光学元件的制造的制作方法

本申请是国家申请号为200880127072.5，国际申请日为2008年12月16日，发明名称为“光学元件的制造”的的发明专利申请的分案申请。

本发明处于借助于包括模压或模制步骤的复制工艺在晶片规模上制造多个光学元件（例如折射光学元件或衍射微光学元件）的领域。更具体而言，本发明涉及一种用于复制光学元件的方法。

背景技术：

复制的光学元件包括用于以预先定义的方式影响光束的透明的衍射光学元件和/或折射光学元件，折射元件诸如透镜、潜在地至少部分反射的元件等等。

当通过复制生产光学元件时，常常存在包括如下的基本配置：基板，复制工具，以及被放置得与该基板和/或该复制工具接触的复制材料。该复制工具包括复制结构，所述复制结构是将被复制的元件的表面结构的反型（negative）。在复制工艺的过程中，复制材料被硬化，并且在此之后复制工具被除去，复制材料仍然接触该基板。

特别关注的是晶片规模（wafer－scale）的制造工艺，其中在大规模的、例如盘状（“晶片”）的结构上制造光学元件的阵列，在复制之后该结构被分离（“切割”）成各个元件，或者被堆叠在其它晶片状的元件上并且在堆叠之后被分离成各个元件，例如如在wo2005/083789中描述的那样。“晶片规模”是指具有与半导体晶片相当的大小的盘状或板状基板的大小，诸如具有2英寸至12英寸的直径的盘。

在下文中，该基板有时被称为“晶片”。这不应当被解释成在基板的大小或形状方面是限制性的，而是该术语表示适于光学元件的阵列的任何基板，所述光学元件在复制工艺以后的某个阶段被切割成多个部件。

通过复制工艺所制造的光学元件常常在晶片的两个面上都包括复制结构，所述两个面一起例如构成透镜单态（singlet）。在这样的工艺中，第二面上的结构与第一面上的复制结构必须对准。这通常在所谓的掩模对准器中来实现，其中工具对准晶片上的某些结构。在通过一些机械特征将工具保持在合适位置的情况下，复制材料然后例如通过暴露于某些激活能、例如uv（紫外线）辐射形式的激活能而被硬化。由于硬化工艺通常是比较耗时的，因此对于大批量生产将必须使用大量的掩模对准器，以便可以并行执行若干个复制工艺。另外，关于对准步骤，必须人工操作掩模对准器，因此需要大量人员或大量的协调。

技术实现要素：

因此，本发明的一个目的是创建一种克服现有技术方法的缺点的用于制造多个光学元件的方法。本发明的另一目的是创建一种用于制造多个光学元件的方法，该方法快速并且适于用于光学元件的大批量生产。还有一目的是提供用于大批量复制元件的方法和设施。

这些和其它目的通过包括如下步骤的方法来实现：

－提供基板；

－提供工具，该工具在复制侧包括多个复制分段，每个复制分段限定光学元件之一的表面结构，该工具还包括至少一个接触隔离物部分，所述接触隔离物部分在复制侧比复制分段的最外面的特征突出得更远；

－将该工具与该基板的特征对准，并且使该工具和该基板的第一面组合在一起，其中复制材料处于该工具与该基板之间，接触隔离物部分接触该基板的第一面，并且由此导致隔离物部分附着到该基板的第一面，由此产生基板－工具组件；

－使该基板－工具组件移位至硬化站；

－在硬化站处使复制材料硬化；以及

－将该工具从该基板分离，其中硬化的复制材料附着于该基板。

因此，该方法可以包括：在将该工具和该基板相对于彼此对准以后，借助于从复制表面突出的特征并且利用与基板表面基本平行的平坦顶部即接触隔离物进行锁定。该锁定使得能够在没有预先能量输入的情况下将该基板工具组件从对准站转移到其它站。根据现有技术解决方案的这样的预先能量输入既限制对准站的构造自由度（并且可能要求比较复杂的对准站）又是费时的。即使复制材料是液态或者高粘性的，或者抗力性极小而塑性可变形并且在硬化以前不提供任何维度的刚度，仍然可以在没有预先能量输入的情况下进行转移。然而由于根据本发明的方法，接触隔离物部分充当吸力底座，因此提供所需的机械稳定性。而且，接触隔离物还有助于限定所复制的元件的z维度。

