專利名稱：：聚光器件及其制造方法
技術(shù)領域：
：本發(fā)明涉及一種光學器件及其制造方法，更特別地，涉及一種聚光器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
：Fresnel(菲涅耳)透鏡通常被用作聚光器件，實現(xiàn)與凸透鏡相同的功能，但是其結(jié)構(gòu)的厚度減少，其中，凸透鏡的表面被分割為同心的環(huán)形部分并被排列在一個平面。#1分割的部分#:稱為Fresnel區(qū)。至少一個位于中心的Fresnel區(qū)是^求面的。為了制造這種Fresnel透鏡，^使用金鋼石刀具將具有與Fresnel區(qū)對應的輪廓的模具從模制板上切割下來，隨后使用該模具對Fresnel透鏡模制。然而，當使用這種方法時，會限制F透鏡尺寸的減小。如果半導體技術(shù)被用于形成Fresnel透鏡，則透鏡的尺寸能夠減小，但是利用半導體加工技術(shù)形成球面Fresnel區(qū)會是極其困難的。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明涉及能夠利用半導體加工技術(shù)制造的小型聚光器件，以及制造該器件的方法。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種聚光器件。聚光器件包括中心塊；一對豎向衍射光柵塊，分別位于中心塊的左側(cè)和右側(cè)；以及一對橫向衍射光柵塊，分別位于中心塊的上方和下方。豎向衍射光柵塊包括在豎軸方向延伸的線形式的平行的豎向衍射光柵，和在橫軸方向延伸的線形式的平行的橫向衍射光柵。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種聚光器件的制造方法。首先，提供模制基板，包括中心區(qū)以及分別位于中心區(qū)上方、下方、左側(cè)和右側(cè)的上區(qū)、下區(qū)、左側(cè)區(qū)和右側(cè)區(qū)。平^f亍的豎向溝槽線在左側(cè)區(qū)和右側(cè)區(qū)內(nèi)部形成，平4行的橫向溝槽線在上區(qū)和下區(qū)內(nèi)部形成。通過在包括溝槽線的成型基板上提供光學樹脂，形成聚光器件，該聚光器件包括中心塊；一對豎向衍射光柵塊，分別位于中心塊左側(cè)和右側(cè)并包括形式為在豎軸方向延伸的線的平行的豎向衍射光柵；以及一對橫向衍射光柵塊，分別位于中心塊上方和下方并包括形式為在橫軸方向延伸的線的平行的橫向衍射光柵。從下文結(jié)合附圖對示例性實施方式的描述，本發(fā)明的上述和/或其它目的、方面及優(yōu)點將更明顯且更易于理解，附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的聚光器件的俯視圖2是圖1沿I-I'線的剖視圖3是使用根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的聚光器件聚光的方法的示意圖4是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的太陽能單體電池模塊的示意圖5A至圖5E是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的聚光器件制造方法的剖一見圖6A和圖6B是才莫制圖案的SEM(scanningelectronmicroscope,掃描電子顯微鏡)照片；圖7是傳輸效率相對于衍射光柵深度的圖；以及圖8A和圖8B是歸一化衍射光柵強度相對于衍射角度的圖。具體實施例方式下面將參照附圖更詳細地描述本發(fā)明，其中示例性實施例在附圖中示出。