專(zhuān)利名稱(chēng)：基于紫外壓印的多相位與連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)光學(xué)元件制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微光學(xué)元件制作方法，涉及一種應(yīng)用紫外壓印技術(shù)制作具有多相 位與連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)特征的微光學(xué)元件的方法。
背景技術(shù)：
微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件可以極大地改善光學(xué)系統(tǒng)的成像特性，減小系統(tǒng)體積，降低 系統(tǒng)重量，使光學(xué)系統(tǒng)的性能達(dá)到一個(gè)新的高度。傳統(tǒng)的微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件的加工方法主要有(多次)光學(xué)套刻(專(zhuān)利號(hào)US5218471-A; US36352-E, "Method of making multilevel diffiactive optical .dement - generating two binary amplitude masks, exposing photoresist layer on optical element substrate through mask and etching it and repeating process")、直寫(xiě) 技術(shù)以及灰度掩膜(專(zhuān)利號(hào)US2006263698-A1, "Grayscale photo mask making method for opto-electronics industry, involves moving laser beam over locations on layer, where locations have gray scale level to provide preset gray scale pattern on locations to produce mask")等幾種方法。這幾種方法普遍存在加工工藝復(fù)雜、加工效率低、速度慢等缺點(diǎn)，其中，多次光學(xué)套刻工藝復(fù)雜，存在無(wú)法避免的對(duì)準(zhǔn) 誤差，對(duì)微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件的衍射效率產(chǎn)生很大的影響；直寫(xiě)加工效率極其低下， 無(wú)法應(yīng)用于批量加工制造；灰度掩模加工工藝費(fèi)用高昂，工藝復(fù)雜，而且存在曝 光失真的現(xiàn)象?；跓崴苄圆牧系哪簭?fù)制技術(shù)(專(zhuān)利號(hào)US6881358-B1, "Mold apparatus for producing molded optical elements, e.g. diffractive lenses, includes first mold unit for defining mold cavities and flow passageways, second mold unit having integrated mold surface containing patterns, and mold pins")帝!j作微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件可以實(shí)現(xiàn)表 面微細(xì)結(jié)構(gòu)的一次復(fù)制成型，但應(yīng)用該方法只能加工基于聚合物光學(xué)材料的微光 學(xué)元件，無(wú)法加工玻璃、二氧化硅等硬質(zhì)光學(xué)元件，存在材料選取范圍窄、應(yīng)用 范圍小、功能受限等缺點(diǎn)，同時(shí)該方法也難以避免因熱脹冷縮而引起的變形與加.工誤差。紫外納米壓印術(shù)(UV Nanoimprint L他ography - UV NIL)是納米壓印技術(shù)的 一種，于1999年由美國(guó)得克薩斯州大學(xué)奧斯汀分校材料研究所的研究人員提出 (專(zhuān)利號(hào)US266663， "Step and flash imprint lithography")。該技術(shù)是一種在常溫、 常壓環(huán)境下利用紫外光固化高分子聚合物的壓印光刻技術(shù)。該方法與之前巳有的 熱壓印技術(shù)相比，不同之處在于，壓印時(shí)無(wú)需先行加熱，壓印的壓力也較小，避 免了熱壓印工藝中壓模的熱膨脹和機(jī)械變形，也減少了磨損，因此提高了聚合物 圖案的精確度和多次壓印的重復(fù)性。