该基板可以是所谓的“晶片规模”的基板或者本文之前提到的那种“晶片”、或其它底座元件，其中该基板具有被添加到其的附加的结构，例如具有被附着到其的硬化的复制材料结构，从而限定多个光学元件的表面，具有一些被以光刻方式添加上或除去的特征（比如孔径等等），或者具有一些其它的结构。该基板可以包括任何材料或材料组合。在此的术语“基板”可以根据上下文表示简单的玻璃板或者其它合适材料的板（也称作“底座元件”）二者、或者其上面和/或里面配备有结构的这样的底座元件，例如在其一面上具有硬化的复制品的玻璃板。

在上述用于对准的复制的方法步骤以后的某个阶段，附着有复制品的该基板被分（切割）成各个光学元件。在切割以前，该方法可以可选地包括步骤：将该基板与承载光学元件的另外的基板、与限定不同基板之间的间隔的隔离物基板、和/或与承载多个其它元件的基板装配在一起，其中所述承载多个其它元件的基板诸如：在最终产品是照相机的情况下为cmos或ccd晶片，在最终产品是准直光源的情况下为具有光源阵列的晶片，等等。

所述光学元件可以是影响照射它们的光的任何元件，包括但不限于：透镜/准直器、图案发生器、偏转器、反射镜、分束器、用于将辐射分解成其光谱成分的元件等等及其组合。在本文中，在基板的一面上的复制结构以及在基板的两个面上的两个对准的复制光学元件的整体都被称为“光学元件”。本文中的“光学”元件包括能够影响不仅仅光谱的可见部分中的电磁辐射的元件。光学元件尤其包括用于影响可见光、红外辐射、以及可能地还包括uv辐射的元件。

工具（或“复制工具”）可以包括：形成刚性背板的第一硬质材料以及形成接触隔离物部分和复制分段二者的第二较软材料部分（复制部分）。更一般而言，接触隔离物部分可以由与形成复制分段的工具部分相同的材料制成，并且可以仅仅是工具的结构特征（没有添加元件）。作为替代方案，接触隔离物部分可以包括附加的材料，例如位于最外面的表面上的软性和/或粘性材料的涂层。

第二材料部分－或至少接触隔离物部分的最外面的表面部分的材料－由具有比较低的刚度的材料制成，该材料可以小规模地变形以使其形状适应于其靠着的对象的表面结构，诸如亚微米级的表面粗糙度。另外，所述材料可以具有比较低的表面能，从而使得这样的适应在能量方面有吸引力。由此，接触隔离物附着于基板表面，并且通过这种方式锁定该工具和该基板的相对位置。只有用比在从一个站转移到另一站期间发生的通常的剪力显著更大的力或者用在z方向上具有大分量的力才能释放该锁定。

作为－优选的－像pdms的低刚度材料的替代，接触隔离物也可以包括粘合剂，例如粘合层。然而，将低刚度材料用于工具的整个复制部分的方法－该工具还包括限定将被复制的元件的表面结构的复制分段－提供在其制造方面比较有利这一优点，因为不需要用于添加接触隔离物或其涂层的单独步骤。整个复制部分可以通过从也包括接触隔离物部分的母版（master）或子母版（sub-master）进行复制（模制、模压等等）而以单个形状被制造出。

接触隔离物部分可操作用于在复制期间抵靠该基板，其中在所述接触隔离物部分与该基板之间没有材料。接触隔离物部分可以是连续的，或者可以包括围绕周边的或分布在周边的大部分和/或复制表面的内部之上的多个离散部分。换言之，接触隔离物部分可以－与如wo2007/107026中所述的可选的浮动隔离物部分一起－处于允许复制工具靠着基板的任意配置下。例如，接触隔离物部分的分布是这样的以使得接触隔离物部分处于穿过工具的质心的每条平面内直线的两侧。

根据优选的实施例，接触隔离物部分和浮动隔离物部分（如果有的话）被布置和配置为使得如果该工具处于该基板上，则厚度（z维度，即垂直于基板和工具平面的维度）由隔离物部分限定，对此在wo2004/068198和wo2007/107026中有教导，在此这两个文献都通过引用被并入。