本發(fā)明可以以多種不同方式實施，但不應將其理解成限制于此處描述的示例性實施例。無論何時在附圖中出現(xiàn)或在說明書中提及的元件，均由相同的附圖標記表示。應當理解，盡管術(shù)語第一、第二、a、B等在此可被用于表示各種元件，但這些元件不受限于這些術(shù)語。這些術(shù)語僅僅用于將一個元件與另一個元件5區(qū)分。例如，第一元件可被稱為第二元件，并且類似地，第二元件可被稱為第一元件，而不脫離該示例性實施例的范圍。如此處使用的，術(shù)語"和/或"包括一個或更多相關(guān)列舉項目的任意一個和所有組合。應當理解，當元件被稱為被"連接"或"結(jié)合"到其它元件時，該元件可被直接連接或結(jié)合到其它元件或可能存在中間元件。相反地，當元件被稱為被"直接連接"或"直接結(jié)合"到其它元件時，則不會存在中間元件。在此使用的單數(shù)形式的術(shù)語也會包括復數(shù)形式，除非在上下文中清楚地另有說明。應當進一步理解，當在此使用"包括"、"包含，，等時，特別說明的是存在所述的特征、數(shù)量、步驟、操作、元件和/或部件，但不排除一個或更多其它特征、數(shù)量、步驟、操作、元件、部件和/或其組的存在或增加。除非另外定義的，在此使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)和科學術(shù)語)的含義與本發(fā)明所屬領域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。應當進一步理解，在普通字典中定義的術(shù)語應當在相關(guān)技術(shù)背景范圍內(nèi)解釋，而不是理想化或過于形式化的意義，除非在此清楚地這樣定義。圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的聚光器件的俯視圖。圖2是圖1沿i-r線的剖視圖。參照圖1和圖2,聚光器件100包括中心塊C、分別位于中心塊C左側(cè)和右側(cè)的第一和第二豎向衍射光4冊塊VB1和VB2，以及分別位于中心塊C上方和下方的第一和第二橫向衍射光柵塊HB1和HB2。聚光器件的材料可以是玻璃、PMMA(聚曱基丙烯酸曱酯)、或聚碳酸脂。中心塊C可以是在其中不形成衍射光柵的區(qū)域。心塊C之間的邊界線平行的多個豎向衍射光柵D—V。豎向衍射光才冊D—V可以是平行線的形式，并且其側(cè)壁可基本垂直于豎向衍射光柵D_V的頂部表面。豎向衍射光柵D_V以第一周期P,被排列，并且各個豎向衍射光棚-D一V的寬度可被表示為第一周期P,x第一填充因子F,。這里，填充因子指的是衍射光^f冊的寬度與其周期之比。例如，第一填充因子Fl可以是0.5。橫向衍射光柵塊對HB1和HB2包括與橫向衍射光柵塊HB1和HB2與中心塊C之間的邊界線平行的多個橫向衍射光柵D_H。橫向衍射光柵D—H也可以是平行線的形式，并且其側(cè)壁可基本垂直于橫向衍射光柵D一H的頂部表6面。橫向衍射光柵D—H以第二周期P2被排列，并且各個橫向書t射光4冊D—H的寬度可被表示為第二周期P2X第二填充因子F2。例如，第二周期P2可與第一周期Pi相同，并且第二填充因子F2可以是0.5。此外，斜向書f射光4冊塊DB1、DB2、DB3和DB4可位于中心塊C的四個角附近。斜向衍射光柵塊DB1、DB2、DB3和DB4可包括位于第一豎向衍射光柵塊VB1和第一橫向衍射光柵塊HB1之間的第一斜向衍射光柵塊DB1、位于第一橫向衍射光柵塊HB1和第二豎向衍射光柵塊VB2之間的第二斜向衍射光柵塊DB2、位于第二豎向衍射光柵塊VB2和第二橫向衍射光柵塊HB2之間的第三斜向衍射光柵塊DB3,以及位于第二橫向衍射光柵塊HB2和第一豎向衍射光柵塊VB1之間的第四斜向衍射光柵塊DB4。