一种三维微透镜阵列的制备方法

本发明属于三维微透镜阵列制造相关技术领域，更具体地，涉及一种三维微透镜阵列的制备方法。

背景技术：

微光学元件与传统的光学元件相比，微型器件体积小、重量轻，对于系统的小型化、集成化有着至关重要的作用。微光学元件广泛应用于工业生产、航空航天、国防等众多领域。现有技术中，三维微结构加工方法有灰度掩模光刻、电子束光刻、激光直写、光刻胶热熔法等。传统的光刻方法设备昂贵、加工效率低、加工周期长，不适用于微透镜阵列的大规模批量制作。微纳压印技术是一种低成本、速度快、高分辨率的复制技术，只需要一块模具，就可以大批量重复性地制备微结构。单点金刚石车削加工技术可以实现良好的面型精度与表面粗糙度控制，这种方法难以加工硅等脆性材料。中国专利cn110780365a中提供了一种首先制作铬掩膜版，在光刻机上进行曝光，经显影后在光刻胶上形成微结构，然后利用电镀形成模具，再利用紫外压印的方式得当微结构，但需要制作昂贵的铬掩膜版和使用昂贵的光刻设备。中国专利cn1553222a中提出了一种移动掩膜光刻的方式制作为透镜阵列，同样需要掩膜板和移动光刻设备，成本高。因此，亟需设计一种可以低成本和高效加工三维微透镜阵列的制备方法。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种三维微透镜阵列的制备方法，该方法结合微纳压印技术、单点金刚石车削加工技术以及干法刻蚀技术可以高效低成本的制备出三维微透镜阵列。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种三维微透镜阵列的制备方法，所述方法包括：s1，对金属基板进行加工得到三维微透镜阵列的模具；s2，在制备三维微透镜阵列的材料表面制备预设厚度的压印胶，并采用所述模具对所述压印胶进行压制固化得到压印胶材质的三维微透镜阵列，所述预设厚度大于所述三维微透镜阵列的高度；s3，采用干法刻蚀对所述压印胶材质的三维微透镜阵列进行刻蚀直至在制备三维微透镜阵列的材料上得到完整的三维微透镜阵列。

可选地，步骤s1中采用单点金刚石车削技术对所述金属基板进行加工。

可选地，步骤s1中包括：s11，采用等弧长离散方法生成加工点云和螺旋形的加工轨迹；s12，在精密加工机床上采用xzc三轴联动的慢刀伺服或xc两轴联动的快刀伺服或二维椭圆振动辅助切削加工加工出所述模具。

可选地，所述金属基板的材料为镍、不锈钢或黄铜中的一种。

可选地，步骤s2中采用所述模具利用热压印或紫外压印技术对所述压印胶进行压制。

可选地，利用热压印技术进行压制时压印温度高于所述压印胶的玻璃化温度。

可选地，利用紫外压印技术进行压制时紫外线的波长范围为200～1000nm。

可选地，所述当采用热压印时，所述压印胶的材料为聚甲基丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、neb22或mr-i9000中的一种；当采用紫外压印时，所述压印胶的材料为su-8或mr-l6000。

可选地，步骤s3中采用icp或rie干法刻蚀对所述压印胶材质的三维微透镜阵列进行刻蚀。

可选地，所述干法刻蚀的刻蚀气体为bcl3，hbr，sf6，cf4，c4f8，chf3，ar或o2中的一种或几种的混合物。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的一种三维微透镜阵列的制备方法具有如下有益效果：

1.采用模具进行压制模型而后进行刻蚀的方法，首先操作方法上非常简单，其次所用设备也比较简单易得，并且可以批量化制备，效率高，非常适用于工业化应用；

2.采用超精密制造的金刚石车削技术对金属基板进行加工，可以通过控制刀具的形状速度等提高制造的模具的精度，进而得到面形精度高和表面质量好的三维微透镜阵列；

3.采用热压印或紫外压印技术对所述压印胶进行压制便于将模具上的形状进行高精度的转移，并且操作简单高效；

4.采用气体干法刻蚀对制造的模具进行刻蚀，刻蚀的面型精度和表面质量高。

附图说明

图1示意性示出了本实施例的三维微透镜阵列的制备方法的步骤图；

图2示意性示出了本实施例的三维微透镜阵列的模具加工示意图；

图3示意性示出了本实施例的镍模具的白光检测图；

图4a示意性示出了本实施例均胶的示意图；

图4b示意性示出了本实施例对压印胶进行压制的示意图；

图4c示意性示出了本实施例对压印胶进行脱模的示意图；

图5示意性示出了本实施例的压印胶形变随温度的变化关系；

图6示意性示出了利用本实施例的制备方法制备的三维微透镜阵列。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1，本发明提供了一种三维微透镜阵列的制备方法，包括如下步骤s1～s3。本申请的所要制备的三维微透镜阵列的尺寸为：曲率半径400μm，矢高4.526μm，底面直径120μm。

s1，对金属基板进行加工得到三维微透镜阵列的模具。

所述金属基板的材料为镍、不锈钢或黄铜中的一种，本实施例中优选为镍。

采用采用单点金刚石车削技术对所述金属基板进行加工，具体包括如下步骤：

s11，采用等弧长离散方法生成加工点云和螺旋形的加工轨迹；

s12，在精密加工机床上采用xzc三轴联动的慢刀伺服或xc两轴联动的快刀伺服或二维椭圆振动辅助切削加工加工出所述模具。通过选择合适的刀具几何形状(刀尖圆弧半径、前角、后角)、加工参数(进给速度、切削深度、主轴转速)、改进刀路轨迹(加工点插值精度)等来提高微阵列结构的加工精度，快速加工出高面形精度和表面质量的微透镜阵列。制作的微透镜阵列面型误差为≤4％，表面粗糙度≤5nm。