原则上，复制材料可以是液态的或者粘性的、或者在第一状态下为塑性可变形的并且在制造周期期间可被硬化的任意合适的材料。根据将被制造的光学元件的性质，例如在该光学元件是透镜的情况下复制材料在硬化以后还必须展示出一定透明度。用于复制材料的优选的材料类是可uv固化的环氧树脂。于是，在复制工具还处于适当位置时进行的硬化步骤可以是uv固化步骤。uv光固化是允许良好地控制硬化工艺的比较快的工艺。技术人员将会知道其它的材料和其它的硬化工艺。

为了将该工具和该基板对准，可以给这二者都（或者在例如该工具在对准站中具有明确限定的位置的情况下，仅仅给其中之一）配备合适的标记。基板上的这样的标记可以已经存在于底座元件（原始的基板，例如晶片）中，例如是被刻划到玻璃底座元件表面中的十字标记。

然而根据本发明的特别方面，通过复制来添加用于对准的标记。这对双面复制的情况尤其有利，在该情况下，至少部分透明的基板的两面都要被配备上必须彼此对准的复制结构。因此，根据本发明的该特别方面，一种用于制造多个光学元件的方法包括如下步骤：

－提供至少部分透明的底座元件；

－提供第一复制工具，第一复制工具包括多个复制分段，每个复制分段限定所述光学元件之一的表面结构，第一复制工具还包括对准标记复制分段；

－将第一复制工具和底座元件在复制材料位于它们之间的情况下彼此相向地移动，直到复制材料与底座元件的第二表面和复制工具这二者都接触；

－使复制材料硬化以产生附着于底座元件的第二表面的复制结构，所述复制结构包括多个光学元件和至少一个对准标记，所述对准标记是对准标记复制分段的复制品；

－除去第一复制工具；

－提供第二复制工具，并且在另外的复制材料处于第二复制工具和底座元件的第一表面之间的情况下将第二复制工具的特征与对准标记对准；

－将第二复制工具和底座元件在该另外的复制材料位于它们之间的情况下彼此相向地移动，直到复制材料与底座元件的该表面和复制工具这二者都接触；

－使该另外的复制材料硬化以产生附着于底座元件的第一表面的另外的复制结构；以及

－除去第二复制工具。

本发明的该特别方面的特点是以下显著优点：在第一复制步骤中，第一复制工具和底座元件的相对位置是非关键的，但是在第二复制步骤中，非常精确的对准是可能的。

在此第一复制工具优选地包括被布置在不同的周边位置（诸如对跖位置）处的两个对准标记复制分段。然后，两个所得到的对准标记被对准到第二复制工具的两个相应特征。

该方法在与根据本发明的主要方面的配置不同的其它配置下也是有益的，其中基板－工具组件在硬化前被从对准站除去。然而优选地，给至少第二工具以及例如还有第一工具配备充当上述锁定装置的接触隔离物。

对准标记－无论是复制的还是以其它方式提供的－都可以例如是十字形的或者具有允许精确限定表面上的点的其它形状，例如具有在转角处相交的两条边缘的形状。对于自动对准的情况而言，对准标记可以具有允许标记的识别和精确测量这二者的特征形状。

对于对准站，可以使用市场上可获得的掩模对准器。作为替代方案，可以使用具有用于基于光学信息精确对准两个对象的部件的其它装置，例如包括显微镜的其它装置。可行的还有自动对准器，其可以基于图像处理技术、激光跟踪或者甚至基于非光学标记物，诸如磁标记物等等。

在任何情况下对准站都可以被装备为执行可以包括如下子步骤的对准和接触步骤：

－使基板的表面和工具的表面平行；

－将该基板和该工具上的特征彼此对准，以使得它们在由该基板和该工具的表面所限定的平面中的位置相对于彼此处于严格定义的关系中，并且例如彼此对应；以及

－随后将该基板和该工具组合在一起，使以得该工具的最外面的特征接触该基板。

在第一子步骤中被布置为平行的该基板和该工具的表面不必是连续的平坦平面，而是可以由不同的部分来限定，诸如接触隔离物的最外面的平坦表面。作为接触隔离物的最外面的平坦表面的替代，可以将该工具的刚性背板或者该工具的其它参考平面用于平行化的子步骤。

