Abstract

We report on the micromachining of silicon microlens structures by use of scanning-probe gray-scale anodic oxidation along with dry anisotropic etching. Convex, concave, and arbitrarily shaped silicon microlenses with diameters as small as 2μm are demonstrated. We also confirm the high fidelity of pattern transfer between the probe-induced oxides and the etched silicon microlens structures. Besides the flexibility, the important features of scanning-probe gray-scale anodic oxidation are small pixel size and pitch (of the order of tens of nanometers), an unlimited number of gray-scale levels, and the possibility of creating arbitrarily designed microlens structures with exquisite precision and resolution. With this approach, refractive, diffractive, and hybrid microlens arrays can be developed to create innovative optical components.

© 2005 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. N. F. Borreli, Microoptics Technology: Fabrication and Applications of Lens Arrays and Devices (Marcel Dekker, New York, 1999).
  2. S. Sinzinger and J. Jahns, Microoptics, 2nd ed. (Wiley-VCH, Weinheim, Germany, 2003).
    [CrossRef]
  3. T. N. Oder, J. Shakya, J. Y. Lin, and H. X. Jiang, Appl. Phys. Lett. 82, 3692 (2003).
    [CrossRef]
  4. S.-H. Park, H. Jeon, Y.-J. Sung, and G.-Y. Yeom, Appl. Opt. 40, 3698 (2001).
    [CrossRef]
  5. E. Gu, H. W. Choi, C. Liu, C. Griffin, J. M. Girkin, I. M. Watson, M. D. Dawson, G. McConnel, and A. M. Gurney, Appl. Phys. Lett. 84, 2754 (2004).
    [CrossRef]
  6. R. Dumke, M. Volk, T. Müther, F. B. J. Buchkremer, G. Birkl, and W. Ertmer, Phys. Rev. Lett. 89, 097903 (2002).
    [CrossRef]
  7. J. A. Dagata, J. Schneir, H. H. Harary, C. J. Evans, M. T. Postek, and J. Bennett, Appl. Phys. Lett. 56, 2001 (1990).
    [CrossRef]
  8. E. S. Snow, W. H. Juan, S. W. Pang, and P. M. Campbell, Appl. Phys. Lett. 66, 1729 (1995).
    [CrossRef]
  9. F. S.-S. Chien, C.-L. Wu, Y.-C. Chou, T. T. Chen, S. Gwo, and W.-F. Hsieh, Appl. Phys. Lett. 75, 2429 (1999).
    [CrossRef]
  10. F. S.-S. Chien, J.-W. Chang, S.-W. Lin, Y.-C. Chou, T. T. Chen, S. Gwo, T.-S. Chao, and W.-F. Hsieh, Appl. Phys. Lett. 76, 360 (2000).
    [CrossRef]
  11. F. S.-S. Chien, W.-F. Hsieh, S. Gwo, A. E. Vladar, and J. A. Dagata, J. Appl. Phys. 91, 10044 (2002).
    [CrossRef]
  12. M. Calleja and R. García, Appl. Phys. Lett. 76, 3427 (2000).
    [CrossRef]
  13. J. A. Dagata, F. Perez-Murano, G. Abadal, K. Morimoto, T. Inoue, J. Itoh, and H. Yokoyama, Appl. Phys. Lett. 76, 2710 (2000).
    [CrossRef]

2004 (1)

E. Gu, H. W. Choi, C. Liu, C. Griffin, J. M. Girkin, I. M. Watson, M. D. Dawson, G. McConnel, and A. M. Gurney, Appl. Phys. Lett. 84, 2754 (2004).
[CrossRef]

2003 (1)

T. N. Oder, J. Shakya, J. Y. Lin, and H. X. Jiang, Appl. Phys. Lett. 82, 3692 (2003).
[CrossRef]

2002 (2)

