一种半球状微透镜及其制备方法

摘要

本发明公开了一种半球状微透镜及其制备方法，该透镜包括至少一个透镜镜体（2），所述透镜镜体(2)为：选定标准微球透镜(2′)一个经过球心的面，在所述经过球心的面的两侧分别平行切割掉部分球面。制备方法分别在标准的微球透镜两侧平行切割掉部分球面，随后浸泡在第二材料膜层(4)内，当平行于光轴的入射光从半球状微透镜被部分切割的球面测入射时，通过被切割的球面的光线将不参与形成光斑，这有益于改善光斑的半高宽；通过未被切割的球面的光线因离光轴更远，形成具有更长工作距的焦斑，可应用在远场平行成像/光刻方面，提高特征尺寸接近或大于300nm的图案平行成像/光刻的效率。

权利要求

1.一种半球状微透镜，包括至少一个透镜镜体(2)，其特征在于：所述透镜镜体(2)为：选定标准微球透镜(2′)一个经过球心的面，在所述经过球心的面的两侧分别平行切割掉部分球面；

所述半球状微透镜还包括第二材料膜层(4)，所述透镜镜体(2)浸泡在第二材料膜层(4)中；

还包括第三基板(8)和第二粘性膜层(7)，所述第二粘性膜层(7)的两侧分别与所述第三基板(8)和第二材料膜层(4)连接。

2.根据权利要求1所述的一种半球状微透镜，其特征在于：所述第三基板(8)、第二粘性膜层(7)和第二材料膜层(4)均为透明且透光性好的材质。

3.根据权利要求1所述的一种半球状微透镜，其特征在于：所述透镜镜体(2)包括单个或多个透镜,所述多个透镜单层并列排布。

4.一种半球状微透镜制备方法,其特征在于：所述方法包括透镜镜体切割步骤：选定标准微球透镜(2′)一个经过球心的面，在所述经过球心的面的两侧分别平行切割掉部分球面；将所述透镜镜体浸泡在第二材料膜层(4)中，还包括设置第三基板(8)和第二粘性膜层(7)，所述第二粘性膜层(7)的两侧分别与所述第三基板(8)和第二材料膜层(4)连接。

5.根据权利要求4所述的一种半球状微透镜制备方法,其特征在于：所述切割包括第一次切割和第二次切割，第一次切割包括：移除覆盖在所述微球透镜(2′)顶端的第一材料膜层(3′)和第二材料膜层(4′)，然后去除所述微球透镜(2′)高于剩余第二材料膜层 (4″)的平面部分，得到第一样本；

第二次切割包括：去除所述微球透镜(2′)的另一侧高出剩余第二材料膜层(4″)的部分，并使微球透镜(2′)完全浸泡在剩余第二材料膜层(4″)中，得到第三样本；

所述切割采用刻蚀的方式。

6.根据权利要求5所述的一种半球状微透镜制备方法,其特征在于：方法还包括第一次切割固定和第二次切割固定，所述第一次切割固定包括：通过第一粘性膜层(5)将第二基板(6)与所述微球透镜(2′)被第一次切割后的一侧粘接在一起，然后溶解第一样本中的剩余第一材料膜层(3″)并剥离第一基板(1)，得到第二样本；

所述第二次切割固定包括：通过第二粘性膜层(7)将第三基板(8)与第三样本中剩余第二材料膜层(4″)粘接在一起；

所述第二次切割固定后包括组装步骤，所述组装包括：移除第四样本中的第二基板(6)和第一粘性膜层(5)。

7.根据权利要求6所述的一种半球状微透镜制备方法，其特征在于：在所述第一次切割之前包括在第一基板(1)上自组装平铺标准微球透镜(2′)，并在所得第一基板(1)上靠近微球透镜(2′)的一侧依次生长第一材料膜层(3)和第二材料膜层(4)的步骤；

所述使微球透镜(2′)完全浸泡在剩余第二材料膜层(4″)中包括：通过物理气相沉积法在第二样本中微球透镜(2′)另一被去除处理后的一侧继续垂直生长一定厚度的第二材料膜层(4)。

