制造衍射光栅元件的方法

专利名称：制造衍射光栅元件的方法
制造f汙射光栅元件的方法
技术领域：
本发明涉及光学衍射光栅的制造。
背景技术：
衍射光栅在光学中用于将光耦合进波导结构或从波导结构耦合出来。
衍射光栅也可用于提供包括若干波长的光的角色散(angular dispersion)。
美国专利6,579,477公开了 一种用于通过使用模具的复制来制造衍射 光学部件的方法。模具用脱模剂(release agent)处理。基底用粘合增进剂处 理，并用复制材料覆盖。为了复制模具的轮廓，模具被压至加热的复制材 料。
美国专利5,629,804 ^Hf了一种由基底和具有在基底上形成的重复图 案的树脂层组成的衍射光栅。该重复图案通过硬化在模具中的光可固化树 脂而形成。
美国专利4,235,654公开了 一种制造由玻璃和聚合物材料组成的复合 光学元件的方法。玻璃基底用硅烷化剂处理以活化其表面。有机聚合物材 料使用形成所期望的外部结构的模具压板(mold platen)来应用于活化的表 面。聚合物材料被固化，且产品如衍射光栅随后从模具中脱出。
美国专利5,742,433公开了 一种包含光栅部分的衍射光学装置，该装 置具有若干不同的光栅周期。根据美国专利5，742，433的教导，光4册部分 可通过用电铸方法形成镍模具并通过使用UV可固化树脂复制该模具来批 量生产
发明内容
本发明的目的是提供一种制造光学衍射光栅的方法。
根据本发明，衍射光栅通过使用具有多个相邻的微小凹槽的模具制
造，所述凹槽的倾角相对于模具的平面的法线(normal)大于或等于20度并 小于或等于70度，凹槽的深度大于或等于模具的光栅周期的0.4倍，模具 的光栅周期大于或等于0.2微米并小于或等于IO微米，且所述凹槽的隙角 (clearance angle )大于0度并小于或等于20度。
制造衍射光栅的方法至少包括
-将抗粘附层应用至所述模具，以便于衍射光栅从所述模具的分离，
-将可固化材料应用至所述模具，
-至少部分地固化所述材料以制造衍射光栅，以及
-从所述模具分离所述衍射光栅10。
光学衍射光栅通过提供具有多个相对深的倾斜凹槽的模具制造，该凹 槽具有相对小的隙角。模具用抗粘附层覆盖。模具用可固化材料覆盖，该 可固化材料随后被固化，即，被硬化，并从模具分离以提供衍射光栅。
凹槽的倾斜方向允许光栅在固化和/或分离步骤期间横向膨胀和/或收
缩，以便可降低模具损坏的可能性。凹槽的倾斜方向也可以便于衍射光栅 从模具中分离。
由于降低的模具损坏的可能性，根据本发明的方法适于使用模具来批 量生产光学衍射光栅，该模具具有低隙角并具有相对于光栅周期相对大的 凹槽深度。
通过下面在这里给定的描述和实例，并也通过所附的权利要求，本发 明的实施方式及其益处对于本领域中的技术人员将变得更加明显。


在下面的实例中，本发明的实施方式参考附图被更详细地描述，其中
图1示意性地显示用于制造衍射光栅的模具及将抗粘附层应用至所述 模具的步骤，图2示意性地显示将可固化材料应用至所述模具，
图3示意性地显示模具中的可固化材料的固化，
图4示意性地显示制成的衍射光栅和模具，
图5示意性地显示制成的衍射光栅和模具的尺寸参数，
图6示意性地显示通过使用热可固化材料来制造衍射光栅，
图7示意性地显示通过使用UV可固化材料来制造衍射光栅，
图8示意性地显示通过将分离力应用至光栅边缘来将制成的衍射光栅 从模具中分离，
图9a示意性地显示当可固化材料相对于模具膨胀时衍射光栅的工况，
图9b示意性地显示当可固化材料相对于模具收缩时衍射光栅的工况，
图10示意性地显示当模具的微凹槽实质上垂直于光栅平面时，由于 光栅的弯曲和/或膨胀引起的模具的损坏，
图11显示了作为例子的制成的衍射光栅的横截面的显微图像，光栅倾 角为25° ，图12显示了作为例子的制成的衍射光栅的横截面的显微图像，光栅 倾角为35° ,
图13示意性地显示通过使用制成的衍射光栅来使光束衍射，
图14示意性地显示通过使用制成的衍射光栅来将光束耦合进入光波
导，
图15示意性地显示包括两个或更多微结构区域的衍射光栅，该区域 具有不同的微凸体(micro-protrusion)倾角，
图16示意性地显示包括两个或更多微结构区域的衍射光栅，第一区 域中的微凸体倾角是正的，且第二区域中的微凸体倾角是负的，
图17示意性地显示衍射透镜，
图18示意性地显示用于制造根据图17的衍射透镜的模具的顶视图， 图19示意性地显示模具中的衍射透镜的收缩，以及图20示意性地显示模具中的衍射透镜的膨胀。
具体实施例方式
参考图1,根据本发明的模具50包括由多个倾斜微凸体57组成的成 型表面。微凸体57界定了它们之间的多个微凹槽58。模具可以是例如二 氧化硅(Si02)板。掩模可以通过例如电子束光刻法在板的表面上实现， 且表面浮凸(relief)可通过例如反应离子蚀刻术(RIE )或反应离子束蚀刻术 (RIBE)在被掩盖的表面上实现。