該法通過(guò)紫外光照射來(lái)固化聚合物層，所用 時(shí)間很短，可大幅提高生產(chǎn)效率。目前已經(jīng)公開(kāi)了幾種應(yīng)用紫外納米壓印技術(shù)制作微光學(xué)元件的方法，如 Markus Rossi, Hartmut Rudma叫Susanne Westenh5fer， Martin Salt, Rainer Pelzer. Optical module fabrication using nanoimprint technology. Proc. of SPIE Vol. 6110, 61100L, p006)與Nfiyaz Khusnatdinov. Gary Doyle. Mike Miller. Nick Stacey. Mike Watts. Dwayne L LaBrake. Fabrication of Nano and Micro Optical Elements by Step and Flash Imprint Lithography. Proc. of SPIE Vol. 6110, 61100K, (2006)等，主要通 過(guò)選用光學(xué)性能良好的聚合物材料作為表面薄膜，直接在聚合物薄膜上經(jīng)過(guò)一次 壓印或多次重復(fù)壓印，實(shí)現(xiàn)連續(xù)浮雕菲涅耳透鏡微細(xì)結(jié)構(gòu)以及微透鏡陣列結(jié)構(gòu)的 加工，此類(lèi)方法的主要問(wèn)題為，微光學(xué)元件由兩種不同的材料結(jié)合而成，兩種材 料的熱膨脹系數(shù)不匹配容易導(dǎo)致薄膜材料隨溫度大范圍變化而脫落，而且，聚合 物薄膜材料的種類(lèi)也十分有限，不能滿(mǎn)足特殊情況下的光學(xué)材料要求，因而應(yīng)用 場(chǎng)合受到極大的限制。目前應(yīng)用紫外納米壓印制作如石英、玻璃、硅、鍺等紅外或可見(jiàn)光光譜范圍 內(nèi)的硬質(zhì)光學(xué)材料的微光學(xué)元件尚未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種基于紫外壓印技術(shù)的多相位或連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)微 光學(xué)元件加工的方法，通過(guò)應(yīng)用單次或者多次紫外壓印，并結(jié)合干法刻蝕工藝， 實(shí)現(xiàn)微光學(xué)元件的高精度、低成本、大批量制備。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是 一種基于紫外壓印技術(shù)的多相位與連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu) 微光學(xué)元件制作的方法，具體包括以下步驟①應(yīng)用微細(xì)加工技術(shù)制備用于加工多相位或連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)微光學(xué)元件所需的微細(xì)結(jié)構(gòu)壓模；②應(yīng)用納米壓印技術(shù)將 壓模上的浮雕結(jié)構(gòu)壓印到基片上的聚合物上；其特征在于，該方法所使用的納米 壓印技術(shù)為紫外壓印技術(shù)，并且該方法還包括以下步驟，③以聚合物結(jié)構(gòu)為掩模， 通過(guò)干法刻蝕技術(shù)實(shí)現(xiàn)微細(xì)結(jié)構(gòu)圖形向硬質(zhì)基片的傳遞，應(yīng)用該方法實(shí)現(xiàn)單一材 料且表面具有多相位或連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)的非聚合物硬質(zhì)光學(xué)材料微光學(xué)元件的加 工。所述的基于紫外壓印技術(shù)的多相位或連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)微光學(xué)元件加工的方法， 其特征是，壓模材料為可透射紫外光的硬質(zhì)及軟質(zhì)壓模材料，如玻璃、石英、聚 甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)。所述的基于紫外壓印技術(shù)的多相位或連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)微光學(xué)元件加工的方法， 其特征是，微細(xì)加工技術(shù)包括套刻技術(shù)、激光直寫(xiě)技術(shù)、電子束直寫(xiě)技術(shù)以及軟 壓印模注塑復(fù)制技術(shù)。