6. Изготовление матриц микролинз

Применение фотолитографии в процессе формирования микролинз позволяет изготавливать как единичные микролинзы, так и линейки или матрицы микролинз хорошего качества и с высокой точностью расположения элементов в растре [88–90].

Для изготовления матриц интегральных микролинз использовались стеклянные подложки от фотопластин. Предварительно тщательно очищенные пластинки размером 30  30  1,25 мм методом термического вакуумного напыления покрывались с обеих сторон слоем алюминия толщиной 1,5 мкм. На одной из сторон стеклянной пластинки, подготовленной таким образом, в маскирующем слое алюминия фотолитографией создавалась матрица круглых отверстий по числу формируемых микролинз. Диаметр отверстий в маске и расстояния между ними подбирались в соответствии с конечными размерами микролинз и режимами проведения электро­стимулированной миграции. В описываемом эксперименте диаметр отверстий в маске составил 50 мкм, расстояние между отверстиями вдоль оси X – 316 мкм, а вдоль оси Y – 237 мкм.

Поверхность пластинки со сформированными в маскирующем слое отверстиями приводилась в соприкосновение с расплавом солей AgNO₃ и NaNO₃, взятых в молярном отношении 1 : 1. Алюминиевая пленка на противоположной стороне пластинки выполняла роль катода. Анодом служил серебряный электрод, погруженный в расплав. Миграция ионов Ag⁺ из расплава солей в стекло происходила при температуре 380С и стимулирующем напряжении 30 – 40 В. При этом электрический ток изменялся в пределах 3,3  7,2 мА. Стимулированная внешним электрическим полем миграция ионов Ag⁺ в стеклянную подложку через круглые отверстия в маскирующем слое приводит к формированию областей с повышенным показателем преломления, имеющих форму полусферы. На рис. 66 изображена линейка сферических микролинз, наблюдаемых под микроскопом через торец стеклянной пластинки.

Рис. 66. Внешний вид линейки интегральных микролинз

Вариациями времени миграции и приложенного стимулирующего напряжения были сформированы четыре типа матриц, отличающиеся размерами микролинз. Так, для времени миграции 6 мин. при стимулирующем напряжении 30 В диаметр микролинз составил 147 мкм, увеличение времени миграции до 12 мин. при том же стимулирующем напряжении привело к увеличению диаметра микролинз до 172 мкм. При времени миграции 18 мин. были получены микролинзы диаметром 185 мкм, а увеличение времени миграции до 24 мин. с одновременным увеличением стимулирующего напряжения до 40 В вызвало увеличение диаметра микролинз до 237 мкм.

Изготовленные матрицы микролинз содержали по 1024 (32  32) элемента на площади 10 8,5 мм². На рис. 67 показан фрагмент матрицы интегральных микролинз. Для лучшего выявления формы и размеров отдельных микролинз микрофотосъемка производилась с помощью так называемого метода темного поля [91, 92].

Рис. 67. Фрагмент матрицы микролинз

Фокусное расстояние микролинз, измеренное на  = 0,63 мкм, составило 0,7 мм для линз диаметром 147 мкм, 0,82 мм – для линз диаметром 172 мкм, 0,9 мм –для линз диаметром 185 мкм и 1,2 мм – для линз диаметром 237 мкм.

Высокая степень идентичности параметров формируемых микролинз и их размеров, задаваемая фотошаблоном, позволяет использовать матрицу для мультиплицирования изображения. На рис. 68 показано мультиплицированное изображение буквы А, полученное с помощью матрицы сферических микролинз.

Диаметр фокального пятна у этих микролинз составил 10–14 мкм и может быть минимизирован при помощи дополнительной обработки (нагревом или сошлифовкой).

Рис. 68. Мультиплицированное изображение буквы А, полученное с помощью матрицы сферических микролинз.

Наличие резкой границы у микролинз, а также недостаточная сферичность у основания в непосредственной близости с поверхностью стекла приводят к ухудшению их оптических характеристик.

Улучшение оптических параметров сформированных микролинз проводилось путем послойного сошлифовывания подложки с линзами со стороны, находившейся в расплаве. Для этой цели использовались микролинзы, сформированные в стекле от фотопластин при помощи электростимулированной миграции ионов Ag⁺ из расплава AgNO₃ и NaNO₃ (1:1 моль) при температуре 380С и внешнем стимулирующем напряжении 40 В в течение 12 мин. Исследуемые микролинзы имели диаметр 150–170 мкм, фокусное расстояние 1–1,4 мм и диаметр фокального пятна около 8 мкм. Сошлифовывание части микролинзы, граничащей с поверхностью стекла, уменьшает нарушение сферичнос­ти, наблюдаемое у поверхности маскирующего слоя, и в целом улуч­шает оптические параметры линз. В результате эксперимента была выявлена зависимость диаметра фокального пятна от толщины сошлифованного с лоя, которая показана на рис. 69.

