微透鏡之理論分析與模擬

微透鏡的設計理論較閃耀式光柵單純，主要只須考慮入射光之折射現象。為 了與下方之光電轉換電路在位置上有所匹配，故微透鏡之尺寸大小須與光電轉換 電路之畫素大小相同。參考業界之應用，我們將微透鏡之寬度取為 25µm，基材 厚度取為 60µm。當微透鏡之寬度決定後，剩下必須決定的就是微透鏡之曲率，

即其焦距之選擇。

在曲率選擇前，此透鏡之屬性並非為薄透鏡，故無法以公式解直接計算所需 之曲率。因此本部分的計算，將採用光路模擬軟體 Light tool 5.0 來模擬入射光經 微透鏡後之聚焦結果。

在模擬的過程中必須注意，微透鏡之聚焦能力不能太強，否則可能會造成分 色片之基材因能量太高而融化，或使入射光提早發散的及他不良結果，如圖2-5。

微透鏡聚焦能力太強還會造成繞射效果不明顯的後果。因為在我們的設計中，微 透鏡下方的元件為閃耀式光柵，但若受到入射光照射的光柵數太少的話，將會使 原本預期的繞射現象變為折射現象。因為各別一個閃耀式光柵相當於一個微小之 三稜鏡，因此若遭入射光照射的光柵數目少於2 個以下的話，則光柵等於失去其 繞射之效果，而只能造成入射光有折射的現象。圖2-6說明了光柵數目與折射、

繞射相互比例之間的關係。因此，本研究針對透鏡之聚焦特性進行模擬後得知，

當透鏡的中心高度值約為2um、曲率半徑約為 80um 時，其焦距到達 162um，且 入射光照射到光柵上之寬度亦達15um 以上，由此可知，在光柵週期寬度為 3um 的情況下，此一聚焦之光束可照射的範圍會大於5 個光柵，使繞射效率達大於折 射現象，概念如圖 2-7所示。

圖 2-5 入射光太過集中，可能造成基材破壞，與繞射效應不明顯

圖2-6光柵數目與折射、繞射相互比例之間的關係

圖2-7 光線經透鏡收束於光柵之模擬圖

第三章 創新型微光學增光分色片之製作

將光阻或在 Si 基板上(CABIE method) 製作出 3-D 之微型光學元件

利用微精密電鑄或其它翻製方法(PDMS)將 3-D 之 微光學元件轉移至金屬模具或高分子材料上

微熱壓 微射出成型 其它成型方法……

Si

完成微型光學元件之製作 精密塑膠複製成型

Hea ter

Si

圖 3-1微增光分色元件設計與製作流程

3.2 灰階光罩之介紹與製作

而在完成光學元件之設計後，下一步的關鍵工作將是利用光學微影及其它成 形技術將光學元件予以實體化。由於增光分色片微結構尺寸均以微米(µm )為單 位，其母模須以微機電製程來製作。又因微透鏡及光柵特殊形狀，本研究將採取 一種新式的製作法，即灰階光罩(Gray Mask)的製作技術。灰階光罩為近年所發展 的新技術，此技術的興起對於複雜外形微型元件的製作，有了極為重要的突破。

以往製作具曲線或斜線外形光學元件時，使用傳統二元式光罩(Binary Mask)，為 了達到使元件表面輪廓更接近連續相位曲線，在相位階數的選取，與光學微影製 程時所遇到的光罩對準問題，帶來極高的難度與耗費、耗時。然而，灰階光罩技 術的出現，不僅大大的減少上述的困擾，更使得繞射式光學元件在效率上大幅升。

傳統二元式光罩只具備透光與不透光特性，須靠著多次的曝光、顯影與蝕刻 的方法，才能勉強得到近似的效果，然而在多次製程誤差的累積後，光學效率早 已大打折扣。灰階光罩技術允許製作具有不同透光度與灰度之灰階分佈，如圖 3-2 所示，因此可藉由灰階與透光率之掌控一次完成光學微影製程，節省製程耗 費與時間。為提升效率與發展新製程能力，灰階光罩列入本計畫重點之一，同時 製作出具特定高低起伏之光學元件輪廓。

本計畫預計採用HEBS 灰階光罩，其原理乃是利用電子束來掃描高能量敏感 之玻璃基材，並以控制電子束能量的方式，決定基材之灰度與灰階效果。所用之 電子束照射光點為 0.1µm，故最小解析度達 0.1µm，對於光學元件或是需要小線 寬的元件而言，由 HEBS 玻璃所製作之灰階光罩是非常合適的工具。灰階光罩在 設計與製作時，其條件、參數的控制與掌控必須非常精確與嚴密。為了得到一外 形、輪廓符合要求之微透鏡及閃耀式光柵，我們必須充分掌握光阻之高度、表面 特性與特定烘烤條件、曝光條件、顯影條件之相對關係。而這些關鍵技術之研究 開發，亦是此計畫之一項重要效益。

圖3-2 閃耀式光柵之灰階光罩圖案

灰階光罩的使用，主要是利用光阻或其他感光材料對不同光強的敏感度與選 擇比，藉由控制不同位置顯影速率的方式，來決定材料顯影後之外形與輪廓。簡 單的說，即光阻受光量較多的部份，其顯影時反應的速率較快；而受光量較少的 部份，則其顯影時的速率則相對較慢。利用不同區域間顯影速率的差異，便可製 造出具特定高低起伏之微結構與輪廓，如圖3-3 所示。