所述的基于紫外壓印技術(shù)的多相位或連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)微光學(xué)元件加工的方法， 其特征是，微光學(xué)元件材料包括玻璃、石英(Si02)、硅(Si)、鍺(Ge)、藍(lán)寶石(Al203)、 砷化鎵(GaAs)、氟化鎂(MgF2)、氟化鋰(LiF)、氟化鋇(BaF2)、方解石(CaC03)、 硫化鋅(ZnS)。本發(fā)明的創(chuàng)新性工作在于本發(fā)明提出了一種基于紫外壓印的多相位與連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)光學(xué)元件的制作 方法。該方法的基本思想是基于紫外固化聚合物自身固有的光化學(xué)特性，在具有 流動(dòng)性的未固化聚合物表面使用帶有微浮雕結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)或軟質(zhì)壓模進(jìn)行機(jī)械擠 壓，再經(jīng)過(guò)紫外光固化這一光化學(xué)過(guò)程將壓模表面的微浮雕結(jié)構(gòu)高精度的復(fù)制到 聚合物表面，完成微細(xì)結(jié)構(gòu)圖形的轉(zhuǎn)移，該方法可使工藝復(fù)雜度大幅降低，應(yīng)用 該方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)微細(xì)加工技術(shù)的光學(xué)曝光或者直寫(xiě)工藝步驟，實(shí)現(xiàn)微細(xì)結(jié)構(gòu)向目 標(biāo)表面抗蝕劑的復(fù)制，可降低傳統(tǒng)加工方法變劑量曝光工藝的高昂成本，提高批 量加工的一致性，應(yīng)用紫外固化還可避免熱固化過(guò)程中因大范圍溫度變化所引起 的熱變形，使加工精度得到提高，同時(shí)結(jié)合干法刻蝕工藝步驟，最終實(shí)現(xiàn)微細(xì)結(jié) 構(gòu)圖形向硬質(zhì)光學(xué)材料表面的轉(zhuǎn)移加工制作?；谏鲜鰟?chuàng)新點(diǎn)，本發(fā)明相較以往微光學(xué)器件加工工藝，主要具有如下優(yōu)越性1、本發(fā)明能夠加工特征尺寸在10nm以下的微細(xì)結(jié)構(gòu)，可以滿(mǎn)足大相對(duì)孔徑、高衍射效率和短波長(zhǎng)器件的加工要求，對(duì)復(fù)雜的臺(tái)階式浮雕結(jié)構(gòu)和連續(xù)浮雕 結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)一次成形。2、 相比于灰度掩模加工工藝，本發(fā)明避免了灰度曝光工藝過(guò)程，不需要制 作費(fèi)用高昂的變劑量曝光掩模，同時(shí)還能解決灰度曝光過(guò)程中的曝光失真等現(xiàn) 象，具有良好的加工精度和工藝實(shí)現(xiàn)性，同時(shí)降低工藝復(fù)雜性。3、 相比于傳統(tǒng)的多層掩模套刻技術(shù)，本發(fā)明避免了多次套刻所帶來(lái)的對(duì)準(zhǔn) 誤差，削去了加工工藝的主要誤差源，提高了高衍射效率微光學(xué)元件的加工水平， 同時(shí)用一次壓印代替多次光刻，極大地提高了加工效率。4、 相比于激光直寫(xiě)加工技術(shù)，本發(fā)明在加工速度與效率方面有極大的提高，解決了加工速度慢的最大的缺點(diǎn)，同時(shí)具有加工工藝簡(jiǎn)單、加工結(jié)果一致性好等 優(yōu)點(diǎn)。-5、相比于熱壓印技術(shù)，本發(fā)明避免了高溫以及高壓操作帶來(lái)的變形問(wèn)題， 減少了操作的復(fù)雜性，提高了壓印精確度、生產(chǎn)效率以及多次壓印的重復(fù)性，同 時(shí)還提高了加工效率。6、 本發(fā)明對(duì)微結(jié)構(gòu)光學(xué)器件的材料沒(méi)有限制，可以將壓膜上的多位相或連 續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)，通過(guò)相應(yīng)的干法刻蝕工藝高精度地傳遞到諸如石英、單晶硅和藍(lán)寶 石等硬質(zhì)光學(xué)材料中。相比于其他微光學(xué)復(fù)制工藝中所采用的聚合物材料，此類(lèi) 材料具有高強(qiáng)度、高硬度、高抗輻射損傷閾值、高化學(xué)穩(wěn)定性、寬透射光譜范圍 等優(yōu)點(diǎn)。7、 本發(fā)明具有工藝簡(jiǎn)單、速度快、重復(fù)性好、成本低、產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，同 時(shí)可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。


