微镜片制作技术特集.docx

1、微镜片制作技术特集微镜片制作技术特集压克力镜片的制作光盘读写用微镜片对光驱而言，是不可或缺的关键性组件之一，为实现高速数据转送率同时提高镜片的耐冲击性，光盘读写用微镜片模块小型化乃是最有效的手段。此外基于量产性的考量，大多数的光盘读写用微镜片都是采用晶圆制程制作，具体而言它是利用电浆蚀刻技术(plasma etching)将光阻剂图案(photo resist pattern)转写，形成高NA值(Numerical Aperture)之微镜片：微镜片转写成形通常是使用低压、高速、高安全性之NLD蚀刻机(Magnetic Neutral Loop Discharge)。 4.1电浆蚀刻式微镜片

2、微镜片制程如图23所示，首先在溶融状石英基板上涂布低玻璃转移温度之光阻剂，接着曝光、显影形成圆筒状光阻剂图案，之后进行，30分钟的烘烤，使光阻剂的形状变成半球状，此时调整烘烤温度与时间就可获得真球度极佳的光阻剂形状。如上所述蚀刻技术使用NLD蚀刻设备，它的主要动作原理是将RF电流输入在真空环境中形成的环状零磁束密度磁气中性线内(NL:Neutral Loop)，产生高效率放电与高密度电浆，因此NLD蚀刻设备可作高速蚀刻加工。此外由于NLD具备低磁场强度之charge up free process特性，所以安全性非常优秀。蚀刻蚀刻时必需将He气体流至溶融状石英基板背面，利用热交换机冷却基板使基

3、板电极温度保持在范围内。 光阻劑曝光、顯影150度C熱處理NLD電漿蝕刻圖23電漿蝕刻微鏡片的製作流程图24是、三种蚀刻气体在蚀刻炉内，0.27Pa压力环境中进行NLD电浆蚀刻后所获得的微镜片SEM外观，由图可确认利用电浆蚀刻加工法的微镜片表面无任何粗糙面，或是反应物的附着与堆积，而且镜片表面的曲线非常圆润(smooth)。 圖24電漿蝕刻微鏡片的SEM外觀图25是利用Fizeau式光学干涉仪观察微镜片干涉缟的结果。微镜片的曲面精度为0.018(rms)，该干涉缟是由NA0.6理想波面朝微镜片中心集光，并藉由R面反射光与参考光的干涉而获得，实际上读写时(pick up)会受到穿透波面的影响，所

4、以该值会降低一半左右。 圖25電漿蝕刻微鏡片的波面图26是光盘片读写测试仪的结构图；图27是两群镜片的结构图。测试读写再生时使用上述制程制作的微镜片作为第一群镜片，镜片曲率半径为0.15mm折射率为1.46；第二群镜片的NA值为0.54，第一群与第二群镜片组合后的实效NA值为0.85，照射光源使用日亚化学的蓝紫色雷射，波长为407nm。测试时并使用的相变化可擦写型光盘片，它的膜层结构与T.Narahara的DVR完全相同，该DVR(Digital Video Recording)的保护层厚度为0.1mm，为加严进行验证所以测试时DVR保护层厚度为0.05mm，WD(Working Distan

5、ce)也是0.05mm。 圖26光碟片記錄再生測試儀結構圖27兩群鏡片的結構图28是1-7变频时的eye pattern，该eye pattern的bit长度为130nm，轨道间距(track pitch)为300nm，光盘片直径为120mm，单面容量22.5Gbyte。根据测试结果证实资料转送率为35Mbit/s，线速度为5.72m/s，记录与再生power等特性与DVR完全相同。 圖28使用電漿蝕刻鏡片作再生讀寫測試時的eyepattern4.2 DVR-Blue用电浆蚀刻式微镜片 上述微镜片有曲率半径的限制，无法适用于DVR与WD等厚度较大的保护层，所以必需另外开发高NA值的微镜片。上述

6、微镜片是利用光阻剂溶融状态时的表面张力，形成一定半径的半球形微镜片，当微镜片外径变大时，由于光阻剂的自重使得光阻剂的外形会发生变形。图29(a)是利用探针式表面形状测定仪，量测热处理后的光阻剂表面形状，表2是利用该量测结果所求得的曲率半径分布。由表2的计算结果可知光阻剂表面形状，由理想形状产生0.009mm的误差值，主要原因就是受到光阻剂自重的影响所造成。电浆蚀刻式微镜片最后形状取决于光阻剂的形状与光阻剂、两者的选择比，该选择比可由蚀刻气体的混合比调整加以控制，表3是蚀刻条件。图29(b)是电浆蚀刻式微镜片的表面形状。由表2的计算结果可知电浆蚀刻式微镜片的形状，由理想形状产生0.003mm的误