8.根据权利要求6所述的一种半球状微透镜制备方法，其特征在于：所述溶解第一样本中的剩余第一材料膜层(3″)并剥离第一基板(1)包括：将第一样本浸泡在仅能溶解剩余第一材料膜层(3″)的溶液中，待剩余第一材料膜层(3″)全部溶解后，剥离第一基板(1)。

说明书

一种半球状微透镜及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光学及电子技术领域，特别是涉及一种半球状微透镜及其制备方法。

背景技术

[0002] 随着半导体器件集成度增大，半导体器件上的元器件的尺寸趋于微纳米量级，更多场景下需要具有200nm‑400nm分辨率的成像系统或光刻系统。传统光学透镜由于受光学
衍射极限的限制，再加上光源质量、系统光路等影响，金相显微镜较难看清300nm大小的颗
粒。另外，传统透镜尺寸大，难于制成透镜阵列实现平行工作以提高工作效率。其他高分辨
成像系统，如原子力显微镜、扫描电子显微镜，不但设备本身成本高昂，且工作效率也较低。
在芯片制备领域，通常采取液浸传统透镜的方式压缩光斑，条件甚为苛刻；而电子束光刻、
离子束刻蚀由于输出效率低，在芯片领域几乎不被采用。

[0003] 平行光通过波长量级的微球透镜，可在其阴影侧附近形成具有超衍射极限尺寸的长焦斑，同时胶体微球透镜易于自组装获得大面积透镜阵列，正由于微球透镜对入射光优
异的聚焦特性和易于自组装的特点，已有科研工作者将微球透镜与传统光学显微系统结
合，实现了150nm宽度特征尺寸的成像，或直接将单层微球透镜阵列组装于光刻胶膜层上，
曝光、显影后可得最小约100nm特征尺寸的孔阵列。但微球透镜的不足在于工作距较短，约2
μm以内，不容易在远场情况下进行微球透镜阵列平行成像或平行光刻；目前尝试延长微球
透镜工作距的办法是双层/多层同心微球透镜，但对于外径约10μm的双层/多层同心微球，
其工作距一般也小于6μm，而聚焦光束的束腰半宽大于工作波长；标准单层/双层半球透镜
也具有较长的工作距，但与对应的双层同心微球透镜相比，其聚焦光束的半宽明显增大、光
强度下降。

发明内容

[0004] 本发明主要解决的技术问题是提供一种微球透镜，能够解决现有技术中微球透镜工作距较短、聚焦光束的束腰半宽较大以及光强度较低的问题，因此亟需设计一种具有较
长工作距、较窄亚波长光束束腰半高宽和光强度较高的微透镜，能应用于光学远场亚波长
成像或光刻，亦可平行成像或平行光刻。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种半球状微透镜及其制备方法。

[0006] 其中，一种半球状微透镜，包括至少一个透镜镜体2，所述透镜镜体2为：选定标准微球透镜2′一个经过球心的面，在所述经过球心的面的两侧分别平行切割掉部分球面。

[0007] 优选地，还包括第二材料膜层4，所述透镜镜体2浸泡在第二材料膜层4中，透镜镜体2的一个切面位于第二材料膜层4表面，也可使第二材料膜层(4)表面高出透镜镜体(2)的
该切面。

[0008] 优选地，还包括第三基板8和第二粘性膜层7，所述第二粘性膜层7的两侧分别与所述第三基板8和第二材料膜层4连接。

[0009] 优选地，所述第三基板8、第二粘性膜层7和第二材料膜层4均为透明且透光性好的材质。

[0010] 优选地，所述透镜镜体2包括单个透镜或多个透镜，所述多个透镜单层并列排布。

[0011] 一种半球状微透镜制备方法,所述方法包括透镜镜体切割步骤：选定标准微球透镜2′一个经过球心的面，在所述经过球心的面的两侧分别平行切割掉部分球面；

[0012] 所述切割包括第一次切割和第二次切割，第一次切割包括：移除覆盖在所述微球透镜2′顶端的第一材料膜层3′和第二材料膜层4′，然后去除所述微球透镜2′高于剩余第二
材料膜4″的平面部分，得到第一样本；