根据本发明的主要方面，使基板－工具组件移位至硬化站的步骤包括使该组件从一个站到另一站的移位。因此优选地，其不是仅在例如z方向上轻微偏移一定的偏移量－而是该移位包括使该组件从对准站范围中退出，并且将其引入到硬化站中，由此进入到照明设备（该照明设备被放置为使得其不达到对准站）的范围内。例如，移位步骤可以包括：将该组件沿着x-y平面移动至少对应于该组件的直径的距离。

附图说明

在下面的正文中将参考附图中所示的示例性的优选实施例更详细地说明本发明的主题。附图示意性地示出：

图1：通过工具和基板的横截面；

图2和图3：通过替代工具的横截面；

图4：通过基板工具组件的横截面；

图5a－图5c：复制多个光学元件的工艺中的方法步骤；

图6：用于制造多个光学元件的设施；以及

图7：示出用于制造多个光学元件的方法的方法步骤的流程图。

在附图中，给相同或类似的部分配备相同的附图标记。

具体实施方式

图1示意性地示出了通过工具1和基板10的横截面。所示实施例中的工具1包括由第一材料（例如玻璃）制成的刚性背板2以及由第二软性材料（例如pdms）制成的复制部分3。该复制部分形成包括多个复制分段4的复制表面，每个复制分段4的表面都是将被制造的光学元件的表面形状的（反型）复制。在图中，复制分段被示出为是凹形的并且因此限定凸形光学元件表面，例如折射透镜的凸形光学元件表面。然而，本文献的教导不依赖于将被复制的光学元件的形状，而是涉及所有可能的光学元件形状，包括凹形形状以及衍射元件的微结构化的形状。

在图1中，还示出了笛卡尔（cartesian）坐标系，其中x－y平面由复制工具和基板的平坦面来限定，z方向是垂直于x－y平面的方向。贯穿整个本说明书并且针对所有的附图使用该坐标系的定义。例如，复制结构的z维度总是表示该复制结构的垂直于其附着于的表面所测量的厚度。

在图1所示的配置中，复制表面还包括浮动隔离物部分5，所述浮动隔离物部分5围绕复制分段并且在复制工艺期间肯定会靠在复制材料的薄膜上。关于（可选的）浮动隔离物部分及其功能，读者可参考文献wo2007/107026，该文献的教导通过引用被并入本申请。

此外，复制表面包括溢出腔6，所述溢出腔6用于在复制材料的量未被正确限定的情况下接纳多余量的复制材料。

另外，复制表面包括接触隔离物部分7，所述接触隔离物部分7被示出为布置在周边。接触隔离物部分是复制工具的突出到z方向（在此不区分z方向和负z方向）上最远的结构。接触隔离物部分基本上平坦，并且因此可操作用于在复制期间靠在基板上，其中在接触隔离物部分与基板之间没有材料。接触隔离物部分可以例如形成围绕复制表面周边的环，其可以包括围绕该周边的多个离散的部分，或者其可以包括分布在该周边的大部分和/或复制表面的内部之上的多个离散部分。

基板10具有第一面10.1和第二面10.2，并且可以包括任意合适材料例如玻璃的盘状底座元件11。该基板还包括添加到该基板的、复制品要对准的结构。该结构可以例如包括在x－y平面中被结构化的涂层11，诸如如同所示的具有孔径的屏或者结构化的ir滤光片等等。附加地或者可替代地，该结构可以包括另外的特征（feature）12，比如标记等等。另外或者作为又一替代方案，该结构可以包括构成光学元件的表面的硬化的复制材料结构，如在下面进一步描述的其它附图中予以示出的。

为了复制该工具的复制表面，复制材料被施加到该基板或该工具或者该基板和该工具二者。复制材料的这样的施加可以包括：将复制材料的多个部分施加到该工具和/或该基板，一个部分用于一个复制分段。每个部分可以例如通过由可以例如以类似喷墨打印机的方式工作的投放工具喷射一个或多个液滴而被施加。每个部分可以可选地由多个仅在复制期间彼此接触的子部分构成。关于多个部分的施加及其优点，读者可参考wo2007/107027，该文献通过引用并入本申请。

