专利名称：基于紫外压印的多相位与连续浮雕结构光学元件制作方法
技术领域：
本发明属于微光学元件制作方法，涉及一种应用紫外压印技术制作具有多相 位与连续浮雕结构特征的微光学元件的方法。
背景技术：
微结构光学元件可以极大地改善光学系统的成像特性，减小系统体积，降低 系统重量，使光学系统的性能达到一个新的高度。传统的微结构光学元件的加工方法主要有(多次)光学套刻(专利号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")、直写 技术以及灰度掩膜(专利号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")等几种方法。这几种方法普遍存在加工工艺复杂、加工效率低、速度慢等缺点，其中，多次光学套刻工艺复杂，存在无法避免的对准 误差，对微结构光学元件的衍射效率产生很大的影响；直写加工效率极其低下， 无法应用于批量加工制造；灰度掩模加工工艺费用高昂，工艺复杂，而且存在曝 光失真的现象。基于热塑性材料的模压复制技术(专利号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作微结构光学元件可以实现表 面微细结构的一次复制成型，但应用该方法只能加工基于聚合物光学材料的微光 学元件，无法加工玻璃、二氧化硅等硬质光学元件，存在材料选取范围窄、应用 范围小、功能受限等缺点，同时该方法也难以避免因热胀冷縮而引起的变形与加.工误差。紫外纳米压印术(UV Nanoimprint L他ography - UV NIL)是纳米压印技术的 一种，于1999年由美国得克萨斯州大学奥斯汀分校材料研究所的研究人员提出 (专利号US266663， "Step and flash imprint lithography")。该技术是一种在常温、 常压环境下利用紫外光固化高分子聚合物的压印光刻技术。该方法与之前巳有的 热压印技术相比，不同之处在于，压印时无需先行加热，压印的压力也较小，避 免了热压印工艺中压模的热膨胀和机械变形，也减少了磨损，因此提高了聚合物 图案的精确度和多次压印的重复性。该法通过紫外光照射来固化聚合物层，所用 时间很短，可大幅提高生产效率。目前已经公开了几种应用紫外纳米压印技术制作微光学元件的方法，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)与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 过选用光学性能良好的聚合物材料作为表面薄膜，直接在聚合物薄膜上经过一次 压印或多次重复压印，实现连续浮雕菲涅耳透镜微细结构以及微透镜阵列结构的 加工，此类方法的主要问题为，微光学元件由两种不同的材料结合而成，两种材 料的热膨胀系数不匹配容易导致薄膜材料随温度大范围变化而脱落，而且，聚合 物薄膜材料的种类也十分有限，不能满足特殊情况下的光学材料要求，因而应用 场合受到极大的限制。目前应用紫外纳米压印制作如石英、玻璃、硅、锗等红外或可见光光谱范围 内的硬质光学材料的微光学元件尚未见报导。发明内容本发明的目的在于设计一种基于紫外压印技术的多相位或连续浮雕结构微 光学元件加工的方法，通过应用单次或者多次紫外压印，并结合干法刻蚀工艺， 实现微光学元件的高精度、低成本、大批量制备。本发明的技术解决方案是 一种基于紫外压印技术的多相位与连续浮雕结构 微光学元件制作的方法，具体包括以下步骤①应用微细加工技术制备用于加工多相位或连续浮雕结构微光学元件所需的微细结构压模；②应用纳米压印技术将 压模上的浮雕结构压印到基片上的聚合物上；其特征在于，该方法所使用的纳米 压印技术为紫外压印技术，并且该方法还包括以下步骤，③以聚合物结构为掩模， 通过干法刻蚀技术实现微细结构图形向硬质基片的传递，应用该方法实现单一材 料且表面具有多相位或连续浮雕结构的非聚合物硬质光学材料微光学元件的加 工。