5.3. Изготовление и исследование интегральных

микролинз полусферической формы

Микролинзы полусферической формы изготавливались на подложках из стекла К8 и стекла от фотопластин (ФП) методом электростимулированной миграции ионов из расплава соли.

Очистка подложек осуществлялась путем тщательной протирки в ацетоне. К качеству очистки подложки предъявляются высокие требования, поскольку незначительные загрязнения приводят к снижению качества напыленного маскирующего покрытия, появлению в нем проколов и ухудшению формируемых в нем линз. Финишная очистка осуществлялась тлеющим разрядом под колпаком вакуумной установки «Альфа-Н1» непосредственно перед нанесением маскирующего покрытия в течение 10 мин. По окончании очистки вакуум в камере увеличивался до 10^-5 – 10^-6 мм рт. ст. и производилось термическое испарения алюминия. Таким образом на одну из сторон стеклянной пластинки наносилось маскирующее покрытие в виде тонкого слоя алюминия толщиной 1–1,5 мкм. В маскирующем слое алюминия с помощью фотолитографии вытравливались круглые отверстия диаметром 550 мкм. Для этого на напыленный слой алюминия методом центрифугирования наносилась тонкая пленка позитивного фоторезиста ФП–383, которая затем сушилась в сушильном шкафу при температуре 90С в течение 15 мин. Затем фоторезист экспонировался через соответствующий фотошаблон УФ-излучением. Поскольку металлом, подлежащим травлению, является алюминий, который травится в растворах щелочей, то операции проявления фоторезиста и травления алюминия были совмещены. Они проводились в 0,25%–м растворе КОН. Остатки фоторезиста смывались с поверхности алюминиевой пленки ацетоном.

Плоский электрод-катод, наносимый на противоположную поверхность стеклянной пластинки, должен удовлетворять следующим требованиям: обеспечить надежный контакт с металлическим контактом устройства погружения, не разрушаться за время технологического процесса, обеспечивать устойчивость протекания (без закорачивания) электрического тока в процессе проведения электростимулированной миграции.

Для устранения возможности короткого замыкания между катодом и расплавом соли напыление электрода осуществлялось не на всю поверхность стеклянной подложки, а только на ее центральную часть. Данная технологическая операция выполнялась путем термического напыления электрода-катода через специальную маску. При этом толщина напыленного слоя алюминия составляла 1 мкм.

Далее стеклянная подложка с маскирующим покрытием и электродом-катодом помещалась в металлическую лодочку устройства погружения образцов таким образом, чтобы маскирующее покрытие было обращено к лодочке, а катод имел надежный контакт с металлическим стержнем, игравшим роль подвижного контакта (рис. 20). Стеклянная пластинка при помощи устройства погружения приводилась в контакт с расплавом соли AgNO₃, либо смеси солей AgNO₃ и NaNO₃, взятых в соотношении 1:1.

Электростимулированная миграция ионов Ag⁺ из расплава соли в стекло осуществлялась при температуре 300380С и внешнем стимулирующем напряжении 4070 В, прикладываемом между катодом и анодом, погруженным в расплав соли, в течение 3060 мин. По окончании заданного времени миграции стеклянные подложки промывались от остатков расплава и погружались в 30% раствор КОН для удаления алюминиевого маскирующего слоя и катода. После окончательной промывки в воде и сушки исследовались оптические свойства изготовленных микролинз.

Измерение диаметров отверстий в маске, диаметров изготовленных микролинз, фокусного расстояния и диаметра фокального пятна проводилось при помощи микроскопа ERGAWAL и микрометра окулярного винтового МОВ-1-15^ в свете гелий-неонового лазера (=0,63 мкм).

В табл. 1–3 сведены результаты измерений оптических параметром изготовленных микролинз.

Т а б л и ц а 1

Параметры сферических микролинз, полученных методом ЭСМИ в стекле К8

№ п/п	Диаметр линз D, мкм	Фокусное Расстояние F, мкм	Диаметр фокального пятна DF, мкм	Числовая апертура NA
1	23	120	13	0,09
2	30	170	14
3	40	220	14
4	80	470	15
5	94	520	15
6	160	940	16
7	175	1050	16
8	186	1120	16

В табл. 1 приведены оптические параметры микролинз, полученных при следующих режимах электростимулированной миграции ионов:

расплав солей – AgNO₃ и NaNO₃ (1:1),

температура процесса миграции – 380С,

внешне стимулирующее напряжение – 70 В,

время процесса миграции – 30 мин.

Т а б л и ц а 2

Параметры сферических микролинз, полученных методом ЭСМИ в стекле от фотопластин

№ п/п	Диаметр линз D, мкм	Фокусное Расстояние F, мкм	Диаметр фокального пятна DF, мкм	Числовая апертура NA
1	65	300	8	0,11
2	80	360	8
3	150	700	10
4	170	830	12
5	185	900	12
6	240	1200	14
7	265	1350	15
8	300	1570	15

В табл. 2 приведены оптические параметры микролинз, полученных при следующих режимах электро­стимулированной миграции ионов:

расплав солей – AgNO₃ и NaNO₃ (1:1),

температура процесса миграции – 380С,

внешне стимулирующее напряжение – 40 В,

время процесса миграции – 45 мин.

Т а б л и ц а 3

Параметры сферических микролинз, полученных методом ЭСМИ в стекле от фотопластин

№ п/п	Диаметр линз D, мкм	Фокусное Расстояние F, мкм	Диаметр фокального пятна DF, мкм	Числовая апертура NA
1	47	140	6	0,15
2	56	170	6
3	65	200	6
4	75	240	7
5	90	280	7
6	120	390	8
7	130	420	9
8	140	450	10

В табл. 3 приведены оптические параметры микролинз, полученных при следующих режимах электростимулированной миграции ионов:

расплав солей – AgNO₃,

температура процесса миграции – 300С,

внешне стимулирующее напряжение – 40 В,

время процесса миграции – 60 мин.

Качество изображения, получаемое при помощи изготовленных микролинз, оценивалось по дифракционному изображению бесконечно удаленной светящейся точки. Этот метод позволяет определить наличие у микролинз аберрации, комы, астигматизма, наличие неоднородностей и натяжений в стекле и в области миграции. Незначительные отступления от сферичности поверхности микролинз вызывают искажение фокального пятна [82].

Д ифракционное изображение, получаемое микролинзой в фокальной плоскости, рассматривалось и измерялось при помощи микроскопа. При этом изображение в фокальной плоскости имело вид правильного кружка Эйри с яркой центральной частью, окруженной одним или двумя более слабыми по интенсивности кольцами. Размеры кружка Эйри принимались в качестве размеров фокального пятна. Для более точного определения размеров фокального пятна необходимо было получить распределение интенсивности оптического излучения в фокальной плоскости. Это осуществлялось следующим образом (рис. 47).

Рис. 47. Схема установки для исследования распределения интенсивности оптического излучения в фокальной плоскости

Излучение гелий-неонового лазера фокусируется микролинзой (1), сформированной в стеклянной подложке (2). Микрообъектив (3) служит для получения увеличенного изображения фокального пятна (4).Фотоприемник (5), закрепленный на каретке графопостроителя (6) перемещается вдоль изображения фокального пятна (по его диаметру) с постоянной скоростью. Сигнал от фотоприемника (5) подавался на вход «Y» графопостроителя. Таким образом фотоприемник перемещался вдоль изображения, полученного микролинзой в фокальной плоскости, а изменение интенсивности оптического излучения вдоль линии сканирования вызывало отклонение пера графопостроителя по оси Y. На рис. 48 изображен внешний вид кольца Эйри, получаемого в фокальной плоскости микролинзы, и распределение интенсивности оптического излучения в фотометрируемой области.

