专利名称：基于柔性紫外压模的曲面基底多相位微光学元件加工方法
技术领域：
本发明属于微光学元件制作方法，涉及一种基于柔性紫外压模的曲面基底多 相位微光学元件加工的方法。
背景技术：
基于曲面基底的微结构光学元件比基于平面基底的衍射光学元件具有更好 的光学成像特性,在光学系统中应用曲面基底微结构光学可以更大程度的提高光 学系统的集成度，并且能增加光学系统的设计自由度、减小体积、压縮成本、降 低光学系统设计难度，使光学系统的性能实现最大化。传统的光学光刻方法很难适用于曲面基底的微细结构加工，目前已有的曲面 基底微结构光学元件的加工主要采用的是激光直写的方法，如①DanielaRadtke， Uwe D. Zeitner. Laser-lithography on non-planar surfaces. Optics Express. Vol. 15: 1167 1174(2007);②Yongjun Xie， Zhenwu Lu, Fengyou Li, Jingli Zhao, ZhichengWeng. Lithographic fabrication of large dif&active optical elements on a concave lens surface. Optics Express. Vol. 10: 1043 1047(2002)等，主要是通过对 被加工件空间三维运动位移量的高精度控制，调整写入光斑，以逐点曝光的方式， 实现曲面基底衍射光学元件的加工制作。该类方法依赖于极其复杂的多自由度高 精度运动控制系统，成本高昂、机构复杂，且存在加工效率低、速度慢、不适用 于批量的加工制作等缺点。基于柔性压模的紫外压印技术是在软光刻的基础上发展而来，在纳米压印过 程中应用柔性材料制作压模，可实现小于30nm的微细结构的加工。柔性压模是 一种具有弹性胶状物质，可根据需要弯曲成任意形状，如柱面、球面甚至非球面， 使非平面基底的微细结构加工成为可能。与基于刚性压模的紫外压印技术相比， 柔性紫外压模具有成本低、易制作、寿命长、速度快等优点，可以在150mm直径 的基底上一次实现微细结构的加工制作，无须多次重复压印。目前已经公开了的基于柔性压模紫外压印技术制作曲面基底微结构光学元件的方法，如①Younan Xia， George M Whitesides. Soft Lithography. Angew. Chem. Int. Ed. Vol 37:550 575(1998)②Xia YN, Kim E, Zhao XM， Rogers JA， Prentiss M， Whitesides GM. Complex optical surfaces formed by replica molding against elastomeric masters. SCIENCE 273 (5273): 347 349(1996)等，通过使用柔 性压印模PDMS，在圆柱面基底的光刻胶聚合物上实现了闪耀光栅等微细结构加 工，该方法不能实现对结构材料为石主、玻璃等硬质光学材料的加工制作，具有很 大的材料选取局限性，应用十分有限。目前未见有应用柔性压模紫外压印技术制作结构材料为硅、石^"等可见光或 红外波段硬质光学材料的曲面基底微光学元件的研究报导。发明内容本发明的目的在于设计一种基于柔性紫外压模的曲面基底多相位微光学元 件加工的方法，应用柔性紫外压模压印技术，通过弯曲柔性压模至所需的形面， 如柱面、球面以及非球面，可实现曲面基底微光学元件的加工与制作。本发明的技术解决方案是 一种基于柔性紫外模的曲面基底多相位微光学元 件加工的方法，具体包括以下步骤①应用微细加工技术制备用于加工曲面基底 多相位或连续浮雕结构微光学元件所需的微细结构压模母板；②应用注塑复制技 术将母板表面浮雕结构复制到软压印模表面上；③应用紫外压印技术将软压模上 的浮雕结构压印到曲面基板表面的聚合物上；其特征在于，该方法还包括以下步 骤，④以聚合物结构为掩模，应用干法刻蚀技术在基片上获得浮雕结构，完成微 细结构向硬质基板表面的图形传递，并且在步骤③中，软压印模在压印过程所外 加的预压力作用下发生弹性形变而弯曲成与被加工表面相近的形状，且变形量的 大小可通过有限元仿真的方法计算得到，步骤①中的压模母板表面微细结构的形 貌与尺寸需要针对改形变量的大小对进行补偿设计，应用该方法可以实现单一材 料曲面基底非聚合物硬质光学材料微光学元件的加工制作。