[0013] 第二次切割包括：去除所述微球透镜2′的另一侧高出剩余第二材料膜层4″的部分，并使微球透镜2′完全浸泡在剩余第二材料膜层4″中，得到第三样本；

[0014] 所述切割采用刻蚀的方式。

[0015] 优选地，所述溶解第一样本中的剩余第一材料膜层3″并剥离第一基板1包括：将第一样本浸泡在仅能溶解剩余第一材料膜层3″的溶液中，待剩余第一材料膜层3″全部溶解
后，剥离第一基板1。

[0016] 优选地，所述使微球透镜2′完全浸泡在剩余第二材料膜层4″中包括：通过物理气相沉积法在第二样本中微球透镜2′另一被去除处理后的一侧继续垂直生长一定厚度的第
二材料膜4。

[0017] 优选地，所述移除覆盖在所述微球透镜2′顶端的第一材料膜层3′和第二材料膜层4′采用包括超声移除、胶带或粘性膜粘附移除中的一种或者多种实现。

[0018] 本发明的有益效果是：(1)区别于现有技术，本发明将标准的微球透镜2′经过球心的面的两侧分别平行切割掉部分球面，并将得到的半球状微透镜浸泡在第二材料膜层4中，
当平行于光轴的入射光从半球状微透镜被部分切割的球面测入射时，通过被切割的球面的
光线将不参与形成光斑，这有益于减小光斑的半高宽；通过未被切割的球面的光线将参与
形成光斑，且因这部分光线离光轴更远，形成的光斑对应焦距(工作距)会更长；(2)本方法
制备的半球状微透镜，选用不同波长的平行光照射时，焦距几乎没改变，焦斑半高宽改变也
很小，因此，对工作波长具有较大范围内的兼容性；(3)该方法易于制备半球状微透镜阵列，
可用于远场平行成像、平行光刻，具有很大的市场前景。

附图说明

[0019] 图1是本发明一种半球状微透镜制备方法的流程图；

[0020] 图2是本发明一种半球状微透镜单元的示意图；

[0021] 图3是平铺微球透镜阵列的基板的剖面示意图；

[0022] 图4是在图3中沉积两种材料膜后的基板剖面示意图；

[0023] 图5是移除微球透镜上方的材料膜之后的基板剖面示意图；

[0024] 图6是将图5对应基板高温加热平面化膜层上方露出的微球，并刻蚀露出的微球面所得结果的剖面示意图；

[0025] 图7是将另一铺有粘性膜的基板与图6对应基板靠近待贴近、压紧的剖面示意图；

[0026] 图8是将图7所得基板浸泡在只可以溶解图4中沉积的第一层材料膜的溶液彻底溶解该膜层、并移除下方基板后的剖面示意图；

[0027] 图9是将图8对应基板高温加热平面化膜层上方露出的微球，并刻蚀露出的微球面所得结果的剖面示意图；

[0028] 图10为在图9中沉积和图4中沉积的第一层膜相同材料膜后的基板剖面示意图；

[0029] 图11为将第三块铺有粘性膜的基板与图10对应基板靠近待贴近、压紧的剖面示意图；

[0030] 图12为移除图11所得基板下方基板后的剖面示意图，即为制得的一种浸泡的半球状微透镜阵列的剖面示意图。

[0031] 图1‑图12中各数字标识说明：1、第一基板；2、透镜镜体；3、第一材料膜层；4、第二材料膜层；5、第一粘性膜层；6、第二基板；7、第二粘性膜层；8、第三基板；图中字母O表示微
球透镜的球心。

具体实施方式

[0032] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚和完整，以下结合实施例对本发明作进一步地阐述。

[0033] 实施例1

[0034] 如图2所示，一种半球状微透镜，包括至少一个透镜镜体2，所述透镜镜体2为：选定标准微球透镜2′一个经过球心的面，在所述经过球心的面的两侧分别平行切割掉部分球
面。