7、差值。 圖29(a)光阻劑的表面形狀 (b)電漿蝕刻式微鏡片的表面形狀L(mm)R(mm) 光阻剂表面形状 R(mm) 电浆蚀刻式微镜片的表面形状 0.1000.7290.3970.2000.7280.3980.3000.7250.3990.4000.7220.4000.5000.7210.4000.6000.7200.401 表2 光阻剂表面形状与电浆蚀刻式微镜片的曲率分布 step蚀刻时间G气体流量(SCCM)(分)1508.411.6102358.811.2103359.210.8104359.610.41053510.010.01063510.49.61073510.89.210835

8、11.28.81093511.68.410103512.08.010113512.47.610 表3 蚀刻条件图30是电浆蚀刻式微镜片的外观，需注意的是该微镜片的有效直径比上述电浆蚀刻式微镜片大三倍。 圖30(a)小直徑電漿蝕刻式微鏡片 (b)DVR-Blue用大直徑電漿蝕刻式微鏡片图31是读写测试用两群镜片的结构；表4是两群镜片的规格。第一群镜片使用微镜片，镜片的曲率半径为0.4mm，折射率为1.46，第二群镜片的NA值为0.46，第一群与第二群镜片组合后的实效NA值为0.85，照射光源使用日亚化学的蓝紫色雷射，波长为405nm。图32是1-7变频时的eye pattern，该eye pat

9、tern的bit长度为130nm，轨道间距(track pitch)为300nm，光盘片直径为120mm，单面容量22.5Gbyte。根据测试结果证实资料转送率为35Mbit/s，线速度为5.72m/s。 圖31DVR-Blue用兩群鏡片的結構圖32DVR-Blue用電漿蝕刻鏡片作再生讀寫測試時的eyepatternwavelength405nmthickness cover glass0.1mmNumerical Aperture(NA值)0.85enterance pupil diameter1.5mmworking diameter75mmweight(total)8mg表4 两群镜片的

10、规格4.3电浆蚀刻式非球面微镜片 传统光学系统为了防止影像晕散等问题，通常都是使用复数片球面镜片群，如果改用非球面镜片除了可以改善上述问题之外，还可以减少镜片数提高光学性能，并使光学系统更加轻巧小型化。有鉴于此运用上述DVR-Blue的电浆蚀刻技术制作非球面镜片成为最有效的手段。图33是电浆蚀刻式非球面镜片的制作流程，设计球面镜片时必需尽量降低镜片的有效外径，同时设法减低制程上的蚀刻量。为了符合以上两项前提，必需提高非球面镜片光学材料的折射率，因此选用溅镀膜作为高折射率光学材料。电浆蚀刻时的选择比则是利用蚀刻气体的混合比的调整加以控制，最后再作17阶段的变化进行非球面镜片的制作。 光阻劑 形成

11、光阻劑圖案 濺鍍膜層NLD電漿蝕刻基板研磨圖33電漿蝕刻式非球面鏡片的製作流程图34是非球面镜片的外形构造；表5是该镜片的规格。的折射率为2.46，NA值为0.6，有效外径为0.3mm。图35是电浆蚀刻式非球面镜片与光罩所使用的光阻剂表面形状，由图可知非球面镜片具有很好的误差精度。 wavelength405nmNumerical Aperture(NA值)0.6enterance pupil diameter0.3mmworking diameter135mm表5 电浆蚀刻式非球面镜片的规格圖35電漿蝕刻式非球面鏡片與光阻劑表面形狀圖34電漿蝕刻式非球面微鏡片的結構5).塑料微镜片量产技术

12、1984年日本konica首度开发CD用塑料材质双面非球面读取镜片，从此引爆全球各大企业竞相研究塑料镜片的量产技术。图36是典型的玻璃材质球面镜片群与塑料材质双面非球面镜片的结构比较；图37是塑料镜片的量产化作业流程。 非球面塑膠鏡片球面鏡片群圖36典型的玻璃材質球面鏡片群與塑膠材質雙面非球面鏡片的結構比較射出成形鏡片規格 超精密成形 评鉴材料鍍膜選擇光學樹脂材料 防反射、防静电 提高硬度性能檢驗鏡片與模具設計 镜片外形设计 镜片性能评鉴 完成模具加工 超精密SPDT圖37塑膠材質非球面鏡片的製作流程 非球面形状量测5.1光学用树脂材料的选择 有关光学用树脂材料的选择重点，基本上是穿透率高、耐