所述的基于柔性紫外压模的曲面基底多相位微光学元件加工的方法，其特征 是，被加工的基片表面为诸如球面、非球面、柱面的曲面结构。所述的基于柔性紫外压模的曲面基底多相位微光学元件加工的方法，其特征 是，压模材料为可透射紫外光的柔性压模材料，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)。所述的基于柔性紫外压模的曲面基底多相位微光学元件加工的方法，其特征 是，微细加工技术包括套刻技术、激光直写技术、电子束直写技术。所述的基于柔性紫外压模的曲面基底多相位微光学元件加工的方法，其特征是，微光学元件材料包括玻璃、石英(SiO》、銜Si)、锗(Ge)、蓝宝石(Al203)、砷 化镓(GaAs)、氟化镁(MgF2)、氟化锂(LiF)、氟化钡(BaF2)、方解石(CaC03)、硫 化锌(ZnS)。本发明的创新性在于本发明提出了一种基于柔性紫外压模的曲面基底多相位微光学元件加工方 法。-该方法的基本思想是利用柔性压模的弹性形变，实现微细结构由平面基底向 曲面基底的压印复制，弹性形变量可由压模材料的杨氏模量计算仿真得出，通过 仿真试验还可对平面基的硬质压模母板进行关于弹性形变量的补偿设计。应用该方法^r避免传统加工方法对于多自由度、高精度快速运动控制系统的依赖。该方 法通过制作压模母板、生成柔性压模、柔性压模压印，并结合干法刻蚀等步骤， 实现了曲面基底硬质光学材料微结构光学元件的加工制作，与其他方法相比，工 艺步骤更加简单、制作更容易、加工成本更低、更易于实现批量快速加工制作。本发明的优越性在于1、 本发明能够加工特征尺寸在10nm以下的微细结构，可以满足多尺度、不 同分辨力的浮雕结构加工要求，并且能实现各种曲面基底上的表面浮雕结构的加 工制作。2、 m匕于传统的激光直写加工技术，本发明具有加工工艺简单、加工速度 快、可实现性好、精度高、加工成本低等优点。3、 本发明没有复制材料的局限，可以将表面轮廓复制到诸如石英、单晶硅 和蓝宝石等材料中。相较于聚合物此类材料具有高强度、高硬度、高抗辐射损伤 阈值、高化学稳定性、宽透射光谱范围等优点。4、 本发明具有工艺简单、速度快、重复性好、费用低、寿命长、产率高等优点，可以实现批量生产。
图l为制作压模母板以及软压印模的工艺流程示意图。 (a)电子束直写曝光；(b) 显影；(c) 干法刻蚀(d) 注塑复制。图2为制作球面基底多台阶二元光学'透镜的工艺流程示意图。(a) 注塑复制；(b) 球而涂胶；(c) 球面紫外压印；(d) 脱模；(e) 干法刻蚀。图3为制作柱面基底多台阶的二元光学元件的工艺流程示意图。(a) 注塑复制；(b) 柱面涂胶；(C)柱面紫外压印；(d) 脱模；(e) 干法刻蚀。图4为制作非球面基底连续浮雕菲涅尔透镜的工艺流程示意图。(a) 注塑复制；(b) 非球面涂胶；(C)非球面紫外压印；(d) 脱模；(e) 干法刻蚀。
具体实施方式
实施例l:如图2所示，制作球面基多台阶微浮雕结构的衍射光学透镜，元件材料为玻 璃，压模材料为PDMS，紫外压印所需聚合物为紫外固化胶OG154，具体工艺流 程如下-1 、如图l所示，应用激光直写技术制作具有与目标结构相同的表面浮雕石英 母板。2、如图2(a)所示，应用微结构注塑复制技术，将母板的微细结构复制到PDMS材料表面。3、 如图2(b)、 2(c)所示，应用PDMS压模在球面基片h实施紫外压印，PDMS 压模在外力的作用下弯曲成与被加工球面表面相似的曲面形貌。4、 如图2(d)所示，为经过脱模后的球M"基聚合物微浮雕结构。5、 如图2(e)所示，应用反应离子刻蚀技术，在玻璃基片上获得多台阶微浮 雕结构。