[0035] 进一步地，还包括第二材料膜层4，所述透镜镜体2浸泡在第二材料膜层4中，透镜镜体2的一个切面位于第二材料膜层4表面，也可使第二材料膜层(4)表面高出透镜镜体(2)
的该切面。

[0036] 本发明中该半球状微透镜的工作原理是：它的部分球面被平行于半球状微透镜的平面的平面切割去除，随后浸泡在材料膜层内，当平行于光轴的入射光从半球状微透镜被
部分切割的球面测入射时，通过被切割的球面的光线将不参与形成光斑，这有益于改善光
斑的半高宽；通过未被切割的球面的光线因离光轴更远，将形成具有更长工作距的焦斑。因
此，本发明的半球状微透镜相较于对应的标准微球透镜、半球透镜，在一定范围内波长的沿
光轴的平行光照射时，其具有更长的工作距、更窄(亚波长)的焦斑中心半高宽和较高的光
强度。

[0037] 进一步地，还包括第三基板8和第二粘性膜层7，所述第二粘性膜层7的两侧分别与所述第三基板8和第二材料膜层4连接。

[0038] 进一步地，所述第三基板8、第二粘性膜层7和第二材料膜层4均为透明均透明且在可见光、近紫外范围透光性良好，所述第三基板可以是任何材质的基板，其表面平整且经过
精抛光，且材料受热软化或熔点高于微球透镜材料的受热软化温度。

[0039] 透镜镜体2可以是任何透明介质材料制备的，如聚苯乙烯、二氧化硅、钛酸钡等，其直径范围可以在300nm～10mm。

[0040] 进一步地，所述透镜镜体2包括单个透镜或多个透镜，可以是单个的半球状微透镜，也可以是半球状微透镜阵列，根据实际的使用情况可以是多个透镜单层并列排布。

[0041] 实施例2

[0042] 在该实施例中，提供一种浸泡的半球状微透镜的制备方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

[0043] S1.如图3、4所示，在第一基板1上自组装平铺标准微球透镜2′，并在所得第一基板1上所述靠近微球透镜2′的一侧依次生长第一材料膜层3和第二材料膜层4；

[0044] S2.如图5、6所示，移除覆盖在所述微球透镜2′顶端的第一材料膜层3′和第二材料膜层4′，然后去除所述微球透镜2′高于剩余第二材料膜4″的平面部分，得到第一样本；

[0045] S3.如图7、8所示，通过第一粘性膜层5将第二基板6与所述微球透镜2′被去除处理后的一侧粘接在一起，然后溶解第一样本中的剩余第一材料膜层3″并剥离第一基板1，得到
第二样本；

[0046] S4.如图9、10所示，去除所述第二样本中所述微球透镜2′的另一侧高出剩余第二材料膜层4″的部分，并使微球透镜2′完全浸泡在剩余第二材料膜层4″中，得到第三样本；

[0047] S5.如图11、12所示，通过第二粘性膜层7将第三基板8与第三样本中剩余第二材料膜层4″粘接在一起，并移除第四样本中的第二基板6和第一粘性膜层5。

[0048] 进一步地，所述溶解第一样本中的剩余第一材料膜层3″并剥离第一基板1包括：将第一样本浸泡在仅能溶解剩余第一材料膜层3″的溶液中，待剩余第一材料膜层3″全部溶解
后，剥离第一基板1。将第二样本浸泡在仅能溶解第一材料膜3的溶液中，该溶液只能溶解第
一材料膜3，不溶解第二材料膜4、基板、微球透镜、半球状透镜和粘性膜。

[0049] 进一步地，在所述S1前还包括准备洁净、干燥、精抛光的第一基板1，所述S1中第一材料膜层3和第二材料膜层4的总厚度小于单层微球透镜的直径。

[0050] 进一步地，第一材料膜3和第二材料膜4的生长均采用物理气相沉积法，可以是电子束蒸发、脉冲激光沉积、磁控溅射或电阻热蒸发等薄膜生长方法中的一种或多种。

[0051] 进一步地，所述使微球透镜2′完全浸泡在剩余第二材料膜层4″中包括：通过物理气相沉积法在第二样本中微球透镜2′另一被去除处理后的一侧继续垂直生长一定厚度的
第二材料膜4。

