基於紫外壓印的多相位與連續浮雕結構光學元件製作方法
2023-07-24 22:17:36 1
專利名稱：基於紫外壓印的多相位與連續浮雕結構光學元件製作方法
技術領域：
本發明屬於微光學元件製作方法，涉及一種應用紫外壓印技術製作具有多相 位與連續浮雕結構特徵的微光學元件的方法。
背景技術：
微結構光學元件可以極大地改善光學系統的成像特性，減小系統體積，降低 系統重量，使光學系統的性能達到一個新的高度。傳統的微結構光學元件的加工方法主要有(多次)光學套刻(專利號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 技術以及灰度掩膜(專利號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複雜、加工效率低、速度慢等缺點，其中，多次光學套刻工藝複雜，存在無法避免的對準 誤差，對微結構光學元件的衍射效率產生很大的影響；直寫加工效率極其低下， 無法應用於批量加工製造；灰度掩模加工工藝費用高昂，工藝複雜，而且存在曝 光失真的現象。基於熱塑性材料的模壓複製技術(專利號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作微結構光學元件可以實現表 面微細結構的一次複製成型，但應用該方法只能加工基於聚合物光學材料的微光 學元件，無法加工玻璃、二氧化矽等硬質光學元件，存在材料選取範圍窄、應用 範圍小、功能受限等缺點，同時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(UV Nanoimprint L他ography - UV NIL)是納米壓印技術的 一種，於1999年由美國德克薩斯州大學奧斯汀分校材料研究所的研究人員提出 (專利號US266663， "Step and flash imprint lithography")。該技術是一種在常溫、 常壓環境下利用紫外光固化高分子聚合物的壓印光刻技術。該方法與之前巳有的 熱壓印技術相比，不同之處在於，壓印時無需先行加熱，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複性。該法通過紫外光照射來固化聚合物層，所用 時間很短，可大幅提高生產效率。目前已經公開了幾種應用紫外納米壓印技術製作微光學元件的方法，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 過選用光學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過一次 壓印或多次重複壓印，實現連續浮雕菲涅耳透鏡微細結構以及微透鏡陣列結構的 加工，此類方法的主要問題為，微光學元件由兩種不同的材料結合而成，兩種材 料的熱膨脹係數不匹配容易導致薄膜材料隨溫度大範圍變化而脫落，而且，聚合 物薄膜材料的種類也十分有限，不能滿足特殊情況下的光學材料要求，因而應用 場合受到極大的限制。目前應用紫外納米壓印製作如石英、玻璃、矽、鍺等紅外或可見光光譜範圍 內的硬質光學材料的微光學元件尚未見報導。發明內容本發明的目的在於設計一種基於紫外壓印技術的多相位或連續浮雕結構微 光學元件加工的方法，通過應用單次或者多次紫外壓印，並結合幹法刻蝕工藝， 實現微光學元件的高精度、低成本、大批量製備。本發明的技術解決方案是 一種基於紫外壓印技術的多相位與連續浮雕結構 微光學元件製作的方法，具體包括以下步驟①應用微細加工技術製備用於加工多相位或連續浮雕結構微光學元件所需的微細結構壓模；②應用納米壓印技術將 壓模上的浮雕結構壓印到基片上的聚合物上；其特徵在於，該方法所使用的納米 壓印技術為紫外壓印技術，並且該方法還包括以下步驟，③以聚合物結構為掩模， 通過幹法刻蝕技術實現微細結構圖形向硬質基片的傳遞，應用該方法實現單一材 料且表面具有多相位或連續浮雕結構的非聚合物硬質光學材料微光學元件的加 工。