所述的基于紫外压印技术的多相位或连续浮雕结构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硬质及软质压模材料，如玻璃、石英、聚 甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)。所述的基于紫外压印技术的多相位或连续浮雕结构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、电子束直写技术以及软 压印模注塑复制技术。所述的基于紫外压印技术的多相位或连续浮雕结构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(Si02)、硅(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)。本发明的创新性工作在于本发明提出了一种基于紫外压印的多相位与连续浮雕结构光学元件的制作 方法。该方法的基本思想是基于紫外固化聚合物自身固有的光化学特性，在具有 流动性的未固化聚合物表面使用带有微浮雕结构的硬质或软质压模进行机械挤 压，再经过紫外光固化这一光化学过程将压模表面的微浮雕结构高精度的复制到 聚合物表面，完成微细结构图形的转移，该方法可使工艺复杂度大幅降低，应用 该方法代替传统微细加工技术的光学曝光或者直写工艺步骤，实现微细结构向目 标表面抗蚀剂的复制，可降低传统加工方法变剂量曝光工艺的高昂成本，提高批 量加工的一致性，应用紫外固化还可避免热固化过程中因大范围温度变化所引起 的热变形，使加工精度得到提高，同时结合干法刻蚀工艺步骤，最终实现微细结 构图形向硬质光学材料表面的转移加工制作。基于上述创新点，本发明相较以往微光学器件加工工艺，主要具有如下优越性1、本发明能够加工特征尺寸在10nm以下的微细结构，可以满足大相对孔径、高衍射效率和短波长器件的加工要求，对复杂的台阶式浮雕结构和连续浮雕 结构可以实现一次成形。2、 相比于灰度掩模加工工艺，本发明避免了灰度曝光工艺过程，不需要制 作费用高昂的变剂量曝光掩模，同时还能解决灰度曝光过程中的曝光失真等现 象，具有良好的加工精度和工艺实现性，同时降低工艺复杂性。3、 相比于传统的多层掩模套刻技术，本发明避免了多次套刻所带来的对准 误差，削去了加工工艺的主要误差源，提高了高衍射效率微光学元件的加工水平， 同时用一次压印代替多次光刻，极大地提高了加工效率。4、 相比于激光直写加工技术，本发明在加工速度与效率方面有极大的提高，解决了加工速度慢的最大的缺点，同时具有加工工艺简单、加工结果一致性好等 优点。-5、相比于热压印技术，本发明避免了高温以及高压操作带来的变形问题， 减少了操作的复杂性，提高了压印精确度、生产效率以及多次压印的重复性，同 时还提高了加工效率。6、 本发明对微结构光学器件的材料没有限制，可以将压膜上的多位相或连 续浮雕结构，通过相应的干法刻蚀工艺高精度地传递到诸如石英、单晶硅和蓝宝 石等硬质光学材料中。相比于其他微光学复制工艺中所采用的聚合物材料，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。7、 本发明具有工艺简单、速度快、重复性好、成本低、产率高等优点，同 时可以实现批量生产。
图l为应用直写技术获得压模的工艺以及应用注塑复制技术制作软压印模的 流程示意图。(a) 对基片上的抗蚀剂进行扫描式逐点变剂量曝光；(b) 显影后在其表面形成台阶式的浮雕结构； (C)应用各向异性反应离子刻蚀得到压模。(d)应用软压印模注塑复制技术制作软压印模。图2支座具有多台阶浮雕结构的二元光学透镜的工艺流程示意图。(a) 压模结构示意图；(b) 应用该压模实施紫外压印；(C)干法刻蚀后的二元光学透镜微浮雕结构示意图。 图3为具有连续浮雕结构的二元光学透镜结构示意图。 图4为制作具有连续浮雕结构的二元光学透镜工艺流程示意图。(a) 压模结构示意图；(b) 应用该压模实施紫外压印；(C)干法刻蚀后的二元光学透镜微结构示意图。 图5为制作具有连续浮雕结构的微透镜阵列的示意图。(a) 石英微浮雕结构母板示意图；(b) 应用注塑复制技术制作PDMS压印模示意图；(c) 应用PDMS压模实施紫外压印；(d) 干法刻蚀后的为透镜阵列结构示意图。