[0052] 进一步地，所述移除覆盖在所述微球透镜2′顶端的第一材料膜层3′和第二材料膜层4′采用包括超声移除、胶带或粘性膜粘附移除中的一种或者多种实现。

[0053] 进一步地，所述S2和S4中对微球透镜2′的去除采用刻蚀的方式，可以是干法刻蚀，也可以选择湿法刻蚀。

[0054] 进一步地，所述基板可以是任何材质的基板，其表面平整且经过精抛光，且材料受热软化或熔点高于微球透镜材料的受热软化温度，微球透镜2可以是任何透明介质材料制
备的，如聚苯乙烯、二氧化硅、钛酸钡等，其直径范围可以在300nm～10mm。

[0055] 实施例3

[0056] 在一示例性实施例中，制备一种浸泡的半球状微透镜的方法，包括以下步骤：

[0057] (1)准备洁净、干燥、双面精密抛光的石英片，大小为：15mm*15mm。

[0058] (2)在(1)中准备的石英片的某一抛光面通过气液界面自组装方法，平铺得到单层微球透镜阵列，微球直径为4500nm，在光波长365nm附近微球材料折射率为1.55。

[0059] (3)通过电子束蒸发镀膜方法在(2)中石英片有微球透镜一侧依次垂直生长铜、氟化镁，生长速率约0.5nm/s，铜膜厚度为2000nm，氟化镁厚度为2500nm，总厚度为4500nm。

[0060] (4)结合超声清洗和机械剥离(蓝膜胶带剥离)移除(3)所得样片微球上方的氟化镁。

[0061] (5)将(4)中所得样片水平放入烘箱，烘箱内温度设为120℃，持续加热24小时，微球透镜高出氟化镁膜层的部分受热熔化平铺在氟化镁表面。

[0062] (6)通过反应离子束刻蚀微球，腔体内通入的气体是O2，氧流量为10cm3/min，功率为30W，待(5)中微球透镜高于氟化镁的平面部分刚被刻蚀掉，停止刻蚀。PS球刻蚀条件是，
刻蚀时间为6min，

[0063] (7)在另一洁净干燥精抛光硅片的抛光面准备PDMS膜，PDMS膜粘在(6)中氟化镁与半球阵列膜上。

[0064] (8)样片浸泡在稀盐酸内溶解铜膜并移除石英片，去离子水清洗样片，烘干。

[0065] (9)通过反应离子束刻蚀微球，刻蚀条件与(6)中相同，待(8)中微球透镜高于氟化镁的平面部分刚被刻蚀掉，停止刻蚀。

[0066] (10)通过电子束蒸发镀膜方法在(9)中样片上垂直生长氟化镁，生长速率约0.5nm/s，厚度为2000nm。

[0067] (11)在另一洁净干燥精抛光硅片的抛光面准备PDMS膜，PDMS膜粘在(6)中氟化镁与半球阵列膜上。

[0068] 按上述步骤要求制备的浸泡的半球状微透镜，在沿光轴方向传播的波长为365nm的平行激光照射下，形成的长焦斑的工作距(即焦距)/半高宽分别约为8697nm和362nm，长
焦斑有效长度约6070nm；当将此浸泡的半球状微透镜液浸在去离子水里，不改变照明光时，
形成的长焦斑的工作距/半高宽分别约为11452nm和362nm。此两种条件下焦斑中心的光强
度均是入射光强度的80多倍。并且当选用波长为400nm或325nm的平行光时(上述浸泡的半
球状微透镜仍然浸泡在去离子水里)，形成的长焦斑的工作距分别为11439nm、11837nm，焦
斑半高宽分别为383nm、333nm，焦距几乎没改变，焦斑半高宽改变也很小。本发明的的浸泡
的半球状微透镜，兼具了长的工作距、窄的光斑半高宽的优势，且对工作波长具有较大的兼
容性，因它具有很大潜力应用在远场亚微米平行成像和光刻领域。

[0069] 以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明的说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的
技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。