Рис. 69. Зависимость диаметра фокального пятна от толщины сошлифованного слоя

Как видно из рис. 63, сошлифовывание верхнего слоя стекла с сформированными в нем микролинзами на глубину 20–30 мкм с последующей полировкой приводит к уменьшению диаметра фокального пятна с 8 до 4 мкм, при этом фокусное расстояние практически не изменяется [90].

Дополнительный отжиг микролинз позволяет устранить резкую границу между линзой и стеклом. Рассасывание резкой границы между областью диффузии и стеклом обусловлено дополнительной диффузией ионов Ag⁺ в стекле. Микролинзы, подвергнутые дополнительному отжигу, обладают градиентом изменения показателя преломления. Мак­симальное значение показатель преломления имеет в центральной час­ти линзы и экспоненциально спадает на краях.

Изучение влияния дополнительного отжига на оптические пара­метры микролинз проводилось путем нагрева линз диаметром 150–170 мкм до 400°С и поддержания такой температуры в течение определенного времени с последующим измерением их диаметра, фокусного расстояния и размера фокального пятна (пятна Эйри). Проведенный эксперимент показал, что в процессе дополнительной диффузии наблюдается моно­тонное увеличение диаметра микролинз и их фокусного расстояния, при этом линзы теряют резкие очертания. На рис. 70 приведены интерферограммы микролинз, подвергнутых дополнительному отжигу на воздухе при температуре 400°С в течение 1, 4 и 7 ч. Рядом представлено распределение ионов Ag⁺ в микролинзах.

Как видно из полученных интерферограмм, линзы, отожженые до­полнительно в течение 4 и 7 ч, имеют плавный изгиб интерферен­ционных полос, что свидетельствует об отсутствии резкой границы между линзой и стеклом. Размер фокального пятна становится минимальным через час после начала дополнительной диффузии. Дальнейшее увеличение времени отжига приводит к увеличению его размеров.

1 ч

4 ч

7 ч

Рис. 70. Интерферограммы отожженных микролинз и распределение ионов серебра по их поверхности

На рис. 71 приведена зависимость диаметра фокального пятна от времени дополнительного отжига [93].

Рис.71. Изменение диаметра фокального пятна в зависимости от времени дополнительного отжига

Применение в процессе формирования микролинз подложек из сте­кол с повышенным содержанием оксидов щелочных металлов позволяет добиться более высокой концентрации ионов Ag⁺ в области диффу­зии и тем самым увеличить показатель преломления сформированных микролинз. Изготовленные на таких подложках короткофокусные мик­ролинзы имеют повышенную числовую апертуру и минимальный размер фокального пятна.

Для изготовления микролинз с увеличенной числовой апертурой в качестве подложки использовалось алюмосиликатное стекло C83-1, содержащее 74,2 % SiO₂, 8,5 % Al₂O₃, 10,6 % Li₂O, 4,2 % К₂O, 2,5 % ZnO.

Наличие большого количества Li₂O способствовало интенсивной диффузии ионов Ag⁺ из расплава в стекло. В результате в стекле C83-1 из расплава AgNO₃ при температуре 305  5°С и сти­мулирующем напряжении 20 В в течение 30 мин. были изготовлены микролинзы с отношением D/f = 0,34–0,36 и числовой апертурой NA = 0,17–0,18. Параметры микролинз, сформированных в стекле C83-1, сведены в табл. 5.

Т а б л и ц а 5

Параметры микролинз, сформированных в стекле С83-1

№ п/п	Диаметр линз D, мкм	Фокусное расстояние f, мкм	Фокальное пятно df, мкм	Относительное отверстие D/f
1	32	90	5	0,35
2	50	150	5	0,33
3	56	160	5	0,35
4	90	250	5	0,36
5	105	300	5	0,35
6	135	380	6	0,36
7	192	540	8	0,35
8	225	650	10	0,35

Перспективным в плане создания короткофокусных микролинз с большой числовой апертурой является стекло марки СФО, используемое в качестве оболочки при создании элементов ВОЛС.

В составе стекла СФО содержится 25 % Na₂O и 5 % Li₂O, что обусловливает получение высокой концентрации ионов Ag⁺ при проведении электростимулированной миграции из расплава AgNO₃ и NaNO₃, а следовательно, и больших значений n.

Оптические параметры микролинз, изготовленных в стекле СФО электростимулированной миграцией ионов Ag⁺ из расплава AgNO₃ и NaNO₃, взятых в моляр­ном отношении 1:1, приведены в табл. 6.

Числовые апертуры микролинз, сформиро­ванных в стекле СФО, достигают 0,29.

Т а б л и ц а 6

Параметры микролинз, сформированных в стекле СФО

№ п/п	Диаметр линз D, мкм	Фокусное расстояние f, мкм	Фокальное пятно df , мкм	Относительное отверстие D/f
1	37	60	4	0,62
2	50	80	4	0,63
3	62	100	5	0,62
4	93	150	5	0,62
5	102	170	6	0,60
6	118	190	8	0,62
7	130	220	13	0,59
8	160	270	15	0,59

В процессе изготовления микролинз при помощи электростимули­рованной миграции из расплава соли с использованием в качестве маски тонкого слоя алюминия довольно часто нарушается целостность маскирующего слоя, появляются проколы.