在图1中，示出了仅仅两个复制材料部分21。

在施加复制材料之后，该基板和该工具被相对于彼此对准。为此，可以使用与用在所谓的掩模对准器中的工艺类似的工艺，所述掩模对准器本来是被设计用于曝光掩模与半导体晶片的对准。该对准过程可以包括：将该工具和/或该基板的至少一个特定的特征（优选地使用两个特征）分别与该基板或该工具的至少一个特定的特征对准，或者与对准装置的参考点对准。用于此的合适的特征包括该结构本身的明确限定的元素（比如结构化涂层的限定的转角或透镜顶点等等），具体而言即所添加的对准标记或者可能的还有底座元件等的边缘等等。如现有技术中已知的那样，对准还包括：使工具和基板表面精确地平行，以避免楔形误差（wedgeerror）；这样的平行化可以在x－y对准之前进行。

在对准之后，基板和工具被组合在一起，其中接触隔离物部分靠在基板表面上并且（如果存在的话与浮动隔离物一起）限定z维度，并且还锁定该工具以防止x－y运动。在此之后，基板－工具组件被从对准站除去并且被转移到硬化站，如在下面进一步更详细地说明的那样。

该工具的复制部分3－或者至少接触隔离物部分的表面－由具有相对低的刚度的材料制成，使得其可以在例如除了由躺在该基板上的工具（或反之亦然）的重力产生的压力外没有更多压力的“正常”条件下适应于微米和/或亚微米级的粗糙度，并且因此可以形成到基板表面的紧密连接。另外，该工具的复制部分、或者至少接触隔离物部分的表面可以具有相对低的表面能，以使得有利于对微米和/或亚微米级的粗糙度的这样的适应。

这样的材料的优选例子是聚二甲基硅氧烷pdms。该材料也非常适用于复制工具成形工艺，如在wo2004/068198中所述的（其中参考了图14－16），该文献通过引用并入本申请。

图2和图3示出了工具的可替代的设计原理。可以独立地或以任意组合的形式被添加的特性包括：

a.接触隔离物，其分布在复制表面的主要部分之上，例如在复制分段之间和/或包围复制分段4（例如图2）；

b.围绕复制分段的复制材料流动限制特征8（比如在图2和3中），例如如在wo2007/107025中予以描述的那样，该文献通过引用并入本申请；

c.缺少浮动隔离物（比如在图2和3中）；

图2的实施例尤其有利，因为其提供分布在大表面上的复制工具与基板表面之间（比如分布在工具表面上的限定吸力底座（suctionbase）的多个位置）的附着接触。

可以通过涉及如下项目的不同工具设置来给出另外的变形方案：材料组成、总体工具形状、隔离物形状、溢出量原理（包括溢出通道等等）以及当然还有由不同功能所限定的不同复制分段形状。

所有这些变形方案都可以结合本说明书中所述的方法步骤中的任一个来实施，所述步骤在适用的情况下包括复制前步骤（因此，该另外的复制工具也可以包括上述特性中的任一个或其任意组合）。

尽管上面的描述依赖于将复制材料投放到复制分段的各单个部分中，但是情况不必如此。图4示出了如下的例子，其中复制材料21以单滴（blob）的形式被投放到基板和/或复制工具表面的主要部分之上。例如对于某些区域或对于子单元等等而言，与单个部分投放的组合是可能的。

图5a至图5c示出了使工具1对准通过复制添加的对准标记的可能性。该可能性涉及常常遇到的双面复制情况，其中至少部分透明的基板10/底座元件11的两面都将被提供一起形成光学元件的（多个）复制结构。对此，两个面上的复制结构必须相对于彼此对准。

在包括这样的双面复制的工艺中，在包括对准的复制步骤之前，执行用于将复制结构添加到基板的第二面10.2的复制前步骤。

为此，提供另一复制工具1’，该另一复制工具1’可以基于与上述工具1相同的原理并且包括多个复制分段，并且也可以包括接触隔离物。除了复制分段，该另一复制工具1’还包括用于复制对准标记32的对准标记复制分段。图5a示出了在该另一复制工具1’和底座元件11被组合在一起之前的配置。挨着复制分段中的复制材料部分21还存在对准标记复制分段中的复制材料部分31。如果楔形误差严重，则复制前步骤可以可选地包括一些平行化，但是该步骤通常不需要任何x－y对准。