每一個斜向書f射光4冊塊DB1、DB2、DB3和DB4可包括凍+向4皮此相鄰地排列的矩形六面體衍射光柵D一C。長方體衍射光柵D—C可具有立方體、平截頭體或四棱錐的形式。斜向彼此相鄰地排列的矩形六面體衍射光柵D—C的至少某些角可彼此接觸。矩形六面體衍射光柵D一C以第三周期Ph在橫釉H的方向和以第四周期Pv在豎軸H的方向被排列。此外，各個矩形六面體衍射光柵D—C在橫軸H方向上的寬度可表示為第三周期phx第三填充因子fh,各個矩形六面體衍射光柵D—C在豎軸V方向上的寬度可表示為第四周期Pvx第四填充因子Fv。作為一個例子，各個矩形六面體衍射光柵D一C在橫向方向上的寬度(PftFh)可與在豎向方向上的寬度(Pv.Fv)相同。換句話說，矩形六面體衍射光柵D—C的頂部表面可以是正方形。進一步地，第三周期Ph可與第四周期Pv相同，并且第三填充因子Fh和第四填充因子Fv都可以是0.5。作為一個例子，聚光器件100可以是3x3矩陣的形式。在這種情況下，以3x3矩陣的形式排列的塊的橫軸H方向上的寬度可以是第一到第三橫向?qū)挾萀H1、LH2和LH3，塊的豎軸V方向上的寬度可以是第一到第三豎向?qū)挾萀V1、LV2和LV3。作為一個例子，各個塊的形狀可以是正方形。在這種情況下，第一到第三橫向?qū)挾萀H1、LH2和LH3以及第一到第三豎向?qū)挾萀V1、LV2和LV3中的所有寬度都相同。圖。7參照圖2和圖3，光線L入射到聚光器件100的前小面。例如，入射光線L可垂直于聚光器件100的前小面入射。入射到中心塊C上的光線L從聚光器件100的后小面以與入射光線L傳播方向相同的方向射出。因此，當入射光線L垂直于聚光器件100的前小面時，從中心塊C出射的出射光線L_S可同樣地垂直于聚光器件100的后小面。而形成在中心向豎軸V的任一方向發(fā)散的第一光束L—VB1。此外，入射到第二豎向衍射光柵塊VB2上的光線從聚光器件100的后小面衍射而形成在中心向豎軸V的任一方向發(fā)散的第一光束L—VB2。第一光束L—VB1和L—VB2在中心塊C的下方進行相長干涉，而形成在豎軸V方向延伸的豎向聚光區(qū)域L—VB。類似地，入射到第一和第二橫向衍射光柵塊HB1和HB2中每一個上的光線從聚光器件100的后小面衍射而形成在中心向橫軸H的任一方向發(fā)散的第一光束L_HB1和L一HB2。第一光束L—HB1和L一HB2在中心塊C的下方進行相長干涉，而形成在橫軸H方向延伸的橫向聚光區(qū)域L—HB。另外，入射到第一到第四斜向衍射光柵塊DB1、DB2、DB3和DB4中每一個上的光線從聚光器件100的后小面衍射而形成在四個對角線方向發(fā)散的四個第一光束L—DB1、L—DB2、L—DB3和L—DB4。在第一和第三斜向衍射光柵塊DB1和DB3中衍射的第一和第三光束L—DB1和L—DB3在中心塊C的下方進行相長干涉，而形成在第一對角線方向延伸的第一聚光區(qū)域L一DB13。并且，在第二和第四斜向衍射光柵塊DB2和DB4中衍射的第二和第四光束L—DB2和L—DB4在中心塊C的下方進行相長干涉，而形成在第二對角線方向延伸的第二聚光區(qū)域L—DB24。從中心塊C、豎向聚光區(qū)域L—VB、橫向聚光區(qū)域L一HB、第一斜向聚光區(qū)域L—DB13和第二斜向聚光區(qū)域L—DB24出射的出射光線L—S都在中心塊C的下方相互疊加，而形成中心聚光區(qū)域LC。然而，即l吏在第一到第四斜向衍射光柵塊DB1、DB2、DB3和DB4中沒有形成衍射光柵時也可形成中心聚光區(qū)域LC。只是中心聚光區(qū)域LC中的聚集的光的強度弱些。