在超精密机床上采用单点金刚石切削技术直接加工出待制备的三维微透镜阵列的模具。所述精密机床优选为三轴(xzc)车床，编程分辨率为0.01nm(直线)/0.0000001°(回转)，性能指标为加工表面粗糙度(ra)＜1nm，形状误差(p-v)＜0.1μm；

所述单点金刚石切削技术采用单晶金刚石刀具，其刀尖圆弧半径为0.1mm，刀具前角为0°，后角为15°(满足加工过程中刀具与已加工表面不发生干涉的条件)；

如图2所示，所述加工方法为xzc三轴联动的慢刀伺服或xc两轴联动的快刀伺服加工，加工过程中的刀路轨迹为螺旋形，考虑加工精度要求和加工效率选取合适的刀路轨迹插值分辨率，采用等弧长离散方式生成刀路轨迹点，加工出与待制备的三维微透镜阵列相匹配的模具。

如图3所示，采用白光干涉仪对加工的模具的表面质量进行测量得到加工的模具的误差为3.8％，表面粗糙度(ra)≤5nm。

s2，在制备三维微透镜阵列的材料表面制备预设厚度的压印胶，并采用所述模具对所述压印胶进行压制固化得到压印胶材质的三维微透镜阵列，所述预设厚度大于所述三维微透镜阵列的高度。

本实施例中三维微透镜阵列的材料优选为硅片。在对硅片的表面进行制备压印胶之前需要对硅片的表面进行清洗。

清洗硅片时，先后使用丙酮、无水乙醇、去离子水对硅片进行超声清洗，烘干硅片；

如图4a所示，根据待制备的三维微透镜阵列的高度将热压印胶匀至6μm，然后烘干压印胶中的溶剂。当采用热压印时，所述压印胶的材料为聚甲基丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、neb22或mr-i9000中的一种；当采用紫外压印时，所述压印胶的材料为su-8或mr-l6000。

如图4b和图4c所示，采用所述模具利用热压印或紫外压印技术对所述压印胶进行压制。图5所示为本实施例的压印胶的形变随温度的变化关系，其中，利用热压印技术进行压制时压印温度高于所述压印胶的玻璃化温度，脱模温度在低于玻璃化温度时才可以保证脱模质量；利用紫外压印技术进行压制时紫外线的波长范围为200～1000nm，功率为1.8w，与热压印不同的是需要采用对应的紫外压印胶，利用胶的光敏感特性进行固化。

采用纳米压印设备eitre3nanoimprintlithographyinstrument，对其进行压印，需要控制压力(5bar～70bar)、压印温度(小于或等于300℃)、保压时间、脱模温度等参数，利用最佳的组合工艺参数将微透镜阵列高精度的复制到压印胶表面。其中，最佳的组合工艺参数可以采用正交实验的方式获取，从而获取面型精度高、均一性好的微结构。

s3，采用干法刻蚀对所述压印胶材质的三维微透镜阵列进行刻蚀直至在制备三维微透镜阵列的材料上得到完整的三维微透镜阵列。

采用icp或rie干法刻蚀对所述压印胶材质的三维微透镜阵列进行逐层刻蚀，将压印胶的形状按照1∶1选择比转移到硅片上，如图6所示。所述干法刻蚀的刻蚀气体为bcl3，hbr，sf6，cf4，c4f8，chf3，ar或o2中的一种或几种的混合物。

通过控制icp源功率(0～3000w)、rie源功率(0～600w)、刻蚀气体(bcl3，hbr，sf6，cf4，c4f8，chf3，ar或o2)的比例、压强等刻蚀参数，可以使刻蚀出的微结构有较高的面型精度、较低的表面粗糙度。

使用plasmalabsystem100icp180刻蚀设备，通过控制icp源功率(0～3000w)、rie源功率(0～600w)、刻蚀气体(bcl3，hbr，sf6，cf4，c4f8，chf3，ar，o2)的比例、压强等刻蚀参数，实现1∶1选择比，从而能够将三维微透镜阵列结构高精度的转移到硅基底上。

在实现1：1选择比时，可以通过台阶仪对其刻蚀前后的高度进行测量计算。对于热压印和icp刻蚀得到的微透镜结构，可以用sem、白光干涉仪、afm等对其进行观测分析。

综上所述，本申请中的制备方法将单点金刚石车削技术、微纳压印技术和干法刻蚀技术等结合，首先制备出与待制备的三维微透镜阵列相匹配的模具，然后利用该模具压制出与三维微透镜阵列形状相同的模型，然后对该模型进行逐层刻蚀即可获得三维微透镜阵列，首先操作方法上非常简单，其次所用设备也比较简单易得，并且可以批量化制备，效率高，非常适用于工业化应用。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。