بخشی از مقاله
ساخت آرایههاي میکروعدسی با استفاده از لیزر اگزایمر به روش بازشارش گرمایی نجیبه فتحاالله زاده، مهدي سویزي، محمد خانزاده، سید محمد باقر مرعشی گروه فیزیک، دانشگاه ولی عصر - عج - رفسنجان، کرمان هدف از این کار، ساخت آرایه هاي میکروعدسی با روش بازشارش گرمایی با استفاده از نور لیزر اگزایمر می باشد. مراحل انجام کار شامل لایه نشانی مس، تولید ماسک، لایه نشانی فوتورزیست، نوردهی فوتورزیست لایه نشانی شده به وسیله لیزر اگزایمر، قرار دادن نمونه در مایع ظهور و سپس ذوب نمونه میباشد.
ابتدا به روش تبخیر حرارتی لایهاي از مس روي زیر لایه شیشه قرار گرفته است سپس طرح مورد نظر در ابعاد میلی متري روي لایه مسی ایجاد شده است. مرحله بعدي کار لایه نشانی فوتورزیست می باشد که به روش لایه نشانی چرخشی انجام شده است. با استفاده از لیزر اگزایمر و تصویر کردن طرح ماسک روي نمونه، طرح هاي مورد نظر روي فوتورزیست ایجاد میشود و پس از ظهور و ذوب آرایههاي میکرو عدسی ایجاد میگردد.
-1 مقدمه
میکرواپتیک یک فناوري کلیدي می باشد که کاربردهاي زیادي در انتقال اطلاعات از راه دور، خودکار کردن صنعت، نورپردازي، ایمنی و امنیت محصولات مصرف کنندهها و... دارد. این فناوري انجام کارهاي زیادي کهقبلاً غیر قابل حصول بوده اند را ممکن می سازد. میکرواپتیک عملکرد محصولات را ارتقاء داده، ضمن اینکه هزینه، حجم و وزن را کاهش میدهد. براي بهبود شکست و پراش طرحهاي میکرواپتیک، از فناوريهاي ساخت مثل تمامنگاري، قلمزنی پلاسما، لیتوگرافی پرتو x ، لیتوگرافی پرتو الکترونی، لیتوگرافی پروتون و غیره استفاده میشود.[1] اولین پروژه تحقیقاتی میکرواپتیک در سال 1664 توسط رابرت هوك براي ساخت عدسی هاي کوچک ارائه شد.
[2] او انتهاي یک تار نوري نازك از شیشه ونتاین را ذوب کرد که تحت عمل تنش سطحی، به نیمکره تبدیل شد، سپسرا آنها در یک سطح شیبدار قالب گیري کرد و سمت صاف آنها را صیقل داد. عدسیهاي ساخته شده با این روش داراي کیفیت خوبی بودند که میتوانستند به عنوان عدسی شییء میکرسکوپ مورد استفاده قرار گیرند. 200 سال بعد یعنی در سال 1864 لیپمن کاربردهاي تازهاي براي آرایه اي از عدسیهاي کوچک پیشنهاد کرد. یکی از کاربردها ثبت عکسهاي سه بعدي توسط آرایهاي از عدسیهاي دو طرف محدب است. در دهه 1940 دنیس گابور آرایه اي از عدسیهاي کوچک را به صورت سیستمهاي مرکبی به نام ابرعدسی مورد استفاده قرار داد که در عمل کار عدسی هاي بزرگ متداول را انجام می داد.
بعد از دهه 1980 کاربردهاي فوتونیکی آرایه میکروعدسی علاوه بر کاربردهاي الکترونیکی آنها مورد توجه قرار گرفت. استفاده از فناوريهاي ساخت بر اساس ویفرهاي سیلیکونی براي ساخت آرایههاي میکروعدسی موجب پیشرفت در این زمینه شد. بالا رفتن کیفیت میکروعدسی ها کاربرد وسیعی را براي آنها به همراه داشت. به موازات این پیشرفتهاي جدید آرایههاي بزرگی از عدسیهاي بسیار کوچک براي طرح عکاسی لیپمن و ابرعدسیهاي گابور ساخته شده است.