為了便于理解，圖中所示的聚光區(qū)域L—VB、L—HB、L—DB13、L—DB248和LC的范圍僅示出聚光效率超過設定大小的情況，并且光線不僅在聚光區(qū)域L—VB、L—HB、L—DB13、L—DB24和LC的內(nèi)部射出。為了進行詳細i兌明，聚光效率從聚光區(qū)域L—VB、L—HB、L—DB13、L—DB24和LC向外減小。由于這樣的聚光器件100包括線形或矩形六面體形狀的衍射光柵，因此它能夠利用如下描述的半導體加工工藝形成。相應地，聚光器件的集成度能,皮大幅度地才是高。圖4是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的太陽能單體電池模塊的示意圖。參照圖4,太陽能單體電池模塊200包括太陽能單體電池陣列基板210，以及位于太陽能單體電池陣列基板210上的聚光器件陣列基板220，其中，太陽能單體電池SC排列在太陽能單體電池陣列基板210上。聚光器件陣列基板220包括多個單位聚光器件Ul、U2、U3和U4。單位聚光器件Ul、U2、U3和U4中的每一個都與參照圖1到圖3所描述的聚光器件相同。然而，在橫軸H方向相鄰的一對單位聚光器件(Ul和U2，或U3和U4)共享一個豎向書f射光一冊區(qū)域(VB2或VB1),在豎軸V方向相鄰的一對單位聚光器件(ui和U4,或U2和U3)共享一個橫向衍射光柵區(qū)域(HB1或HB2)，以及在一黃軸H和豎軸V方向相鄰的四個單位聚光器件Ul、U2、U3和U4共享一個斜向衍射光柵區(qū)域DB1、DB2、DB3或DB4。太陽能單體電池SC對應著聚光器件陣列基板220的中心塊C排列。與上述參照圖3的描述類似，單位聚光器件Ul、U2、U3和U4能夠在各自相應的太陽能單體電池SC上進行聚光LC。如上所述，由于聚光器件100包括線或矩形六面體形狀的衍射光柵，它能夠利用如下描述的半導體加工工藝形成，從而使聚光器件陣列基板220的集成度能被大幅度地提高。因此，太陽能單體電池模塊200的集成度也能被提高。剖視圖。參照圖5A,抗蝕劑層12在模制基板10上形成。模制基板10可以是硅基板。作為一個例子，硅基板可以是尺寸為20mmx20mm和厚度為500)im的n型基板。模制基板IO可包括中心區(qū)IOA，以及分別位于中心區(qū)的上方、下方、左側(cè)和右側(cè)的上區(qū)(未示出)、下區(qū)(未示出)、左側(cè)區(qū)IOL和右側(cè)區(qū)IOR。此外，模制基板IO可進一步包括與中心區(qū)IOA的四個角相鄰的中間區(qū)(未示出)。中心區(qū)IOA、上區(qū)、下區(qū)、左側(cè)區(qū)IOL、右側(cè)區(qū)IOR和中間區(qū)可分別對應于圖1中所示的中心塊C、第一橫向衍射光柵塊HB1、第二橫向衍射光柵塊HB2、第一豎向衍射光柵塊VB1、第二豎向衍射光柵塊VB2、以及斜向衍射光柵塊DB1、DB2、DB3和DB4。包括抗蝕劑層12的模制基板10被圖案化的束15照射。束15可以是電子束(e-beam),如果是電子束，則抗蝕劑層12可適用于電子束。在這種情況下，可利用無需光掩模的直接寫入法來輻射電子束。電子束抗蝕劑層12可以是厚度為1000nm的ZEP520(NipponZeon，Co.),并且在抗蝕劑層12形成后，抗蝕劑層12可在180°C下一皮預烘焙三分鐘。此外，電壓、束電流以及電子束的劑量分別可以是30kV、10pA和56|iC/cm2。參照圖5B，如果抗蝕劑層12在被光束15照射后被顯影，則在模制基板IO上形成抗蝕劑圖案12a。通過將抗蝕劑層12浸入ZEP520顯影溶液5分鐘，并利用methylethylketone(曱基曱乙酮)溶液對其清洗30秒而進行顯影。