专利名称：一种平凸形微透镜及其阵列的制造方法
技术领域：
本发明属于微细制造技术和微光学技术领域，涉及ー种平凸形微透镜及其阵列制造方法。
背景技术：
据中国科学技术大学出版社2010年出版的《微机电系统工程基础》一书第3-16页介绍，微型机电系统自20世纪80年代以来得到了世界科学和技术界、エ业产业界的广泛重视，其中的微细制造技术作为其核心技术更是研究和创新的重点和热点。该书在第21 —92针对微细加工エ艺技术，分别介绍了基于硅材料的ICエ艺的原理和方法，基于传统加工方法和特种加工方法的非硅材料制造的原理和方法。但是，相关微细制造技术在微光学元件制造技术领域的应用没有予以说明，同时，未见对相关微细制造技术是否可应用于微透镜及其阵列制造领域的介绍。 据中国的科学出版社2001年出版的《先进光学制造技木》ー书第139-168页介绍，微光学元件有衍射型和折射型两种，其中微透镜及其阵列有着广泛的应用前景，主要エ艺技术为激光直写光刻、刻蚀技术。但是，相关的微透镜的面形控制和阵列制造技术未有分析和探讨。据国际光学工程学会(TheInternational Society for Optical Engineering,SPIE)2004 年出版的“Proc. of SPIE”(Vol. 5523，pp300_310)介绍，J. T. Sheridan 等通过理论和实验结合，利用光刻胶热熔法研究了球面形轮廓微透镜及其阵列的制造技术，但是，该方法是利用光刻胶在热熔融过程中表面张カ的作用，基于表面最小自由能原理而成为“球面形”轮廓的微透镜阵列，难以进行面形的调控；同时，也不能实现微透镜及其阵列的多件复制制造。据2006 年英国出版的期刊《JOURNAL OF MICROMECHANICS ANDMICROENGINEERING)) Vol. 16，January, 2006, pp368 — 374)介绍，Mao-Kuo Wei 等光刻胶热熔法和LIGAエ艺技术结合，利用LIGAエ艺的微细电铸エ艺和热模压エ艺来实现微透镜及其阵列的多件复制。但是，该方法只能获得“球面”面形的微透镜及其阵列，不能实现“非球面”面形微透镜及其阵列的制造。据美国“Optical Society of America” 2010 年出版的《OPTICS EXPRESS》(Vol. 18, No. 18 August, 2010, ppl9114 — 19119)介绍，Shu-Ming Kuo 等给出了一种基于SU8光刻胶冲压和静电场联合作用制作“非球面”微透镜及其阵列的方法，虽然该方法能实现“非球面”面形微透镜及其阵列的制作，但是，不能实现微透镜及其阵列的多件复制制造。
发明内容
本发明技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种平凸形微透镜及其阵列的制造方法，能实现折射型的球面面形微透镜及其阵列和非球面面形微透镜及其阵列的成型以及多件复制制造，以满足微光学领域对不同面形微透镜及其阵列的应用需求。
本发明的技术方案一种平凸形微透镜及其阵列的制造方法，其特征在于实现步骤如下第一歩，在溅射有金属导电层的硅片上，利用光刻エ艺，得到开ロ为圆形的盲孔或具有不同的孔间间距和排列方式的盲孔，通过微细电铸エ艺在所述盲孔中电沉积金属，在沉积至盲孔孔ロ所在平面的过电铸(Over-plating)过程中，得到轮廓形状为球面面形或非球面面形的不同直径和矢高的金属质微结构，或得到轮廓形状为球面面形或非球面面形的不同直径和矢高的金属质微结构构成的阵列充填因子可控调节的金属微结构阵列；第二步，以所得的球面面形或非球面面形的金属微结构或金属微结构阵列作为模具，将聚ニ甲基硅氧烷(PDMS)浇注在所述模具上，加热固化获得凹面结构的PDMS材质的球面面形或非球面面形的微结构及其阵列；第三步，以所得的roMS材质凹腔微结构为模具，浇注紫外光固化的光刻胶，利用控制速度的旋转来均匀光刻胶后用紫外光固化，获得平凸结构的球面面形或非球面面形的微透镜及其阵列；所述紫外光固化的光刻胶是在紫外光照射下，能发生自由基聚合固化和阳离子聚合固化的液态的负性光刻胶；第四步，以第一步微细电铸エ艺中的Over-platingエ艺所得金属质微结构为模具，重复第二步和第三步的热固化和紫外光固化的两次翻转エ艺，实现球面面形或非球面面形的微透镜及其阵列的多件复制制造。所述第一歩中，所述盲孔是具有不同深宽比的圆柱形孔或者是不同形状的非圆柱形孔；所述圆柱形孔的直径为10 1000 μ m,圆柱形孔的深宽比为O. I 5 ;所述非圆柱形孔的形状是正圆锥形，倒圆锥形。
所述第一歩中，所述盲孔中电沉积金属为镍或铜。所述第一歩中，光刻エ艺中采用的模板设计的孔与孔之间的中心距离为20 2000 μ m。所述第一歩中，所述盲孔排列方式为平行对齐方式或正六边形方式。所述金属微结构阵列的阵列充填因子可控调节方式是在光刻エ艺的模板设计时，通过设计了不同的孔与孔之间的中心距离和不同的排列方式来实现；或是控制在盲孔ロ平面的Over-plating过程的电沉积时间,通过阵列金属微结构在盲孔ロ平面内的持续沉积，在盲孔ロ平面内形成具有不同间距的金属微结构阵列。本发明与现有技术相比的优点在于(I)本发明利用微细电铸エ艺的Over-plating过程中，不同深宽比和不同孔形中金属沉积，在孔ロ平面上形成的微结构的轮廓为球面形或非球面形，且通过时间的调节可以控制金属沉积微结构在孔ロ平面的直径和高度，井能结合孔的中心距和分布的设计来控制沉积金属微结构之间的充填因子，进而利用该金属微结构作为模具，利用二次翻转方法即可获得所需的球面或非球面微透镜及其阵列。具有以下突出的优点①本发明的利用细电铸エ艺的Over-plating过程中的金属沉积特性,获得球面形状或非球面形状的微结构，使得球面或非球面面形的微透镜的金属质模具更加方便！②通过对Over-plating过程中的金属沉积时间的控制，便于直接控制球面形状或非球面形状的微结构的直径和矢高，使得获得不同直径和矢高的球面或非球面面形的微透镜更加方便；③根据不同时间下Over-plating过程中沉积金属微结构的直径，结合光刻模板的孔间的中心距和孔分布的设计，可以直接控制沉积金属微结构之间的充填因子利用电沉积所得的金属质微结构作为模具，利用热固化工艺和光固化エ艺集成的二次翻转方法，直接得到球面或非球面微透镜及其阵列，并便于多次的复制。(2)利用本发明可以实现不同面形、不同直径和矢高的平凸微透镜及其阵列的成形和多件复制，具有面形可控、尺度可控、充填因子可控、エ艺集成可操作性好以及批量化的多件复制等优点，将大大促进非硅エ艺的微细制造技术在微光学元件制造技术领域的应用。
图I为本发明中不冋深览比圆柱孔和正、倒直圆维孔中金属沉积，在孔ロ平面形成的轮廓形状为球面形或非球面形金属微结构原理图； 图2为本发明中不同深宽比圆柱孔中电沉积形成的球面形或非球面形的金属镍微结构模具和二次翻转方法得到的球面微透镜图；图3为本发明中控制充填因子的孔间的中心距和分布的设计图；图4为本发明中微细电铸Over-plating过程形成的不同充填因子的金属微结构图。