[3] در این کار نخست با استفاده از روش تبخیر حراراتیبه لایه هایی ضخامت 15 میکرون از جنس مس را بر روي زیر لایه شیشهاي قرار دادیم. سپس از نمونه لایهنشانی ماسکی به ابعاد 13/2×13/2 - میلیمتر× میلی متر - تهیه نمودیم و در انتها با تابش لیزر اگزایمر روي ماسک و کوچک کردن تصویر ماسک طرح آن را روي فوتورزیست در ابعاد میکرونی ایجاد کرده و پس از ظهور و ذوب میکرو عدسی ایجاد گردید.
-2 مراحل ساخت
-1-2 لایهنشانی مس
روشهاي تهیه لایه نازك رااساساً میتوان به دو گروه روشهاي شیمیایی و روشهاي فیزیکی تقسیمبندي کرد.[5] در این کار جهت انجام لایهنشانی از روش فیزیکی لایه نشانی تبخیر حراراتی در خلاء استفاده شده است. این روش لایههاي بسیار خالص کاملاًو مشخصی ایجاد میکند. اما قبل از اینکه یک زیر لایه بتواند مورد استفاده قرار گیرد، بایستی به اندازه کافی تمیز شود. راههاي متعددي - شیمیایی و فیزیکی - براي تمیز کردن زیرلایه وجود دارد.
زیر لایههاي شیشهاي در ابتدا با محلول آب و صابون و سپس با آب مقطر شستشو داده شده است. سپس آنها را روي صفحهي داغ در دماي 200 درجه سانتیگراد به مدت 100 دقیقهسریعاًقرار داده و آن ها را سرد کردیم. براي رسیدن به درجهي تمیزي مطلوب زیرلایهها را بر روي نمونهگردان داخل دستگاه لایه نشانی قرار داده و به مدت 2 ساعت دماي محفظه فولادي را برابر 150 درجه سانتیگراد و فشار داخل آن را برابر 4/3×10-4 تور تنظیم نمودیم. به طور همزمان مقداري مس در بوته ذوب قرار داده میشود.
شرایط دمایی و فشار داخل محفظه علاوه بر تمیز سازي سطوح زیرلایهها باعث تمیز شدن سطوح خارجی مس و سطوح داخلی محفظه خلا میگردد. این کار مزایاي دیگري نیز دارد که از جمله ي آن میتوانیافتنبهکاهش دماي تبخیر مس و خلوص بیشتر لایهي نازك اشاره کرد. بوته ذوب از مقاومت الکتریکی بالا، دیرگداز بودن و رسانایی گرمایی بالا برخوردار است. با عبور جریان الکتریکی با شدت بالا از بوته ذوب، مس داخل آن تبخیر میگردد.
در این حالت دماي محفظه به 80 درجه سانتیگراد و فشار آن به 3/2×10-5 تور کاهش مییابد. در اثر مقاومت الکتریکی بالاي بوته ذوب، حرارت زیادي تولید می شود که زمینهي ذوب شدن مس را فراهم میکند. به تدریج اتمهاي مس با دریافت انرژي از فاز جامد به فاز گازيشروعمی روند و لایهنشانی میشود. با روش ذکر شده توانستیم در مدت زمان 2 ساعت و 4 دقیقه لایهاي از مس به ضخامت 15 میکرومتر روي زیر هالایه لایهنشانی نمائیم که در مراحل بعدي از نمونههاي لایهنشانی شده براي ساخت ماسک و نمونه نهایی استفاده خواهد شد.
-2-2 ساخت ماسک
روشی که براي ساخت ماسک استفاده کردیم مشابه روش تهیه فیبر مدار چاپی میباشد. براي این کار ابتدا طرح موردنظر را در ابعاد 13/2×13/2 - میلیمتر× میلیمتر - شامل آرایهاي از دوایري با قطر 1/6میلیمتر و فواصل مراکز 2 میلیمتر به صورت ماسک فشرده و معمولی با دقت 1200 نقطه بر اینچ روي کاغذ فتوگلاسه پرینت گرفتیم. سطح کاغذ را قبل و بعد از چاپ نباید لمس نمود. براي انتقال این طرح بر روي لایه مسی ابتدا یک تکه سنگ که داراي سطحکاملاً یکنواختی است را به مدت 3 دقیقه توسط یک اتوي کاملاً داغ گرم مینمایم. سپس روي سنگ یک کاغذ معمولی قرار داده و بر روي آن نمونه لایه نشانده شده و سپس کاغذ دیگري را روي مجموعه قرار میدهیم و با اتو به مدت 5 دقیقه این مجموعه را گرم مینمایم تا لایه مس و زیرلایه و سنگ زیر آن هم دما شوند.