F. S.-S. Chien, W.-F. Hsieh, S. Gwo, A. E. Vladar, and J. A. Dagata, J. Appl. Phys. 91, 10044 (2002).
[CrossRef]

R. Dumke, M. Volk, T. Müther, F. B. J. Buchkremer, G. Birkl, and W. Ertmer, Phys. Rev. Lett. 89, 097903 (2002).
[CrossRef]

2001 (1)

2000 (3)

M. Calleja and R. García, Appl. Phys. Lett. 76, 3427 (2000).
[CrossRef]

J. A. Dagata, F. Perez-Murano, G. Abadal, K. Morimoto, T. Inoue, J. Itoh, and H. Yokoyama, Appl. Phys. Lett. 76, 2710 (2000).
[CrossRef]

F. S.-S. Chien, J.-W. Chang, S.-W. Lin, Y.-C. Chou, T. T. Chen, S. Gwo, T.-S. Chao, and W.-F. Hsieh, Appl. Phys. Lett. 76, 360 (2000).
[CrossRef]

1999 (1)

F. S.-S. Chien, C.-L. Wu, Y.-C. Chou, T. T. Chen, S. Gwo, and W.-F. Hsieh, Appl. Phys. Lett. 75, 2429 (1999).
[CrossRef]

1995 (1)

E. S. Snow, W. H. Juan, S. W. Pang, and P. M. Campbell, Appl. Phys. Lett. 66, 1729 (1995).
[CrossRef]

1990 (1)

J. A. Dagata, J. Schneir, H. H. Harary, C. J. Evans, M. T. Postek, and J. Bennett, Appl. Phys. Lett. 56, 2001 (1990).
[CrossRef]

Abadal, G.

J. A. Dagata, F. Perez-Murano, G. Abadal, K. Morimoto, T. Inoue, J. Itoh, and H. Yokoyama, Appl. Phys. Lett. 76, 2710 (2000).
[CrossRef]

Bennett, J.

J. A. Dagata, J. Schneir, H. H. Harary, C. J. Evans, M. T. Postek, and J. Bennett, Appl. Phys. Lett. 56, 2001 (1990).
[CrossRef]

Birkl, G.

R. Dumke, M. Volk, T. Müther, F. B. J. Buchkremer, G. Birkl, and W. Ertmer, Phys. Rev. Lett. 89, 097903 (2002).
[CrossRef]

Borreli, N. F.

N. F. Borreli, Microoptics Technology: Fabrication and Applications of Lens Arrays and Devices (Marcel Dekker, New York, 1999).

Buchkremer, F. B. J.

R. Dumke, M. Volk, T. Müther, F. B. J. Buchkremer, G. Birkl, and W. Ertmer, Phys. Rev. Lett. 89, 097903 (2002).
[CrossRef]

Calleja, M.

M. Calleja and R. García, Appl. Phys. Lett. 76, 3427 (2000).
[CrossRef]

Campbell, P. M.

E. S. Snow, W. H. Juan, S. W. Pang, and P. M. Campbell, Appl. Phys. Lett. 66, 1729 (1995).
[CrossRef]

Chang, J.-W.

F. S.-S. Chien, J.-W. Chang, S.-W. Lin, Y.-C. Chou, T. T. Chen, S. Gwo, T.-S. Chao, and W.-F. Hsieh, Appl. Phys. Lett. 76, 360 (2000).
[CrossRef]

Chao, T.-S.

F. S.-S. Chien, J.-W. Chang, S.-W. Lin, Y.-C. Chou, T. T. Chen, S. Gwo, T.-S. Chao, and W.-F. Hsieh, Appl. Phys. Lett. 76, 360 (2000).
[CrossRef]

Chen, T. T.

F. S.-S. Chien, J.-W. Chang, S.-W. Lin, Y.-C. Chou, T. T. Chen, S. Gwo, T.-S. Chao, and W.-F. Hsieh, Appl. Phys. Lett. 76, 360 (2000).
[CrossRef]

F. S.-S. Chien, C.-L. Wu, Y.-C. Chou, T. T. Chen, S. Gwo, and W.-F. Hsieh, Appl. Phys. Lett. 75, 2429 (1999).
[CrossRef]

Chien, F. S.-S.