隨后，抗蝕劑圖案12a可在110。C被后段烘焙3分鐘。參照圖5C，使用抗蝕劑圖案12a作為掩模對模制基板10刻蝕。結(jié)果，具有溝槽的模制圖案10a在模制基板10上形成。模制圖案10a可以是在左側(cè)區(qū)10L和右側(cè)區(qū)10R中的平行的豎向溝槽線、在上區(qū)和下區(qū)中的平行的橫向溝槽線(未示出)，或是在中間區(qū)中沿斜向相鄰排列的矩形六面體溝槽(未示出)。豎向和橫向溝槽線可分別對應于圖1中的豎向和橫向衍射光柵D—V和D一H,并且矩形六面體溝槽可對應于圖1中的矩形六面體書f射光斥冊D—C?？赏ㄟ^各向異性刻蝕法刻蝕模制基板10。更具體地說，可利用高能中性粒子束刻蝕模制基板10。高能中性粒子束是指常溫下具有高于正常動能的中性粒子，即高能中性粒子，并以束的形式在一個方向上流動。這種高能中性粒子束具有出眾的方向性，模制基板10相對于抗蝕圖像12a的刻蝕選擇性接近1:1，并且各向異性可被有效地執(zhí)行。高能中性粒子束可以是FAB(fastatomicbeam,高速原子束)。作為一個例子，F(xiàn)AB刻蝕可利用FAB600(ABARA,Co.)以21nm/min的速度進行30分鐘。10參照圖5D,光學樹脂20淀積在包括模制圖案10a的模制基板10上，壓板30被布置在光學樹脂20上。光學樹脂可以是聚甲基丙烯酸曱酯(PMMA)或聚碳酸脂樹脂。參照圖5E,聚光器件100，即模制的光學樹脂層通過沿著模制基板10的方向?qū)喊?0施壓而形成。通過這種方式，聚光器件IOO可利用熱壓印技術(shù)被復制。圖6A和圖6B是模制圖案的SEM(掃描電子顯微鏡)照片。參照圖6A，可以看出平4亍的溝槽線10a—1形成。可以看出溝槽線10a—1的寬度為l.O)am,并以2.0(im的周期排列。參照圖6B,可以看出矩形六面體溝槽10a_2以斜向相鄰排列方式形成?？梢钥闯鼍匦瘟骟w溝槽10a—2在一黃軸方向的寬度為0.714fim,并以1.428^im的周期排列，在豎軸方向的寬度為0.714pm，并以1.428)im的周期排列。下面將描述根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的聚光器件的衍射光柵的深度和角度的計算方法。衍射光柵的深度可通過下面表1列出的光學和幾何條件計算出。表1衍射光柵周期(p)填充因子(F)折射率比(nl/nO)入射光的波長(人)2.0(im0.51.50.65,nl:PMMA基板的折射率，nO:空氣的折射率特另'Ji也，通過才示量Fourier(寸專里葉)變4灸和RCWA(rigorouscoupled-waveanalysis,矢量嚴格耦合波分析)利用表1中的條件，傳輸效率被作為衍射光柵深度的函數(shù)計算。根據(jù)衍射光柵深度的傳輸效率如圖7所示。參照圖7，可以看出根據(jù)標量分析算出的第一最大衍射效率在深度0.65pm時為40.5%(+lst，-1stSC)，根據(jù)矢量分析算出的第一最大衍射效率在TE(transverseelectric,橫向電)才莫式下;果度0.63jim時為38.3%(+lst,-1stTE),在TM(transversemagnetic,橫磁)才莫式下深度0.66|im時為38.7%(+lst,-1stTM)。如果忽略在深度上的微小差異，衍射光柵的深度d可被設置為0.65jim。li衍射光柵的角度可通過下面表2列出的光學和幾何條件計算出。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>特別地，使用表2的條件，針對橫向和豎向衍射光柵以及矩形六面體衍射光柵，對作為衍射角度函數(shù)的歸一化衍射強度進行計算，計算結(jié)果如圖8A和圖8B所示。