Рис. 48. Внешний вид фокального пятна и распределение

интенсивности оптического излучения

в фокальной плоскости исследуемой микролинзы

Как видно из рис. 48, оптическое излучение с длиной волны =0,63 мкм фокусируется микролинзой диаметром 120 мкм в пятно диаметром 8 мкм, при этом диаметр кольца Эйри составляет 25 мкм.

Оптические свойства микролинз во многом зависят от однородности распределения диффузанта в стекле, от рода и качества подложки, размера отверстия в маскирующем слое. Измерение распределения оптической толщины в области миграции позволяет выявить свильность, обусловленную материалом подложки либо нестабильностью процесса диффузии, нарушение сферичности и несовершенство формы линз.

Распределение оптической толщины в области микролинзы можно определить из интерференционной картины, получаемой при помощи микроинтерферометра, представленного на рис. 32.

На рис. 49 показана интерференционная картина собирающей сферической микролинзы диаметром 60 мкм.

Рис. 49. Интерференционная картина собирающей

сферической микролинзы

На фотографии видно, что оптическая толщина микролинзы имеет максимальное значение в центре и плавно уменьшается к краям линзы. Резкий изгиб интерференционных полос на краях микролинзы свидетельствует о наличии четко выраженной границы между областью, где произошел ионный обмен Na⁺Ag⁺ и где его не было. Полученная интерференционная картина позволяет судить о сферичности изготовленных микролинз и соответствует изменению оптической толщины в различных точках области миграции. Если считать, что показатель преломления в области миграции имеет одинаковое значение, что наблюдается и в действительности, то изменение оптической толщины зависит в основном от формы самой микролинзы.

Дополнительные исследования распределения ионов Ag⁺ в области миграции, проведенные с помощью электронного зонда микроанализатора Camebax SX50, подтвердили равномерность распределения ионов Ag⁺ по всему объему микролинз и наличие резкой границы между линзой и стеклом. Предназначенные для исследования стеклянные подложки с микролинзами распиливались алмазной пилой по плоскости А А₁ В₁ В (рис. 50), а затем поверхности, получившиеся в результате распила, шлифовались и полировались.

Исследование распределения диффузанта в области миграции проводилось как на поверхности микролинзы, на плоскости, соприкасавшейся с расплавом, так и по глубине микролинз, вдоль главной оптической оси линзы О–О₁ по плоскости А₁ А В В₁ .

На рис. 51 и 52 изображен внешний вид микролинз, наблюдаемых на экране растрового электронного микроскопа, совмещенный с графиками, полученными электронным зондом микроанализатора, и характеризующими распределение ионов Ag⁺ вдоль линии сканирования.

Рис. 50. Схема подготовки микролинз для исследования с помощью микроанализатора с микрозондом

Camebax SX50

Рис. 51. Распределение ионов серебра в области микролинзы вдоль линии О–О₁

Рис. 52. Распределение ионов серебра и кремния на

поверхности микролинзы

На рис. 51 линия сканирования совмещена с графиком распределения ионов серебра, а на рис. 52 она проходит через центр микролинзы. Вверху расположен график распределения кремния вдоль линии сканирования, а внизу –график распределения серебра вдоль той же линии. Как видно из графиков, распределение ионов серебра в области миграции равномерно, на границе области происходит резкий спад концентрации мигрирующих ионов. Небольшой пик концентрации ионов серебра за пределами микролинзы обусловлен наличием ионов серебра, проникших в стеклянную подложку через прокол в маскирующем слое. В то же время на поверхности стеклянной подложки в области миграции наблюдается некоторое снижение содержания кремния, вызванное, по-видимому, химическими изменениями в структуре стекла, происходящими в процессе электростимулированной миграции ионов серебра и оттоком ионов натрия.

Распределение ионов Ag⁺ по глубине микролинзы вдоль оптической оси О–О₁ (рис. 50) также имеет ступенчатую форму (рис. 51), что свидетельствует о равномерности распределения ионов серебра в стекле и о наличии резкой границы между областью миграции и стеклом.