F. S.-S. Chien, W.-F. Hsieh, S. Gwo, A. E. Vladar, and J. A. Dagata, J. Appl. Phys. 91, 10044 (2002).
[CrossRef]

F. S.-S. Chien, J.-W. Chang, S.-W. Lin, Y.-C. Chou, T. T. Chen, S. Gwo, T.-S. Chao, and W.-F. Hsieh, Appl. Phys. Lett. 76, 360 (2000).
[CrossRef]

F. S.-S. Chien, C.-L. Wu, Y.-C. Chou, T. T. Chen, S. Gwo, and W.-F. Hsieh, Appl. Phys. Lett. 75, 2429 (1999).
[CrossRef]

Choi, H. W.

E. Gu, H. W. Choi, C. Liu, C. Griffin, J. M. Girkin, I. M. Watson, M. D. Dawson, G. McConnel, and A. M. Gurney, Appl. Phys. Lett. 84, 2754 (2004).
[CrossRef]

Chou, Y.-C.

F. S.-S. Chien, J.-W. Chang, S.-W. Lin, Y.-C. Chou, T. T. Chen, S. Gwo, T.-S. Chao, and W.-F. Hsieh, Appl. Phys. Lett. 76, 360 (2000).
[CrossRef]

F. S.-S. Chien, C.-L. Wu, Y.-C. Chou, T. T. Chen, S. Gwo, and W.-F. Hsieh, Appl. Phys. Lett. 75, 2429 (1999).
[CrossRef]

Dagata, J. A.

F. S.-S. Chien, W.-F. Hsieh, S. Gwo, A. E. Vladar, and J. A. Dagata, J. Appl. Phys. 91, 10044 (2002).
[CrossRef]

J. A. Dagata, F. Perez-Murano, G. Abadal, K. Morimoto, T. Inoue, J. Itoh, and H. Yokoyama, Appl. Phys. Lett. 76, 2710 (2000).
[CrossRef]

J. A. Dagata, J. Schneir, H. H. Harary, C. J. Evans, M. T. Postek, and J. Bennett, Appl. Phys. Lett. 56, 2001 (1990).
[CrossRef]

Dawson, M. D.

E. Gu, H. W. Choi, C. Liu, C. Griffin, J. M. Girkin, I. M. Watson, M. D. Dawson, G. McConnel, and A. M. Gurney, Appl. Phys. Lett. 84, 2754 (2004).
[CrossRef]

Dumke, R.

R. Dumke, M. Volk, T. Müther, F. B. J. Buchkremer, G. Birkl, and W. Ertmer, Phys. Rev. Lett. 89, 097903 (2002).
[CrossRef]

Ertmer, W.

R. Dumke, M. Volk, T. Müther, F. B. J. Buchkremer, G. Birkl, and W. Ertmer, Phys. Rev. Lett. 89, 097903 (2002).
[CrossRef]

Evans, C. J.

J. A. Dagata, J. Schneir, H. H. Harary, C. J. Evans, M. T. Postek, and J. Bennett, Appl. Phys. Lett. 56, 2001 (1990).
[CrossRef]

García, R.

M. Calleja and R. García, Appl. Phys. Lett. 76, 3427 (2000).
[CrossRef]

Girkin, J. M.

E. Gu, H. W. Choi, C. Liu, C. Griffin, J. M. Girkin, I. M. Watson, M. D. Dawson, G. McConnel, and A. M. Gurney, Appl. Phys. Lett. 84, 2754 (2004).
[CrossRef]

Griffin, C.

E. Gu, H. W. Choi, C. Liu, C. Griffin, J. M. Girkin, I. M. Watson, M. D. Dawson, G. McConnel, and A. M. Gurney, Appl. Phys. Lett. 84, 2754 (2004).
[CrossRef]

Gu, E.