圖3-3 灰罩光罩微影製程示意圖

影響光阻敏感度與選擇比的參數有很多，而光阻先天特性是考量的重點，

為得到一外形、輪廓符合要求之閃耀式光柵，須知道光阻之高度、表面特性與 特定烘烤條件、曝光條件、顯影條件之相對關係。此步驟需先決定最佳之製程 參數，並建立光阻特性與光密度值之特性曲線關係，在此，我們先以灰階光罩 之校正片進行測試，來找出此一關係，其做法為設計製作出光密度值 0 至 1.5，

灰階階數 200 階，每一階為 5 μm 之校正片，對此校正片進行相同參數之製程

過程後，對光阻之殘留高度進行量測，再繪出光阻殘留高度與光密度值之間關 光罩設計、佈局軟體，如AutoCAD、Cadence 等軟體，完成光學元件的設計。

光密度(O.D) v.s 光阻厚度

圖3-5 運用灰階光罩製作微光學元件流程圖

圖 3-6 即為本團隊設計之灰階光罩外型圖。在實際進行灰階光罩製作前，

必須向製造商定出我們所需之規格，我們分述如下：

圖3-6 灰階光罩設計圖

閃耀式光柵：

我們設定其每一灰階之寬度為 0.2μm，而一個閃耀式光柵有六階之灰階，

且光柵間之距離設定為0.4μm，光密度值依序由 0.1 至 0.8 之間分佈，所需要的 光柵總面積為5mm× 5mm。由此一例子，我們可以計算出先柵的週期寬度為 0.2

×6+0.4 = 1.6μm。而其中灰階之階數，我們分別設計由六階至十八階不等，故光 柵之週期寬度亦隨之而不同，如圖3-7所示。

圖3-7 閃耀式光柵灰階光罩設計示意圖

微透鏡：

對於微透鏡來說，我們規定其光密度值由 0 至 1.0 分佈，透鏡之直徑為 25 μm、曲率半徑為 80μm 與每一圈灰階之寬度為 1μm，如圖3-8 所示。

圖 3-8微透鏡灰階光罩設計示意圖 設定完上述之規格後，便可向灰階光罩製造廠訂製。

3.3 光微影製程

完成光學元件之設計後，下一步的工作關鍵將是利用光學微影及其它成形技 術將光學元件予以實體化。而光學微影時所採用的所有實驗參數，必須與設計灰 階光罩時，所採用之參數相同，否則光阻於微影後之輪廓與外形將會與預期的狀 況有所不同。在光學微影這個步驟，我們所主要使用的機台有光阻塗佈機、加熱 板、曝光機及製程中元件量測時所需之表面輪廓儀( Surface Profiler )、原子力顯 微 鏡( Atomic Force Microscope, AFM ) 、 電 子 顯 微 鏡 ( Scanning Electronic Microscope, SEM )等。

本階段進行步驟如圖3-9 所示，並詳細說明如下：

Clean HMDS Photoresist

Exposure Development

Hard-bake Soft-bake

Evaporator Electroplating

圖3-9 微光學元件製作流程圖 a. 基材表面的清潔(Clean)：

為了維持基材表面的清潔，增加光阻與基材之間的附著性，使光阻顯影時不 致脫離基材表面而影響了光學元件之良率。另外在本文的設計中，光學元件的尺 寸都屬微米等級，在基材表面若有其它顆粒與雜質時，也將會影響微影後的結 果。因此基材表面的清潔雖然不是製程的關鍵，但為了不影響後續的製程的良 率，確實的做好基材表面的清潔將可省去大量之錯誤與失敗。

b. 去水烘烤：

清洗後的基材表面將留有大量的水分子，若此時不加以烘烤將使光阻與基材 表面附著力下降。因此，此時必須以高溫約 120℃持續烘烤約 30 分鐘左右，使 基材上的水分子完全去除。

c. 光阻塗佈(Photoresist coating)：

本研究預計所使用的塗佈方法為旋轉塗佈。為了能得到適當的光阻厚度，必 須同時考慮到光阻的黏性與機台之轉速。當轉速較快時，因離心力的作用，光阻

3000rpm~6000rpm 之間，塗佈的時間約 40 秒。

d. 軟烤(Soft-bake)：

軟烤在灰階光罩的使用時，佔有相當關鍵的地位。軟烤的目的主要是在將光 阻液內之溶劑成份去除並固化光阻。太高的溶劑成份會造成光阻中”已曝光”與”

未曝光”的光阻選擇性變差；而光阻若烤的太過乾燥時，光阻對於光源將會變得 不敏感，並將使顯影的步驟變得較不順利。一般來說，軟烤主要使用兩種方法，

一種是藉由烤箱，以熱對流的方式進行軟烤；而另一種是利用熱墊板(Hot Plate)，

以熱傳導的方式，將光阻內之溶劑成份去除。在我們的研究中，我們採取熱墊板 加熱的方式來進行。熱墊板的好處是因為熱源直接從熱墊板來，所以光阻內的水 份是由內而外的離開光阻。可避免使用烤箱軟烤時，因光阻表面光固化，使光阻 內部的水份被限制在光阻內，而無法離開光阻，造成光並內水份較多，且較不均 勻。

e. 曝光(Exposure)：

所使用的曝光機為德國製KARL SUSS 之雙面對準曝光機。曝光的目的，針 對一般之正光阻來說，其作用主要是要將光阻內之感光成份，經光源照射後轉換 成具弱酸性之物質，並藉由和鹼性之顯影液行中和反應後脫離，而將所欲製作之

所使用的曝光機為德國製KARL SUSS 之雙面對準曝光機。曝光的目的，針 對一般之正光阻來說，其作用主要是要將光阻內之感光成份，經光源照射後轉換 成具弱酸性之物質，並藉由和鹼性之顯影液行中和反應後脫離，而將所欲製作之