所述的基於紫外壓印技術的多相位或連續浮雕結構微光學元件加工的方法， 其特徵是，壓模材料為可透射紫外光的硬質及軟質壓模材料，如玻璃、石英、聚 甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基矽氧烷(PDMS)。所述的基於紫外壓印技術的多相位或連續浮雕結構微光學元件加工的方法， 其特徵是，微細加工技術包括套刻技術、雷射直寫技術、電子束直寫技術以及軟 壓印模注塑複製技術。所述的基於紫外壓印技術的多相位或連續浮雕結構微光學元件加工的方法， 其特徵是，微光學元件材料包括玻璃、石英(Si02)、矽(Si)、鍺(Ge)、藍寶石(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)。本發明的創新性工作在於本發明提出了一種基於紫外壓印的多相位與連續浮雕結構光學元件的製作 方法。該方法的基本思想是基於紫外固化聚合物自身固有的光化學特性，在具有 流動性的未固化聚合物表面使用帶有微浮雕結構的硬質或軟質壓模進行機械擠 壓，再經過紫外光固化這一光化學過程將壓模表面的微浮雕結構高精度的複製到 聚合物表面，完成微細結構圖形的轉移，該方法可使工藝複雜度大幅降低，應用 該方法代替傳統微細加工技術的光學曝光或者直寫工藝步驟，實現微細結構向目 標表面抗蝕劑的複製，可降低傳統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，應用紫外固化還可避免熱固化過程中因大範圍溫度變化所引起 的熱變形，使加工精度得到提高，同時結合幹法刻蝕工藝步驟，最終實現微細結 構圖形向硬質光學材料表面的轉移加工製作。基於上述創新點，本發明相較以往微光學器件加工工藝，主要具有如下優越性1、本發明能夠加工特徵尺寸在10nm以下的微細結構，可以滿足大相對孔徑、高衍射效率和短波長器件的加工要求，對複雜的臺階式浮雕結構和連續浮雕 結構可以實現一次成形。2、 相比於灰度掩模加工工藝，本發明避免了灰度曝光工藝過程，不需要制 作費用高昂的變劑量曝光掩模，同時還能解決灰度曝光過程中的曝光失真等現 象，具有良好的加工精度和工藝實現性，同時降低工藝複雜性。3、 相比於傳統的多層掩模套刻技術，本發明避免了多次套刻所帶來的對準 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元件的加工水平， 同時用一次壓印代替多次光刻，極大地提高了加工效率。4、 相比於雷射直寫加工技術，本發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，同時具有加工工藝簡單、加工結果一致性好等 優點。-5、相比於熱壓印技術，本發明避免了高溫以及高壓操作帶來的變形問題， 減少了操作的複雜性，提高了壓印精確度、生產效率以及多次壓印的重複性，同 時還提高了加工效率。6、 本發明對微結構光學器件的材料沒有限制，可以將壓膜上的多位相或連 續浮雕結構，通過相應的幹法刻蝕工藝高精度地傳遞到諸如石英、單晶矽和藍寶 石等硬質光學材料中。相比於其他微光學複製工藝中所採用的聚合物材料，此類 材料具有高強度、高硬度、高抗輻射損傷閾值、高化學穩定性、寬透射光譜範圍 等優點。7、 本發明具有工藝簡單、速度快、重複性好、成本低、產率高等優點，同 時可以實現批量生產。
圖l為應用直寫技術獲得壓模的工藝以及應用注塑複製技術製作軟壓印模的 流程示意圖。(a) 對基片上的抗蝕劑進行掃描式逐點變劑量曝光；(b) 顯影后在其表面形成臺階式的浮雕結構； (C)應用各向異性反應離子刻蝕得到壓模。(d)應用軟壓印模注塑複製技術製作軟壓印模。圖2支座具有多臺階浮雕結構的二元光學透鏡的工藝流程示意圖。(a) 壓模結構示意圖；(b) 應用該壓模實施紫外壓印；(C)幹法刻蝕後的二元光學透鏡微浮雕結構示意圖。 圖3為具有連續浮雕結構的二元光學透鏡結構示意圖。 圖4為製作具有連續浮雕結構的二元光學透鏡工藝流程示意圖。(a) 壓模結構示意圖；(b) 應用該壓模實施紫外壓印；(C)幹法刻蝕後的二元光學透鏡微結構示意圖。 圖5為製作具有連續浮雕結構的微透鏡陣列的示意圖。(a) 石英微浮雕結構母板示意圖；(b) 應用注塑複製技術製作PDMS壓印模示意圖；(c) 應用PDMS壓模實施紫外壓印；(d) 幹法刻蝕後的為透鏡陣列結構示意圖。