E. Gu, H. W. Choi, C. Liu, C. Griffin, J. M. Girkin, I. M. Watson, M. D. Dawson, G. McConnel, and A. M. Gurney, Appl. Phys. Lett. 84, 2754 (2004).
[CrossRef]

Gurney, A. M.

E. Gu, H. W. Choi, C. Liu, C. Griffin, J. M. Girkin, I. M. Watson, M. D. Dawson, G. McConnel, and A. M. Gurney, Appl. Phys. Lett. 84, 2754 (2004).
[CrossRef]

Gwo, S.

F. S.-S. Chien, W.-F. Hsieh, S. Gwo, A. E. Vladar, and J. A. Dagata, J. Appl. Phys. 91, 10044 (2002).
[CrossRef]

F. S.-S. Chien, J.-W. Chang, S.-W. Lin, Y.-C. Chou, T. T. Chen, S. Gwo, T.-S. Chao, and W.-F. Hsieh, Appl. Phys. Lett. 76, 360 (2000).
[CrossRef]

F. S.-S. Chien, C.-L. Wu, Y.-C. Chou, T. T. Chen, S. Gwo, and W.-F. Hsieh, Appl. Phys. Lett. 75, 2429 (1999).
[CrossRef]

Harary, H. H.

J. A. Dagata, J. Schneir, H. H. Harary, C. J. Evans, M. T. Postek, and J. Bennett, Appl. Phys. Lett. 56, 2001 (1990).
[CrossRef]

Hsieh, W.-F.

F. S.-S. Chien, W.-F. Hsieh, S. Gwo, A. E. Vladar, and J. A. Dagata, J. Appl. Phys. 91, 10044 (2002).
[CrossRef]

F. S.-S. Chien, J.-W. Chang, S.-W. Lin, Y.-C. Chou, T. T. Chen, S. Gwo, T.-S. Chao, and W.-F. Hsieh, Appl. Phys. Lett. 76, 360 (2000).
[CrossRef]

F. S.-S. Chien, C.-L. Wu, Y.-C. Chou, T. T. Chen, S. Gwo, and W.-F. Hsieh, Appl. Phys. Lett. 75, 2429 (1999).
[CrossRef]

Inoue, T.

J. A. Dagata, F. Perez-Murano, G. Abadal, K. Morimoto, T. Inoue, J. Itoh, and H. Yokoyama, Appl. Phys. Lett. 76, 2710 (2000).
[CrossRef]

Itoh, J.

J. A. Dagata, F. Perez-Murano, G. Abadal, K. Morimoto, T. Inoue, J. Itoh, and H. Yokoyama, Appl. Phys. Lett. 76, 2710 (2000).
[CrossRef]

Jahns, J.

S. Sinzinger and J. Jahns, Microoptics, 2nd ed. (Wiley-VCH, Weinheim, Germany, 2003).
[CrossRef]

Jeon, H.

Jiang, H. X.

T. N. Oder, J. Shakya, J. Y. Lin, and H. X. Jiang, Appl. Phys. Lett. 82, 3692 (2003).
[CrossRef]

Juan, W. H.

E. S. Snow, W. H. Juan, S. W. Pang, and P. M. Campbell, Appl. Phys. Lett. 66, 1729 (1995).
[CrossRef]

Lin, J. Y.

T. N. Oder, J. Shakya, J. Y. Lin, and H. X. Jiang, Appl. Phys. Lett. 82, 3692 (2003).
[CrossRef]

Lin, S.-W.

F. S.-S. Chien, J.-W. Chang, S.-W. Lin, Y.-C. Chou, T. T. Chen, S. Gwo, T.-S. Chao, and W.-F. Hsieh, Appl. Phys. Lett. 76, 360 (2000).
[CrossRef]

Liu, C.