具体实施方式
实施例l制作具有多台阶浮雕结构的二元光学透镜，元件材料与压模材料均为玻璃，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、 按照如图l所示的工艺流程，使用激光直写技术制作具有与目标结构互补的表面浮雕压模，如图2(a)。2、 应用紫外压印将压模上的结构反向复制到基片上的OG154上，如图2(b)。3、 以OG154图案为掩模，应用反应离子刻蚀技术，在石英基片上获得多台 阶浮雕结构，如图2(c)。实施例2:制作如图3所示具有连续浮雕结构的二元光学透镜，元件材料为单晶硅，压 模的材料为石英，聚合物选用紫外有机感光溶剂PAKOl。具体工艺流程如下 —1、按照如图l所示的工艺流程，使用电子束直写技术制作具有与目标结构互 补的连续浮雕压模，如图4(a)。2、应用紫外压印将压模上的浮雕结构反向复制到基片上的PAK01上，如图3、以PAK01图案为掩模，应用干法刻蚀技术，在石英基片上获得连续浮雕 结构，如图4(c)。 实施例3:制作如图5所示具有连续浮雕结构的微透镜阵列，元件材料为蓝宝石，压模 材料为聚二甲基硅氧垸(PDMS)，聚合物选用紫外有机感光溶剂PAKOl,具体工 艺流程如下-1、 按照如图l所示的工艺流程，使用电子束直写技术以石英为材料制作与目 标结构相同的连续浮雕结构，如图5(a)。2、 以步骤l制作的连续微浮雕结构为模具，应用注塑复制的方法，制作 PDMS软压印模，如图5(b)。3、 应用紫外压印将PDMS压印模表面的微浮雕结构压印到基片表面聚合物 PAK01上，如图5(c)。'4、应用干法刻蚀技术，将聚合物层的微浮雕结构图形转移至基片表面，如 图5(d)。
权利要求
1、一种基于紫外压印技术的多相位与连续浮雕结构微光学元件制作的方法，具体包括以下步骤①应用微细加工技术制备用于加工多相位或连续浮雕结构微光学元件所需的微细结构压模；②应用纳米压印技术将压模上的浮雕结构压印到基片上的聚合物上；其特征在于，该方法所使用的纳米压印技术为紫外压印技术，并且该方法还包括以下步骤，③以聚合物结构为掩模，通过干法刻蚀技术实现微细结构图形向硬质基片的传递，应用该方法实现单一材料且表面具有多相位或连续浮雕结构的非聚合物硬质光学材料微光学元件的加工。
2、 根据权利要求1所述的基于紫外压印技术的多相位与连续浮雕结构微光 学元件制作的方法，其特征在于紫外压印压模材料为可透射紫外光的硬质及软质 压模材料，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、 根据权利要求1所述的基于紫外压印技术的多相位与连续浮雕结构微光 学元件制作的方法，其特征在于微细加工技术包括套刻技术、激光直写技术、电 子束直写技术以及软压印模注塑复制技术。
4、 根据权利要求1所述的基于紫外压印技术的多相位与连续浮雕结构微光 学元件制作的方法，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(Al20力、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
基于紫外压印的多相位与连续浮雕结构光学元件制作方法涉及光学元件制作技术；该方法制作具有多台阶与连续浮雕结构特征的微光学元件包括以下三个步骤①应用微细加工技术制备具有表面浮雕结构的压模；②应用纳米压印技术将压模上的浮雕结构压印到基片上的聚合物上；其特征在于，该方法所使用的纳米压印技术为紫外压印技术，并且该方法还包括以下步骤，③以聚合物结构为掩模，通过干法刻蚀技术实现微细结构图形向硬质基片的传递，应用该方法可以实现单一材料且表面具有多相位或连续浮雕结构的非聚合物硬质光学材料微光学元件的加工，较传统方法具有更大的加工能力。
文档编号G02B1/00GK101231463SQ20081006398
公开日2008年7月30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, 谭久彬, 鹏 金, 高育龙 申请人:哈尔滨工业大学