具體實施方式
實施例l製作具有多臺階浮雕結構的二元光學透鏡，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，使用雷射直寫技術製作具有與目標結構互補的表面浮雕壓模，如圖2(a)。2、 應用紫外壓印將壓模上的結構反向複製到基片上的OG154上，如圖2(b)。3、 以OG154圖案為掩模，應用反應離子刻蝕技術，在石英基片上獲得多臺 階浮雕結構，如圖2(c)。實施例2:製作如圖3所示具有連續浮雕結構的二元光學透鏡，元件材料為單晶矽，壓 模的材料為石英，聚合物選用紫外有機感光溶劑PAKOl。具體工藝流程如下 —1、按照如圖l所示的工藝流程，使用電子束直寫技術製作具有與目標結構互 補的連續浮雕壓模，如圖4(a)。2、應用紫外壓印將壓模上的浮雕結構反向複製到基片上的PAK01上，如圖3、以PAK01圖案為掩模，應用幹法刻蝕技術，在石英基片上獲得連續浮雕 結構，如圖4(c)。 實施例3:製作如圖5所示具有連續浮雕結構的微透鏡陣列，元件材料為藍寶石，壓模 材料為聚二甲基矽氧垸(PDMS)，聚合物選用紫外有機感光溶劑PAKOl,具體工 藝流程如下-1、 按照如圖l所示的工藝流程，使用電子束直寫技術以石英為材料製作與目 標結構相同的連續浮雕結構，如圖5(a)。2、 以步驟l製作的連續微浮雕結構為模具，應用注塑複製的方法，製作 PDMS軟壓印模，如圖5(b)。3、 應用紫外壓印將PDMS壓印模表面的微浮雕結構壓印到基片表面聚合物 PAK01上，如圖5(c)。'4、應用幹法刻蝕技術，將聚合物層的微浮雕結構圖形轉移至基片表面，如 圖5(d)。
權利要求
1、一種基於紫外壓印技術的多相位與連續浮雕結構微光學元件製作的方法，具體包括以下步驟①應用微細加工技術製備用於加工多相位或連續浮雕結構微光學元件所需的微細結構壓模；②應用納米壓印技術將壓模上的浮雕結構壓印到基片上的聚合物上；其特徵在於，該方法所使用的納米壓印技術為紫外壓印技術，並且該方法還包括以下步驟，③以聚合物結構為掩模，通過幹法刻蝕技術實現微細結構圖形向硬質基片的傳遞，應用該方法實現單一材料且表面具有多相位或連續浮雕結構的非聚合物硬質光學材料微光學元件的加工。
2、 根據權利要求1所述的基於紫外壓印技術的多相位與連續浮雕結構微光 學元件製作的方法，其特徵在於紫外壓印壓模材料為可透射紫外光的硬質及軟質 壓模材料，包括石英、玻璃、聚二甲基矽氧垸(PDMS)以及聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)。
3、 根據權利要求1所述的基於紫外壓印技術的多相位與連續浮雕結構微光 學元件製作的方法，其特徵在於微細加工技術包括套刻技術、雷射直寫技術、電 子束直寫技術以及軟壓印模注塑複製技術。
4、 根據權利要求1所述的基於紫外壓印技術的多相位與連續浮雕結構微光 學元件製作的方法，其特徵在於，微光學元件材料包括玻璃、石英(Si02)、矽(Si)、 鍺(Ge)、藍寶石(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
基於紫外壓印的多相位與連續浮雕結構光學元件製作方法涉及光學元件製作技術；該方法製作具有多臺階與連續浮雕結構特徵的微光學元件包括以下三個步驟①應用微細加工技術製備具有表面浮雕結構的壓模；②應用納米壓印技術將壓模上的浮雕結構壓印到基片上的聚合物上；其特徵在於，該方法所使用的納米壓印技術為紫外壓印技術，並且該方法還包括以下步驟，③以聚合物結構為掩模，通過幹法刻蝕技術實現微細結構圖形向硬質基片的傳遞，應用該方法可以實現單一材料且表面具有多相位或連續浮雕結構的非聚合物硬質光學材料微光學元件的加工，較傳統方法具有更大的加工能力。
文檔編號G02B1/00GK101231463SQ20081006398
公開日2008年7月30日 申請日期2008年2月4日 優先權日2008年2月4日
發明者楠 劉, 譚久彬, 鵬 金, 高育龍 申請人:哈爾濱工業大學