E. Gu, H. W. Choi, C. Liu, C. Griffin, J. M. Girkin, I. M. Watson, M. D. Dawson, G. McConnel, and A. M. Gurney, Appl. Phys. Lett. 84, 2754 (2004).
[CrossRef]

McConnel, G.

E. Gu, H. W. Choi, C. Liu, C. Griffin, J. M. Girkin, I. M. Watson, M. D. Dawson, G. McConnel, and A. M. Gurney, Appl. Phys. Lett. 84, 2754 (2004).
[CrossRef]

Morimoto, K.

J. A. Dagata, F. Perez-Murano, G. Abadal, K. Morimoto, T. Inoue, J. Itoh, and H. Yokoyama, Appl. Phys. Lett. 76, 2710 (2000).
[CrossRef]

Müther, T.

R. Dumke, M. Volk, T. Müther, F. B. J. Buchkremer, G. Birkl, and W. Ertmer, Phys. Rev. Lett. 89, 097903 (2002).
[CrossRef]

Oder, T. N.

T. N. Oder, J. Shakya, J. Y. Lin, and H. X. Jiang, Appl. Phys. Lett. 82, 3692 (2003).
[CrossRef]

Pang, S. W.

E. S. Snow, W. H. Juan, S. W. Pang, and P. M. Campbell, Appl. Phys. Lett. 66, 1729 (1995).
[CrossRef]

Park, S.-H.

Perez-Murano, F.

J. A. Dagata, F. Perez-Murano, G. Abadal, K. Morimoto, T. Inoue, J. Itoh, and H. Yokoyama, Appl. Phys. Lett. 76, 2710 (2000).
[CrossRef]

Postek, M. T.

J. A. Dagata, J. Schneir, H. H. Harary, C. J. Evans, M. T. Postek, and J. Bennett, Appl. Phys. Lett. 56, 2001 (1990).
[CrossRef]

Schneir, J.

J. A. Dagata, J. Schneir, H. H. Harary, C. J. Evans, M. T. Postek, and J. Bennett, Appl. Phys. Lett. 56, 2001 (1990).
[CrossRef]

Shakya, J.

T. N. Oder, J. Shakya, J. Y. Lin, and H. X. Jiang, Appl. Phys. Lett. 82, 3692 (2003).
[CrossRef]

Sinzinger, S.

S. Sinzinger and J. Jahns, Microoptics, 2nd ed. (Wiley-VCH, Weinheim, Germany, 2003).
[CrossRef]

Snow, E. S.

E. S. Snow, W. H. Juan, S. W. Pang, and P. M. Campbell, Appl. Phys. Lett. 66, 1729 (1995).
[CrossRef]

Sung, Y.-J.

Vladar, A. E.

F. S.-S. Chien, W.-F. Hsieh, S. Gwo, A. E. Vladar, and J. A. Dagata, J. Appl. Phys. 91, 10044 (2002).
[CrossRef]

Volk, M.

R. Dumke, M. Volk, T. Müther, F. B. J. Buchkremer, G. Birkl, and W. Ertmer, Phys. Rev. Lett. 89, 097903 (2002).
[CrossRef]

Watson, I. M.

E. Gu, H. W. Choi, C. Liu, C. Griffin, J. M. Girkin, I. M. Watson, M. D. Dawson, G. McConnel, and A. M. Gurney, Appl. Phys. Lett. 84, 2754 (2004).
[CrossRef]

Wu, C.-L.

F. S.-S. Chien, C.-L. Wu, Y.-C. Chou, T. T. Chen, S. Gwo, and W.-F. Hsieh, Appl. Phys. Lett. 75, 2429 (1999).
[CrossRef]

Yeom, G.-Y.

Yokoyama, H.