具体实施例方式下面结合附图及具体实施例详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，不仅仅限于本实施例。实施例I如图I、图2所示,根据微细电铸エ艺的原理,利用其Over-plating过程制造球面形或非球面形微透镜金属模具的实施方法步骤如下如图I为以硅片为基底1，在硅片上溅射ー层金属导电层2，再涂附光刻胶3，井利用光刻エ艺得到开ロ为圆形的不同深宽比(h/d)的圆柱形孔4，以及非圆柱形孔5，根据微细电铸エ在沉积至孔ロ平面的Over-plating过程中，控制在孔ロ平面Over-plating过程的电沉积的时间，可以得到不同直径D和对应不同矢高H，如附图I所示的不同直径D (D1、D2、D3、D4)及其对应不同矢高H (HI、H2、H3、H4)，沉积所得的金属质微结构的轮廓形状可以是球面面形6和7，或非球面面形8和9所示，该金属质微结构就是球面面形或非球面面形微透镜的成型模具。如附图2所示的I、2、3是深宽比(h/d)分别为O. I，O. 15，O. 3的圆柱形孔，微细电铸至孔ロ平面Over-plating过程中，控制电沉积时间4个小时,得到的材质为金属镍、轮廓形状为球面面形或非球面面形的金属质微结构；如图2所示，以微细电铸的Over-plating过程所得金属质微结构为模具,集成热固化和紫外光固化的两次翻转エ艺，制造轮廓形状为球面形微透镜的实施方法步骤如下
以图2中4所示的金属镍的球面面形微结构为微透镜模具，其直径D为950 μ m，矢高H为420 μ m，浇注定量的聚ニ甲基硅氧烷(PDMS)，加热到60°C后固化150分钟后，得到图中5所示的一次翻转的PDMS材质的球面面形的凹面结构，再在PDMS材质凹腔微结构5上浇注具有高透明度的120-5型负性光刻胶后，用旋转匀胶机转速1000转/分，旋转3分钟后，用紫外光固化，得到图中6所示的二次翻转的具有平凸结构的球面面形的微透镜。实施例2如图3所示，用光刻エ艺的模板中设计的控制的微透镜阵列的充填因子的实施方法步骤如下根据阵列中所需球面面形或非球面面形的微透镜的个数和直径D以及矢高H的要求，在光刻エ艺的模板中设计不同的孔间中心距离(L)和排列方式，图中的I是孔径d为200 μ m,行、列间距分别为B为260 μ m，L为250 μ m,平行对齐的行排列方式的阵列设计；图中的2、3是孔径d为200 μ m，图中3的行、列间距分别B为216. 5 μ m、L为250 μ m，图中4的行、列间距分别是BI为260 μ m、LI为300 μ m,正六方形排列方式的阵列设计；如图4所示,利用微细电铸的Over-plating过程,控制电沉积的时间,在孔ロ平面内控制金属微结构阵列的充填因子的实施方法步骤如下·
图中I为平行对齐排列方式下，孔径d为400 μ m，行、列间距分别为B为1000 μ m，L为1000 μ m,微细电铸Over-plating过程的电沉积时间为7小时所得材质为金属镍的金属微结构阵列；图中2为正六方形排列方式下，孔径d为200 μ m,行、列间距分别是B为303 μ m、L为350 μ m, Over-plating过程电沉积时间为2小时所得的材质为金属镍的金属微结构阵列，图中3为正六方形排列方式下，孔径d为200 μ m,行、列间距B为303 μ m、L为350 μ m, Over-plating过程电沉积时间为4小时所得材质为金属镍的金属微结构阵列，在孔ロ平面内得到的高度充填状况的金属微结构阵列。本发明说明书未详细阐述部分属于本领域公知技木。