13、热温度高、饱和吸水率低、折射率小、容易成形、机械强度高以及价格低廉等等。早期的塑料镜片大多使用压克力树脂(PMMA:Poly Methyl Methacrylate)，不过压克力树脂耐热性极差且吸水率偏高，因此镜片性能与使用环境受到诸多限制，不过由于市场需求极为殷切，因此最近几年各种改良型压克力系树脂的吸水性与耐热性都获得大幅改善，此外烯烃(olefines)系树脂具有优良的耐热性与低吸水性，非常适合塑料镜片使用。 5.2镜片与模具设计非球面镜片 镜片设计是根据镜片的要求规格进行镜片形状细节layout，设计镜片形状时必需事先设定模具结构；镜片形状细节设计如果是一般的折射镜片，通常是根据光轴上

14、的厚度，与各面的非球面系数加以模拟、计算；特殊镜片时则需要有各轮带领域的非球面系数；如果是绕射镜片时则需要有母非球面的非球面系数与绕射光栅的间距、深度等参数(parameter)。除此之外还要控制、调整各参数的微妙互动变化，由于实际镜片成品与设计值会有偏差分布，因此必需注意设计参数的变动特性，如果发现变动超过预期目标时，可用光线追迹手方法作光学仿真分析求出最佳精度。表6是有效外径4mm，NA值为0.45，波长780mm CD读取镜片，与NA值为0.45，波长650mm DVDRW读写镜片典型误差特性统计，由表中的数据可知DVDRW的镜片敏感度比CD大数倍甚至一位数，换言之模具的构造、材质、精度

15、等要求必定更加严苛。 误差要因误差量 轴上波面收差变化收差种类CD再生用DVDRW读写用镜片倾斜30分0.0310.061Coma收差光盘片倾斜30分0.0280.067Coma收差光盘片折射率误差0.10.0020.006球面收差光盘片厚度误差0.1mm0.0210.140球面收差镜片厚度误差0.1mm0.0280.123球面收差折射率误差0.010.0340.111球面收差镜面偏心0.05mm0.0230.290Coma收差镜面偏心误差(第一面倾斜)5分0.0370.116Coma收差比例收缩误差5%0.0100.055球面收差表6 光驱读取镜片典型误差特性5.3模具加工 非球面镜片模具是

16、用单结晶钻石刀具与超精密CNC铣床作SPDT(Single Point Diamond Turning)加工，加工设备中又以东芝机械奈米级自由曲面斜轴研削机的加工精度误差祇有数奈米最为出色。为了要达到这种精度除了加工设备本身的机械精密度之外，刀具的设置误差与刀刃的表面、形状、曲率半径精度的管理、验证具有决定性的影响。 5.4射出成形 基于大量生产等考量塑料镜片通常都是采用射出成形法，成形时需注意的是树脂温度、模具温度、射出速度、保持压力等最佳成形条件，随着树脂种类、镜片形状、模具结构、规格性能而改变，因此长期的统计资料收集与经验的累积扮演着重要角色。 5.4镀膜 镜片镀膜主要是让镜片具备防止反

17、射、静电、增加硬度等特性。随着树脂的不同 镀膜种类也有很大的差别，塑料镜片镀膜时最重要的注意事项是作业温度必需低于树脂耐热极限温度。 5.5镜片检验 对光盘片读取镜片而言最重要的检验项目就是波面收差量测。早期的检验方法是随机抽检一片干涉缟图案，再计算该镜片的波面收差rms值(root mean square value)。最近则是使参考光的位相变化并加入复数个影像，当波面形状稳定后才进行量测，最后再利用Zernike多项式分别求出关数fitting、球面收差、coma收差、非点收差成份。量测波长依存性较少的折射镜片时，通常是使用波长为633nm之He-Ne雷射干涉仪量测；波长依存性极大的绕射镜

18、片量测，如果是DVD读取镜片，必需使用650nm的波长量测；CD等则使用780nm。市面上商品化干涉仪大多是实验室用，生产线用镜片则自动检测干涉仪一般是自行开发。 6.微镜片量测评鉴技术 6.1评鉴技术概要 微镜片量测评鉴可分为形状评鉴与光学性能评鉴两大类，有关形状评鉴资料大多是厂商提供，光学性能评鉴数据则来自消费者与厂商。如上所述微镜片的结构与尺寸大小不同于传统光学镜片，也就是说以往的量测评鉴技术未必完全适用于微镜片。因此接下来要深入探讨ISO的国际标准化作业动向。 ISO的微镜片量测评鉴国际标准化作业动机是日本在94年ISO/TC172/SC9/WG7会议中提议的，2001年8月首先发布V