J. A. Dagata, F. Perez-Murano, G. Abadal, K. Morimoto, T. Inoue, J. Itoh, and H. Yokoyama, Appl. Phys. Lett. 76, 2710 (2000).
[CrossRef]

Appl. Opt. (1)

Appl. Phys. Lett. (8)

T. N. Oder, J. Shakya, J. Y. Lin, and H. X. Jiang, Appl. Phys. Lett. 82, 3692 (2003).
[CrossRef]

E. Gu, H. W. Choi, C. Liu, C. Griffin, J. M. Girkin, I. M. Watson, M. D. Dawson, G. McConnel, and A. M. Gurney, Appl. Phys. Lett. 84, 2754 (2004).
[CrossRef]

J. A. Dagata, J. Schneir, H. H. Harary, C. J. Evans, M. T. Postek, and J. Bennett, Appl. Phys. Lett. 56, 2001 (1990).
[CrossRef]

E. S. Snow, W. H. Juan, S. W. Pang, and P. M. Campbell, Appl. Phys. Lett. 66, 1729 (1995).
[CrossRef]

F. S.-S. Chien, C.-L. Wu, Y.-C. Chou, T. T. Chen, S. Gwo, and W.-F. Hsieh, Appl. Phys. Lett. 75, 2429 (1999).
[CrossRef]

F. S.-S. Chien, J.-W. Chang, S.-W. Lin, Y.-C. Chou, T. T. Chen, S. Gwo, T.-S. Chao, and W.-F. Hsieh, Appl. Phys. Lett. 76, 360 (2000).
[CrossRef]

M. Calleja and R. García, Appl. Phys. Lett. 76, 3427 (2000).
[CrossRef]

J. A. Dagata, F. Perez-Murano, G. Abadal, K. Morimoto, T. Inoue, J. Itoh, and H. Yokoyama, Appl. Phys. Lett. 76, 2710 (2000).
[CrossRef]

J. Appl. Phys. (1)

F. S.-S. Chien, W.-F. Hsieh, S. Gwo, A. E. Vladar, and J. A. Dagata, J. Appl. Phys. 91, 10044 (2002).
[CrossRef]

Phys. Rev. Lett. (1)

R. Dumke, M. Volk, T. Müther, F. B. J. Buchkremer, G. Birkl, and W. Ertmer, Phys. Rev. Lett. 89, 097903 (2002).
[CrossRef]

Other (2)

N. F. Borreli, Microoptics Technology: Fabrication and Applications of Lens Arrays and Devices (Marcel Dekker, New York, 1999).

S. Sinzinger and J. Jahns, Microoptics, 2nd ed. (Wiley-VCH, Weinheim, Germany, 2003).
[CrossRef]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1
Fig. 1

(a) Schematic of the process for fabricating silicon microlenses with scanning-probe gray-scale oxidation and anisotropic dry etching. The pattern transfer ratio is defined by H h . (b) Applied oxidation voltage during scanning-probe oxidation is a programmed spatial function of probe position [ V ( x , y ) ] . (c) Typical experimental result showing AFM profiles of applied oxidation voltage and corresponding silicon microlens topography after RIE etching.

Fig. 2
Fig. 2

Silicon microlenses fabricated by scanning-probe gray-scale oxidation and RIE dry etching (AFM images). (a) Microlenses with diameters of 2, 3, and 4 μ m . (b) Concave microlens with a diameter of 4.5 μ m . (c) Convex microlens with a diameter of 4.5 μ m . (d) AFM profiles of microlenses shown in (b) and (c) before and after RIE.

Fig. 3
Fig. 3

(a) SEM image of a 3 × 3 microlens array. The average microlens surface roughness is approximately 1 nm (measured by AFM). (b) SEM image of a specially designed silicon structure showing the capability of fabricating arbitrarily shaped microlenses. (c) Infrared ( 0.7 2.2 - μ m wavelength range) optical image taken at the focal plane of an 8 - μ m -diameter 1 × 3 microlens array.

Equations (3)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

f = R ( n 1 ) ,
R = ( r 2 + h 2 ) 2 h .
V ( x , y ) = 7 cos 2 ( 10 r ) exp ( r 2 ) + 3 ,

Metrics