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种平凸形微透镜及其阵列的制造方法，其特征在于实现步骤如下 第一歩，在溅射有金属导电层的硅片上，利用光刻エ艺，得到开ロ为圆形的盲孔或具有不同的孔间间距和排列方式的盲孔，通过微细电铸エ艺在所述盲孔中电沉积金属，在沉积至盲孔孔ロ所在平面的过电铸(Over-plating)过程中控制持续电沉积时间为I 8个小时，得到轮廓形状为球面面形或非球面面形的不同直径和矢高的金属质微结构，或得到轮廓形状为球面面形或非球面面形的不同直径和矢高的金属质微结构构成的阵列充填因子可控调节的金属微结构阵列； 第二步，以所得的球面面形或非球面面形的金属微结构或金属微结构阵列作为模具，将聚ニ甲基硅氧烷(PDMS)浇注在所述模具上，加热固化获得凹面结构的PDMS材质的球面面形或非球面面形的微结构及其阵列； 第三歩，以所得的PDMS材质凹腔微结构为模具，浇注紫外光固化的光刻胶，利用控制速度的旋转来均匀光刻胶后用紫外光固化，获得平凸形的球面面形或非球面面形的微透镜及其阵列；所述紫外光固化的光刻胶是在紫外光照射下，能发生自由基聚合固化和阳离子聚合固化的液态的负性光刻胶； 第四步，以第一步微细电铸エ艺中的Over-platingエ艺所得金属质微结构为模具,重复第二步和第三步的热固化和紫外光固化的两次翻转エ艺，实现球面面形或非球面面形的微透镜及其阵列的多件复制制造。
2.根据权利要求I所述的ー种平凸形微透镜及其阵列的制造方法，其特征在于所述第一歩中，所述盲孔是具有不同深宽比的圆柱形孔或者是不同形状的非圆柱形孔。
3.根据权利要求2所述的ー种平凸形微透镜及其阵列的制造方法，其特征在于所述圆柱形孔的直径为10 1000 ilm，圆柱形孔的深宽比为0. I 5。
4.根据权利要求2所述的ー种平凸形微透镜及其阵列的制造方法，其特征在于所述非圆柱形孔的形状是正圆锥形，倒圆锥形。
5.根据权利要求I所述的ー种平凸形微透镜及其阵列的制造方法，其特征在于所述第一歩中，所述盲孔中电沉积金属为镍或铜。
6.根据权利要求I所述的ー种平凸形微透镜及其阵列的制造方法，其特征在于所述第一歩中，光刻エ艺中采用的模板设计的孔与孔间的中心距离为20 2000i!m。
7.根据权利要求I所述的ー种平凸形微透镜及其阵列的制造方法，其特征在于所述第一步中，所述盲孔排列方式为平行对齐方式或正六边形方式。
8.根据权利要求I所述的ー种平凸形微透镜及其阵列的制造方法，其特征在于所述金属微结构阵列的阵列充填因子可控调节方式是在光刻エ艺的模板设计时，通过设计了不同的孔与孔之间的中心距离和不同的排列方式来实现。
9.根据权利要求I所述的ー种平凸形微透镜及其阵列的制造方法，其特征在于所述金属微结构阵列的阵列充填因子可控调节方式是控制在盲孔ロ平面的Over-plating过程的电沉积时间，通过阵列金属微结构在盲孔ロ平面内的持续沉积，在盲孔ロ平面内形成具有不同间距的金属微结构阵列。
全文摘要
一种平凸形微透镜及其阵列的制造方法，在溅射有金属导电层硅片上，利用光刻工艺得到开口为圆形的盲孔或具有不同孔间距和排列方式的盲孔阵列，利用微电铸工艺在孔中电沉积金属，在孔口平面的过电铸过程中，控制电沉积时间得到不同直径和矢高、形状为球面面形或非球面面形的金属质微结构，或得到由金属质微结构构成的阵列充填因子可控调节的金属微结构阵列，以金属微结构及其阵列为模具，浇注聚二甲基硅氧烷(PDMS)后加热固化，获得凹面结构的微结构及其阵列，再在PDMS材质凹腔微结构上浇注光刻胶后用紫外光固化，获得平凸形的球面面形或非球面面形的微透镜及其阵列；本发明具有面形可控、尺度可控、充填因子可控、工艺集成可操作性好以及批量化的多件复制等优点。
文档编号G03F7/00GK102866440SQ20121036117
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月25日 优先权日2012年9月25日
发明者王翔, 孙浩, 翟中平 申请人:中国科学技术大学