Причинами, вызывающими появление проколов в маскирующем слое, могут быть: плохая очистка подложки в процессе вакуумного осаждения алюминия, низкая чисто­та напыляемого материала, недостаточная толщина маскирующего пок­рытия и, наконец, физико-химические и термические взаимодействия маскирующего слоя с агрессивным расплавом.

Наличие структурных нарушений в маскирующем слое способству­ет появлению неконтролируемых зон диффузии ионов из расплава в стекло. Это приводит к возникновению дефектных областей с повышенным показателем преломления, искажению стимулирующего электри­ческого поля у маски, нарушению однородности диффузии и в конеч­ном итоге к искривлению и нарушению сферичности самих линз.

На рис. 72 представлен внешний вид матрицы микролинз со мно­жеством проколов и других нарушений маскирующего слоя.

Рис. 72. Внешний вид матрицы микролинз со множеством проколов

В каждом из таких нарушений формируется своя микролинза с неконтролируемы­ми параметрами. Если нарушения в маскирующем слое расположены в непосредственной близости с отверстием, сквозь которое формирует­ся микролинза, то происходит деформация изготавливаемой микролин­зы, а следовательно, и ухудшение ее оптических параметров.

Избавиться от проколов в маскирующем слое, а значит, улучшить сферичность и воспроизводимость микролинз можно только лишь созданием надежного, стойкого к физико-химическим и терми­ческим воздействиям маскирующего слоя [94]. Такой слой может быть сформирован непосредственно в стеклянной подложке заменой ионов Na⁺ в поверхностном слое на ионы Rb⁺. Ионы Rb⁺ обладают гораздо меньшей скоростью диффузии, чем ионы Na⁺ и Ag⁺ и при внедрении в матрицу стекла блокируют диффузию более подвижных ионов. Кроме того, слой стекла с внедренными ионами Rb⁺ практически не испы­тывает изменений в результате физико-химических и термических воздействий со стороны расплава AqNO₃.

Таким образом, улучшить сферичность и воспроизводимость ми­кролинз можно следующим образом.

На одной из поверхностей стеклянной пластинки формируются алюминиевые диски диаметром, составляющим 0,1–0,2 от диаметра изготавливаемых микролинз, а на противоположную сторону пластин­ки наносится сплошной слой алюминия, выполняющий в дальнейшем роль катода. В поверхность пластинки осуществляется электростимулированная миграция ионов Rb⁺ из расплава RbNO₃ , анод при этом погружен непосредственно в расплав. Затем алюминиевые диски удаляются, а в стеклянную пластинку внедряются ионы Ag⁺ из ра­сплава AqNO₃ под действием внешнего стимулирующего поля. В ре­зультате в стекле формируются микролинзы, имеющие хорошую сферичность, а в промежутках между ними отсутствуют неконтролируемые зоны с повышенным показателем преломления.

В соответствии с этой схемой на стекле от фотопластин был реализован способ, позволивший улучшить качество микролинз. Для этого стеклянная пластинка размером 30  30  1,25 мм пок­рывалась при помощи термического вакуумного напыления алюминием толщиной 1,5 мкм, из которого жидкостной фотолитографией формиро­вались диски диаметром 20 мкм. На противоположную поверхность стеклянной пластинки также наносился слой алюминия толщиной 1,5 мкм, выполнявший в дальнейшем роль катода. Стеклянная пластинка поверхностью с алюминиевыми дисками приводилась в соприкосновение с расплавом RbNO₃, в котором был погружен анод. К аноду и катоду прикладывалось постоянное стиму­лирующее напряжение величиной 20 В, под действием которого в по­верхность подложки осуществлялось внедрение ионов Rb⁺ при тем­пературе 380  2°С в течение 3 мин. По окончании миграции ионов Rb⁺ алюминиевые диски удалялись путем травления в раст­воре КОН. Затем в подложку осуществлялась электростимулированная миграция ионов Ag⁺ из расплава AgNO₃ при температуре 250  2°С в течение 30 мин. и внешнем стимулирующем напряжении 50 В. В результате миграции ионов Ag⁺ в стекле были сформированы микролинзы полусферической формы диаметром 160 мкм.

На рис. 73 представлен внешний вид матрицы микролинз, изготовленной согласно описанному способу.

.

Рис. 73. Внешний вид матрицы улучшенных микролинз

В промежутках между микролинзами, заполненными ионами Rb⁺, со­вершенно отсутствуют проколы или какие-либо другие структурные нарушения.

Полученные микролинзы имели хорошую сферичность, что было обусловлено отсутствием неконтролируемых зон миграции ионов Ag⁺.