圖l為應(yīng)用直寫(xiě)技術(shù)獲得壓模的工藝以及應(yīng)用注塑復(fù)制技術(shù)制作軟壓印模的 流程示意圖。(a) 對(duì)基片上的抗蝕劑進(jìn)行掃描式逐點(diǎn)變劑量曝光；(b) 顯影后在其表面形成臺(tái)階式的浮雕結(jié)構(gòu)； (C)應(yīng)用各向異性反應(yīng)離子刻蝕得到壓模。(d)應(yīng)用軟壓印模注塑復(fù)制技術(shù)制作軟壓印模。圖2支座具有多臺(tái)階浮雕結(jié)構(gòu)的二元光學(xué)透鏡的工藝流程示意圖。(a) 壓模結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 應(yīng)用該壓模實(shí)施紫外壓印；(C)干法刻蝕后的二元光學(xué)透鏡微浮雕結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3為具有連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)的二元光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4為制作具有連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)的二元光學(xué)透鏡工藝流程示意圖。(a) 壓模結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 應(yīng)用該壓模實(shí)施紫外壓印；(C)干法刻蝕后的二元光學(xué)透鏡微結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5為制作具有連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)的微透鏡陣列的示意圖。(a) 石英微浮雕結(jié)構(gòu)母板示意圖；(b) 應(yīng)用注塑復(fù)制技術(shù)制作PDMS壓印模示意圖；(c) 應(yīng)用PDMS壓模實(shí)施紫外壓??；(d) 干法刻蝕后的為透鏡陣列結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例l制作具有多臺(tái)階浮雕結(jié)構(gòu)的二元光學(xué)透鏡，元件材料與壓模材料均為玻璃，紫外壓印所需聚合物為紫外固化膠OG154，具體工藝流程如下1、 按照如圖l所示的工藝流程，使用激光直寫(xiě)技術(shù)制作具有與目標(biāo)結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的表面浮雕壓模，如圖2(a)。2、 應(yīng)用紫外壓印將壓模上的結(jié)構(gòu)反向復(fù)制到基片上的OG154上，如圖2(b)。3、 以O(shè)G154圖案為掩模，應(yīng)用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，在石英基片上獲得多臺(tái) 階浮雕結(jié)構(gòu)，如圖2(c)。實(shí)施例2:制作如圖3所示具有連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)的二元光學(xué)透鏡，元件材料為單晶硅，壓 模的材料為石英，聚合物選用紫外有機(jī)感光溶劑PAKOl。具體工藝流程如下 —1、按照如圖l所示的工藝流程，使用電子束直寫(xiě)技術(shù)制作具有與目標(biāo)結(jié)構(gòu)互 補(bǔ)的連續(xù)浮雕壓模，如圖4(a)。2、應(yīng)用紫外壓印將壓模上的浮雕結(jié)構(gòu)反向復(fù)制到基片上的PAK01上，如圖3、以PAK01圖案為掩模，應(yīng)用干法刻蝕技術(shù)，在石英基片上獲得連續(xù)浮雕 結(jié)構(gòu)，如圖4(c)。 實(shí)施例3:制作如圖5所示具有連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)的微透鏡陣列，元件材料為藍(lán)寶石，壓模 材料為聚二甲基硅氧垸(PDMS)，聚合物選用紫外有機(jī)感光溶劑PAKOl,具體工 藝流程如下-1、 按照如圖l所示的工藝流程，使用電子束直寫(xiě)技術(shù)以石英為材料制作與目 標(biāo)結(jié)構(gòu)相同的連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)，如圖5(a)。2、 以步驟l制作的連續(xù)微浮雕結(jié)構(gòu)為模具，應(yīng)用注塑復(fù)制的方法，制作 PDMS軟壓印模，如圖5(b)。3、 應(yīng)用紫外壓印將PDMS壓印模表面的微浮雕結(jié)構(gòu)壓印到基片表面聚合物 PAK01上，如圖5(c)。'4、應(yīng)用干法刻蝕技術(shù)，將聚合物層的微浮雕結(jié)構(gòu)圖形轉(zhuǎn)移至基片表面，如 圖5(d)。