如已知的那样，复制前步骤包括：在已经将另一复制工具1’和底座元件11在复制材料位于它们之间的情况下朝向彼此移动以后，使复制材料硬化，以及随后除去该复制工具。

图5b示出了完成复制前步骤以后并且在（第二）复制步骤的投放复制材料的各部分21之后的配置。基板10的第二面10.2包括硬化的复制材料的结构41，该结构41包括复制的对准标记32（优选地，为了提供严格定义的x－y对准，存在两个对准标记；该基板和该工具的第二对准标记在图中未被示出）。工具1包括将与对准标记32对准的对准特征33。

图5c示出了在复制步骤期间的配置，其中接触隔离物部分7靠在基板的第一表面上。

图6示意性地示出了用于生产光学元件的设施50或设备。在此，第一复制材料投放站51被示出为用于将复制材料投放在该（另一）复制工具上的各个部分中；其也可以用于将复制材料投放在底座元件/基板上和/或像图4中那样用于大批量投放。将该工具从复制材料投放站转移到工具放置站52，在那里，使该工具与底座元件接触。在此处所示的配置中，该（另一）复制工具是具有接触隔离物的那种类型，并且允许进一步将复制工具底座装元件组件转移到第一硬化站53，在那里，该组件受到电磁辐射的照射，该电磁辐射在复制材料为可uv固化的环氧树脂的情况下例如为uv辐射。该固化工艺可能花费大约1－20分钟。在此之后，该组件可选地被进一步转移到硬化后站54，在那里，该组件可以被搁置一段时间以允许完成复制材料硬化。在此之后，该（另一）复制工具被除去，并且所得到的基板被转移到对准站56，在那里，使该基板与在对准之前在第二投放站55中被配备投放的复制材料的复制工具对准。该复制工具基板组件被从对准站56转移到第二硬化站57，并且可选地被从那里转移到硬化后站58，此后该复制工具被除去。

该配置可以在以下若干方面有变动：

a.如果该工艺不涉及双面复制，则不需要存在前4个站51－54；

b.第一和第二投放站51、55不必是分开的，而是两个投放过程可以在同一站中进行；

c.工具放置站52可以包括对准站的功能；

d.对准站56也可以用作工具放置站52；

e.第一和第二硬化站53、57不必是分开的，而是两个硬化过程可以在同一站例如如下站中进行：大规模硬化站，其具有多个硬化位置；或者基于输送机的硬化站，在该硬化站处，将被硬化的材料在预先定义的时间量期间被沿着光源输送，其中将被硬化的不同元件根据fifo原则穿过该硬化站；

f.第一和第二硬化后站54、58（如果存在的话）可以例如通过共同的可能温度受控的存储位置而被组合；

g.硬化后站不必物理上同硬化站分开；而是：如果硬化站（一个或多个）具有足够高的容量，则硬化后站可以由辐射源被关闭的硬化站组成；

h.投放站（51、）55不必物理上分别同工具放置站和/或对准站分开；

i.在特殊情况下，工具放置站52和第一硬化站53不必物理上分开，而是工具放置站可以包括辐射源并且也构成第一硬化站53。

上面的变形方案可以几乎任意地彼此组合，当然除了变形方案a.，该方案仅仅与不要求存在复制前步骤的变形方案相兼容。变形方案b.、d.、e.和f.的组合将产生具有仅仅一条线55－58的设施，其中该线在双面复制期间被遍历两次。

图7描述了示出根据本发明的方法的例子的方法步骤的流程图。该图未描述（可选的）复制前步骤。

所示方法包括如下步骤：提供基板和复制工具（71）；将复制材料置于复制工具上和/或基板上（72），对准该工具的特征和该基板的特征（73），将该工具和该基板组合在一起，直到接触隔离物部分接触该基板（74），使所得到的组件从对准站移位至硬化站（76）；使复制材料硬化（77）；可选的到硬化后站的转移（78）；可选的硬化后步骤（79）；以及将该工具从该基板分离的步骤（80）。

硬化后步骤79可以包括对复制材料的固化的－可能温度受控的－完成。通常，在能量（诸如uv辐射）的照射之后，复制材料被预处理以完全硬化，但是其还未彻底变硬。更确切地说，在该材料充分硬化之前还要花费一些额外的时间（例如1－60分钟）。因此，硬化后步骤可以仅仅包括等待步骤，该等待步骤可能具有对组件的温度控制。