖2(b)為HF刻蝕後凹面微結構的SEM影象,具有完美的球形形貌,可作為微透鏡處理。在溼蝕刻過程開始時,鐳射影響區的蝕刻速度高於其他區域。隨著蝕刻的進行,坑周圍的改性材料逐漸被消耗,最終蝕刻速度會降低到玻璃的固有蝕刻速度。因此,凹入結構的直徑將增加,而由於凹入結構的底部和石英玻璃的表面之間相同的蝕刻速度,其深度將保持恆定。

大型方形凹陷結構的球形形態:

圖3(a)和3(b)顯示了從不同角度和不同放大倍數拍攝的方形多層膜的掃描電鏡影象,這極好地揭示了多層膜完美的表面質量和均勻性。圖3(c)和3(d)顯示了CLSM觀察到的凹面結構的三維(3D)形態和橫截面輪廓。圖3(d)中的插入圖顯示了凹形結構的SEM截面輪廓。方形凹面微透鏡的邊長為19。967微米,非常接近我們一開始設定的空隙(20微米)。

複製超大型方形凸微透鏡的結果:

方形凹面微透鏡陣列用作模具,在其他材料上覆制凸面微透鏡,例如PDMS和聚甲基丙烯酸甲酯。圖4(a)和4(b)顯示了在聚甲基丙烯酸甲酯上覆制的凸方形微透鏡的掃描電鏡影象。影象顯示覆制的凸方形微透鏡具有完美的表面質量和均勻性。圖4(c)和4(b)顯示了複製的凸形多層膜的三維輪廓。如圖4(e)所示,複製的方形微透鏡的長度和凹陷高度分別為19。933微米和2。332微米。與凹形MLAs模具相比,尺寸的不一致性小於1%。包含超過260,000個微透鏡的大面積(1 × 1 cm2)的方形凸起多層膜被簡單而快速地複製在PMMA上。凸狀MLA的複製時間小於20分鐘。這樣就可以實現高質量大面積多層膜在PMMA晶片上的高效複製。

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大尺寸方形凸MLAs的製作過程存在一些限制:樣品的平整度、機械快門的連續工作能力和fs-鐳射器的輻照均勻性等,需要透過最佳化工藝和引數來提升。

在鐳射照射過程中,機械快門需要在每個光斑上進行切換。為了製造一個大規模的多層膜,機械快門會以高頻率切換數千次。為了避免過高溫度的損害,使用了再迴圈水系統來冷卻機械快門。此外,飛秒鐳射輸出功率的穩定性也會影響多層膜的均勻性。為了解決這個問題,我們可以增加照射時間。一般來說,鐳射照射時間越長,鐳射脈衝的數量越多,保持的均勻性越好。然而,盲目增加每個點的鐳射照射時間將導致製造時間的顯著增加。在蝕刻過程中,氟化氫的濃度相當重要。高濃度會縮短刻蝕時間,但會影響多層膜的均勻性。

總結

本文提出的製作方法能夠製作超大面積高質量的凹面多層膜和凸面多層膜。25小時內,一個512 × 512的方形成功地在石英玻璃上製作了面積為1 × 1cm2的凹面微透鏡陣列。每個單元的尺寸為20μm × 20μm。此外,透過複製技術,可以在幾十分鐘內獲得在聚甲基丙烯酸甲酯和PDMS上覆制的凸多層膜。為了獲得高均勻性,需要解決幾個問題,包括樣品的平整度、機械快門的連續操作能力、飛秒鐳射的輻照均勻性以及HF溶液的濃度。透過最佳化工藝和引數,我們製備了具有完美球形形貌、高填充因子、高均勻性和高成像效能的大尺寸微透鏡陣列。

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