19、ocabulary规范(ISO14880-1:Microlens arry-Part.1 Vocabulary)，同时定义相关用语。99年日本在该会议中提议设立量测技术小组，2000年3月经过国际投票同意，开始审议各种量测技术规范，例如波面收差等重要条文，随后更同意追加检讨、设置波面收差以外的光学特性与机械特性作业小组。 表7是ISO14880-1定义的相关用语部份摘要，图38是对照相关用语的说明图示(dimension)。以往镜片焦距的定义与量测方法，实际上受限于镜片尺寸过小、收差过大等因素，往往无法求得明确的主点位置，造成传统的镜片焦距的定义与量测方法无法完全适用于微镜片，因此ISO148

20、80-1针对微镜片特有的现象加以定义，2002年6月10日SC9会议中，将镜片顶点到焦距的距离变更为实效前侧焦距，亦即将practical front focal length的practical改为effective，藉此与实效后侧焦距practical back focal length作明确的区隔。由于国际技术整合有相当程度的困难性，如果再遇到结构复杂的镜片时，往往就无法作明确的定义与规范，因此有关微镜片的相关ISO规范今后将持续进行检讨审议。 圖38微鏡片的結構(ISO14880-1)项次符号单位英文专业名词中文专业名词1geometric aperture几何性开口2mmlens w

21、idth镜片大小3Hmmsurface modulation depth镜片高度4NAnonenumerical aperture开口数5nonerefractive index折射率分布6nonerefractive index(lens center)中心折射率7mmPitch配列间距8mmpractical back focal length实效焦距(后侧)9 mm practical front focal length 实效焦距(前侧)10mmradius of curvature镜片曲率半径11mmcoordinates of focal spot position集光位置12mm

22、focal spot position shift集光位置偏离13mmfocal spot size集光光束大小14wavefront aberration波面收差15mwavelength波长16noneeffective Abbe-number有效阿倍数 表7 微镜片专业用语(ISO14880-1相关用语部份摘要)6.2形状评鉴 镜片形状是确保镜片性能重要要素之一，不过微镜片非常微小加上精度与镜片边缘匹配部位要求相当严苛，往往造成量测不易等诸多问题，因此实际量测时必需根据用途另外开发特殊的量测技术与方法。镜片的形状量测方法可分为接触式与非接触式两种；接触式又可分为探针仪与三维量测仪两种；非

23、接触式则可分为干涉仪、共焦(com-focal)显微镜、雷射探针三维量测仪等三种。探针形状量测仪与三维量测仪配合软件所构成的非接触式量测方法，早期的非球面镜片大多使用这种设备量测，由于量测时探针直接与镜片接触，因此很容易残留接触痕迹，此外量测作业相当费时，镜片直径极端微细时会因探针形状产生量测误差，所以不适合微镜片的量测。上述三种非接触式量测仪各有优缺点，实际上是根据镜片形状、尺寸分开使用。有关干涉仪一般镜片的波面收差通常是用fizo干涉仪；表面形状量测则使用如图39之twiman green干涉仪，这种干涉仪的参考面很接近被测镜片的表面形状而且又很容易设置。 此外包含雷射扫描式共焦显微镜也常

24、被用于微镜片的量测，通过显微镜对物镜片之雷射光探针被反射镜(mirror)或是音响光学(AO:Acoustic Optical)device扫描，因此垂直方向(量测光学仪的光轴)的量测范围比干涉仪更广，不过却不易量测镜片边缘匹配部位的形状。图40是共焦显微镜的光学系统结构。 图41、图42是雷射光探针非接触式三维量测仪的动作原理与外观，由图可知通过显微镜对物镜片之雷射光照射于待测物表面，再用自动对焦感应器(auto focus sensor)检测反射光，同时将光学系统朝垂直方向(量测光学仪的光轴)移动，藉此检测表面位置，X-Y方向的扫描是将待测物设于stage上量测。由于感应器可检测1%左右的

25、雷射反射光，因此即使是很粗糙的表面，也可以接近垂直量测镜片。由于量测整体镜片时必需用测定spot光扫描，所以量测作业相当费时，这对于大量检测的生产单位而言似乎不太适用。 第二中間影像 4f成像鏡片 teser鏡片 f115mm 偏光元件 CCDteser鏡片f115mmzoom對物鏡片f12.5mmf75mm4f成像鏡片消色doublet lensf160mmHe-Ne雷射旋轉玻璃PZT顯微鏡對物鏡片100X/0.8開口光圈第一中間層micro-spheres圖39twiman green干涉儀的光學結構relay lens 觀視鏡片 由arc lamp或是雷射光發射之入射光 偏光元件 對物鏡片 待測鏡