实施例2:如图3所示，制作柱面基底多台阶结构的二元光学元件，元件材料为单晶硅， 压模的材料为PDMS，聚合物选用紫外有机感光溶剂PAKOl。具体工艺流程如下1、 如图l所示，应用电子束直写技术制作具有与目标结构相同的石英母板。2、 如图3(a)所示，应用微结构注塑复制技术，将母板的微细结构复制到 PDMS材料表面。3、 如图3(b)、 3(c)所示，应用PDMS压模在柱面基片上实施紫外压印,，PDMS 压模在外力的作用下弯曲成与被加工柱面表面相似的曲面形貌。4、 如图3(d)所示，为经过脱模后的柱面基聚合物微浮雕结构。5、 如图3(e)所示，应用干法刻蚀技术，在石英基片上获得多台阶微浮雕结构。 实施例3:如图4所示，制作具有连续浮雕结构的菲涅尔透镜，元件材料为蓝宝石，压 模材料为PDMS，聚合物选用紫外有机感光溶剂PAKOl，具体工艺流程如下1 、如图l所示，应用电子束直写技术制作与目标结构相同的连续浮雕结构石 英母板。2、 如图4(a)所示，应用微结构注塑复制技术，将母板的微细结构复制到 PDMS材料表面。3、 如图4(b)、4(c)所示，应用PDMS压模在非球面基片上实施紫外压印,PDMS 压模在外力的作用下弯曲成与被加工非球面表面相似的曲面形貌。4、 如图4(d)所示，为经过脱模后的非球面基聚合物微浮雕结构。5、 如图4(e)所示，应用干法刻蚀技术，在蓝宝石基片上获得多台阶微浮雕 结构。
权利要求
1、一种基于柔性紫外模的曲面基底多相位微光学元件加工的方法，具体包括以下步骤①应用微细加工技术制备用于加工曲面基底多相位或连续浮雕结构微光学元件所需的微细结构压模母板；②应用注塑复制技术将母板表面浮雕结构复制到软压印模表面上；③应用紫外压印技术将软压模上的浮雕结构压印到曲面基板表面的聚合物上；其特征在于，该方法还包括以下步骤，④以聚合物结构为掩模，应用干法刻蚀技术在基片上获得浮雕结构，完成微细结构向硬质基板表面的图形传递，并且在步骤③中，软压印模在压印过程所外加的预压力作用下发生弹性形变而弯曲成与被加工表面相近的形状，且变形量的大小可通过有限元仿真的方法计算得到，步骤①中的压模母板表面微细结构的形貌与尺寸需要针对该形变量的大小对进行补偿设计，应用该方法实现单一材料曲面基底非聚合物硬质光学材料微光学元件的加工制作。
2、根据权利要求1所述的基于柔性紫外压模的曲面基底多相位微光学元件 加工的方法，其特征在于，被加工的基片表面为诸如球面、非球面、柱面的曲面 结构。 '
3、 根据权利要求1所述的基于柔性紫外压模的曲面基底多相位微光学元件 加工的方法，其特征在于紫外压印压模材料为柔性压模材料，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
4、 根据权利要求1所述的基于柔性紫外压模的曲面基底多相位微光学元件 加工的方法，其特征在于微细加工技术包括套刻技术、激光直写技术、电子束直 写技术。
5、 根据权利要求1所述的基于柔性紫外压模的曲面基底多相位微光学元件 加工的方法，其特征在于，微光学元件材料包括玻璃、石英(Si02)、硅(Si)、锗(Ge)、 蓝宝石^1203)、砷化镓(GaAs)、氟化镁(MgF2)、氟化锂(LiF)、氟化钡(BaF2)、方 解石(CaC03)、硫化锌(ZnS)。
全文摘要
基于柔性紫外压模的曲面基底多相位微光学元件加工方法涉及微光学元件制作技术；该方法增加了以聚合物结构为掩模，应用干法刻蚀技术在基片上获得浮雕结构步骤，完成微细结构向硬质基板表面的图形传递，并且在压印步骤中，软压印模在压印过程所外加的预压力作用下发生弹性形变而弯曲成与被加工表面相近的形状，且变形量的大小可通过有限元仿真的方法计算得到，母板制作步骤中的压模母板表面微细结构的形貌与尺寸需要针对该形变量的大小对进行补偿设计，应用该方法可以实现单一材料曲面基底非聚合物硬质光学材料微光学元件的加工制作。
文档编号G03F7/00GK101221358SQ20081006398
公开日2008年7月16日 申请日期2008年2月4日 优先权日2008年2月4日
发明者楠 刘, 鹏 朱, 谭久彬, 鹏 金 申请人:哈尔滨工业大学