參照圖8A，可以看出橫向和豎向衍射光柵在衍射角度±12.6°處產(chǎn)生最大衍射強度。此外，參照圖8B,可以看出立方體衍射光柵在衍射角度(±17.7°，±17.7。)處產(chǎn)生最大衍射強度。利用這些衍射角度計算出的焦距為488|im。根據(jù)本發(fā)明，聚光器件可包括線形的衍射光柵并且能夠通過半導體制造工藝形成。因此，聚光器件的集成度可#:大幅度地提高。盡管已經(jīng)對本發(fā)明的示例性實施例進行了圖示和描述，但是，本領域技術(shù)人員應當理解，在不脫離由權(quán)利要求及其等同物限定的本發(fā)明的范圍的情況下，可以對本發(fā)明所描述的示例性實施例進行各種{奮改。權(quán)利要求1.一種聚光器件，包括中心塊；一對豎向衍射光柵塊，分別位于所述中心塊左側(cè)和右側(cè)，并包括形式為在豎軸方向延伸的線的平行的豎向衍射光柵；以及一對橫向衍射光柵塊，分別位于所述中心塊上方和下方，并包括形式為在橫軸方向延伸的線的平行的橫向衍射光柵。2.如權(quán)利要求1所述的聚光器件，進一步包括位于與所述中心塊的四個角附近的斜向衍射光柵塊。3.如權(quán)利要求2所述的聚光器件，其中，所述斜向衍射光柵塊中的每一個包括斜向排列的矩形六面體衍射光柵。4.一種聚光器件的制造方法，包括提供具有中心區(qū)以及分別位于所述中心區(qū)的上方、下方、左側(cè)和右側(cè)的上區(qū)、下區(qū)、左側(cè)區(qū)和右側(cè)區(qū)的模制基板；在左側(cè)和右側(cè)區(qū)內(nèi)部形成平行的豎向溝槽線，并在上區(qū)和下區(qū)內(nèi)部形成平行的^t向溝槽線；以及通過在具有所述溝槽線的所述模制基板上提供光學樹脂，形成聚光器件，該聚光器件包括中心塊；一對豎向衍射光柵塊，分別位于所述中心塊左側(cè)和右側(cè)并包括形式為在豎軸方向延伸的線的平行的豎向衍射光柵；以及一對橫向衍射光柵塊，分別位于所述中心塊上方和下方并包括形式為在橫軸方向延伸的線的平行的一黃向書f射光柵。5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，形成所述溝槽線包括在所述模制基板上形成抗蝕劑圖案；利用抗蝕劑圖案作為掩?？涛g所述模制基板。6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述抗蝕劑圖案利用電子束光刻形成。7.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述模制基板利用高能中性粒子束-陂刻蝕。8.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述模制基板進一步包括與所述中心區(qū)的四個角相鄰的中間區(qū)，斜向相鄰的矩形六面體溝槽在所述溝槽線形成的同時在所述中間區(qū)形成。全文摘要本發(fā)明提供一種聚光器件及其制造方法。聚光器件包括中心塊；一對分別位于中心塊左側(cè)和右側(cè)的豎向衍射光柵塊，以及一對分別位于所述中心塊上方和下方的橫向衍射光柵塊。豎向衍射光柵塊包括形式為在豎軸方向延伸的線的平行的豎向衍射光柵，橫向衍射光柵塊包括形式為在橫軸方向延伸的線的平行的橫向衍射光柵。文檔編號G03F7/00GK101576624SQ200910119169公開日2009年11月11日申請日期2009年3月6日優(yōu)先權(quán)日2008年3月6日發(fā)明者周載永,李宣圭,李車范,禹道均申請人:光州科學技術(shù)院