權(quán)利要求
1、一種基于紫外壓印技術(shù)的多相位與連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)微光學(xué)元件制作的方法，具體包括以下步驟①應(yīng)用微細(xì)加工技術(shù)制備用于加工多相位或連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)微光學(xué)元件所需的微細(xì)結(jié)構(gòu)壓模；②應(yīng)用納米壓印技術(shù)將壓模上的浮雕結(jié)構(gòu)壓印到基片上的聚合物上；其特征在于，該方法所使用的納米壓印技術(shù)為紫外壓印技術(shù)，并且該方法還包括以下步驟，③以聚合物結(jié)構(gòu)為掩模，通過(guò)干法刻蝕技術(shù)實(shí)現(xiàn)微細(xì)結(jié)構(gòu)圖形向硬質(zhì)基片的傳遞，應(yīng)用該方法實(shí)現(xiàn)單一材料且表面具有多相位或連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)的非聚合物硬質(zhì)光學(xué)材料微光學(xué)元件的加工。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于紫外壓印技術(shù)的多相位與連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)微光 學(xué)元件制作的方法，其特征在于紫外壓印壓模材料為可透射紫外光的硬質(zhì)及軟質(zhì) 壓模材料，包括石英、玻璃、聚二甲基硅氧垸(PDMS)以及聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于紫外壓印技術(shù)的多相位與連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)微光 學(xué)元件制作的方法，其特征在于微細(xì)加工技術(shù)包括套刻技術(shù)、激光直寫(xiě)技術(shù)、電 子束直寫(xiě)技術(shù)以及軟壓印模注塑復(fù)制技術(shù)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于紫外壓印技術(shù)的多相位與連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)微光 學(xué)元件制作的方法，其特征在于，微光學(xué)元件材料包括玻璃、石英(Si02)、硅(Si)、 鍺(Ge)、藍(lán)寶石(Al20力、砷化鎵(GaAs)、氟化鎂(MgF2)、氟化鋰(LiF)、氟化鋇(BaF2)、 方解石(CaC03)、硫化鋅(ZnS)。
全文摘要
基于紫外壓印的多相位與連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)光學(xué)元件制作方法涉及光學(xué)元件制作技術(shù)；該方法制作具有多臺(tái)階與連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)特征的微光學(xué)元件包括以下三個(gè)步驟①應(yīng)用微細(xì)加工技術(shù)制備具有表面浮雕結(jié)構(gòu)的壓模；②應(yīng)用納米壓印技術(shù)將壓模上的浮雕結(jié)構(gòu)壓印到基片上的聚合物上；其特征在于，該方法所使用的納米壓印技術(shù)為紫外壓印技術(shù)，并且該方法還包括以下步驟，③以聚合物結(jié)構(gòu)為掩模，通過(guò)干法刻蝕技術(shù)實(shí)現(xiàn)微細(xì)結(jié)構(gòu)圖形向硬質(zhì)基片的傳遞，應(yīng)用該方法可以實(shí)現(xiàn)單一材料且表面具有多相位或連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)的非聚合物硬質(zhì)光學(xué)材料微光學(xué)元件的加工，較傳統(tǒng)方法具有更大的加工能力。
文檔編號(hào)G02B1/00GK101231463SQ20081006398
公開(kāi)日2008年7月30日 申請(qǐng)日期2008年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月4日
發(fā)明者楠 劉, 譚久彬, 鵬 金, 高育龍 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)