سپس کاغذ رویی را بر داشته و کاغذ فتوگلاسه طرح دارمسراروي قرار میدهیم مجدداًو با اتو به مدت 5 دقیقه با فشار ملایم مجموعه را گرم می نمایم. این عمل باعث میگردد جوهر چاپ شده روي فتوگلاسه بر روي مس انتقال یابد. البته کاغذ فتوگلاسه نیز بر روي سطح مس میچسبد. براي جدا کردن کاغذ فتوگلاسه از مس آنرا به مدت 15 تا 30 دقیقه در آب گرم قرار میدهیم. سپس با خارج کردن نمونه از آب، کاغذ را از روي سطح مس جدا میکنیم.
با این روش طرحی که روي کاغذ فتوگلاسه بود با کیفیت خوبی بر روي مس انتقال مییابد. در ادامه براي از بین بردن بخش اضافی مس که زیر طرح نبودهاند از محلول رقیق اسید پرکلروردوفر استفاده میکنیم. این عمل باعث میشود که قسمتهایی که زیر جوهر قرار گرفته بودند دست نخورده باقی بمانند. در انتها با شستشوي نمونه با آب گرم طرح ماسک بر روي شیشه ظاهر میگردد.[6] البته روش دیگري نیز براي تولید ماسک به کار می رود که عبارت از ایجاد طرح پرینت شده به طور مستقیم بر روي شیشه است که با اتو انجام میشود. در این روش باید پس از تولید ماسک، با انجام آزمایش اطمینان خاطر پیدا کنیم که پرتو لیزر از لایه جوهر چسبیده به شیشه عبور نکند.
-3-2 مراحل ساخت آرایههاي میکروعدسی
مراحل ساخت آرایههاي میکروعدسی شامل لایه نشانی مس، تولید ماسک، لایه نشانی فوتورزیست، نوردهی فوتورزیست لایه نشانی شده به وسیله لیزر اگزایمر، قرار دادن نمونه در مایع ظهور و سپس ذوب نمونه میباشد. اولین مرحله ساخت، تمیز کردن زیرلایه است که در مرحله لایه نشانی مس توضیح دادیم و مرحله بعدي لایهنشانی فوتورزیست میباشد. روش استاندارد براي لایه نشانی فوتورزیست، لایهنشانی چرخشی است که در مقایسه با روشهاي دیگر لایههایی با یکنواختی بیشتر بهوجود میآورد.
در این روش مقداري مایع فوتورزیست روي زیر لایه ریخته می شود و زیر لایه به صورت افقی با سرعت کنترل شده میچرخد. صافی سطح لایه نشانی بر کیفیت عملکرد میکروعدسی هاي ساخته شده اثر میگذارد. براي به دست آوردن لایههایی با سطح صاف و یکنواخت، لازم است که علاوه بر تمیزي سطح و همچنین از بین بردن حبابهاي مایع فوتورزیست ریخته شده روي زیر لایه، زمان و سرعت چرخش زیر لایه را بهینه کرد.
هر چه در سرعتهاي بالا زمان لایه نشانی بیشتر باشد ضخامت کمتري از فوتورزیست لایه نشانی میشود و بر عکس. سپس نمونه ها باید در کوره در دماي 105 درجه سانتیگراد با توجه به ضخامت لایهنشانی شده در زمانهاي متفاوت پخته شوند تا فوتورزیستکاملاً محکم شود و به سطح شیشه بچسبد. بعد از مرحله پخت، نمونه ها باید نوردهی شوند. براي نوردهی نمونه ابتدا باید پرتو خروجی لیزر اگزایمر را به وسیله تلسکوپ میکروماشین سپس به آرایهي از عدسیهاي کوچک تابیده می شود تا پرتوي با توزیع انرژي سر تخت به دست آید. براي ظهور طرح آرایهاي ایجاد شده بر روي نمونه پرتو یکنواخت لیزر اگزایمر به ماسک تابیده میشود سپس تصویر ماسک با کوچکنمایی 8 برابر روي نمونه تشکیل می شود.