为了实现抗粘附层30,抗粘附剂M2应用至才莫具表面。抗粘附层30 便于制成的光栅以后从模具50移除。
微凹槽58相对于成型表面的法线N的方向，即，倾角(J)大于或等于 20°且小于或等于70。。
模具50也可以是镍板或铬板，其上的浮凸由电流(galvanic)方法实现。
参考图2，为了覆盖模具50的成型表面，许多可固化材料M1应用至 该表面。材料M1可以是例如热或UV可固化树脂滴。
材料Ml可在真空中应用以便避免夹带气泡。通过旋转模具50可帮助 材料M1的展开。
参考图3,为了形成衍射光栅10，可固化材料M1在模具50中被固化。 该材料和/或一莫具50可被加热，或该材料可曝露于UV辐射。模具50的微 凹槽58限定光栅10的相应的微凸体的形状。
参考图4,衍射光栅10可通过应用分离力F1从模具50分离。
参考图5，模具50的微凹槽58的一侧相对于光栅平面的法线N成角 a 。微凹槽58的另 一侧相对于法线N成角(3 。为了便于光栅10从模具50 的分离，微凹槽58具有隙角Y。隙角Y等于P-a的差。模具50的凸体 57的倾角等于角a和p的平均值(1)
2<formula>formula see original document page 8</formula>h表示模具50的微凹槽57的深度。光栅常数d表示相邻微凹槽58的位置 之间的距离。s2表示模具50的微凸体57的顶部的宽度。sl表示制成的衍 射光栅10的微凸体7的顶部的宽度。衍射光栅10的填充系数cl被定义为<formula>formula see original document page 8</formula>
才莫具50的填充系凄t c2相应地定义为<formula>formula see original document page 8</formula>
填充系数cl和c2可以在例如0.2至0.8的范围内。光栅周期可以在例如 0.2微米至IO微米的范围内。
根据本发明，模具50的参数如下
-倾角cj)大于或等于20°且小于或等于70。，
-隙角Y大于或等于O。且小于或等于20。，以及
-深度h和光栅周期d的比率大于或等于0.4。
有利地，模具50的参数如下
-倾角(J)大于或等于25。且小于或等于45。，
-隙角Y大于或等于5。且小于或等于12。，以及
-深度h和光栅周期d的比率大于或等于0.6。
所述范围25。至45°表示相对于模具50的制造、以及相对于光栅IO 从模具50的分离的最适宜条件。
制成的衍射光栅10的参数值oc、 p、小、Y、d和h实质上等于模具 50的相应的Y直。
根据图6中显示的实施方式，衍射光栅10使用热可固化树脂组合物 制造。具有倾斜的微凹槽58的模具50通过由反应离子束蚀刻术(RIBE)蚀刻二氧化硅Si02板来制造。具有10至100纳米厚度的铬掩模可在蚀刻 程序之前在二氧化硅板上实现，以确定光栅图案。
模具50的表面用抗粘附层30覆盖，抗粘附层30可被如下应用
-通过使用曱基-九氟代-丁醚作为溶剂来制备0.2%的十三氟代 -1 ， 1,2，2-四氩-辛基-三氯硅烷溶液。
-二氧化硅一莫具50被浸入上述溶液10分钟。
-二氧化硅^t具50被浸入甲基-九氟代-丁醚10分钟。
-模具在氮气中被干燥。
十三氟代-l,l,2,2-四氢-辛基-三氯硅烷的化学式为CF3 (CF2) 5 (CH2) 2SiCl3。在商业上可得到"3M Minnesota Mining & Manufacturing Co，，公司 的在商标名"HFE-1700"下的甲基-九氟代-丁醚。
具有0.5至3毫米厚度的基底板20可通过固化例如基于环硫化物的树 脂组合物来制造。最佳树脂组合物可以例如从美国专利6,117,923中公开的 实例中选择。基于环石危化物的树脂组合物通过加热来热固化。
固化的树脂组合物可具有相对高的折射率和低的光吸收率。
然后，许多基于环碌"匕物的树脂组合物设置在模具50和基底20之间， 以使之间的缝隙被填充。此外，树脂组合物通过加热来热固化。因此，光 栅10被连接至板20。
制成的衍射光栅10可通过抬起基底板20的边缘从模具50分离。所 述基底改善了衍射光栅10的机械强度，并便于从模具50分离。
衍射光栅10可在光栅10的基底Ml尚处于半硬化状态时从模具50 分离。换句话说，该材料可以仅被部分地固化。因此，光栅10的凸体7 是柔软(soft)且弹性(flexible )的，这便于光栅10从模具50分离，并进一 步降低模具损坏的可能性。与半硬化状态中的分离相关联的进一步的优点 是生产率可以提高。光栅10可在随后的阶段例如在烘箱(oven)中被完全硬 化。光4册10的材泮+M1也可在模具50中被彻底固化，即，彻底硬化。
光栅10的凸体7也可通过加热来保持柔软和弹性。因此，当光栅IO被升温或加热时，衍射光栅10可从模具50分离。光栅10的温度可以是 例如大于或等于50。C。
根据图7中显示的实施方式，衍射光栅10使用UV可固化材料来制造。 例如，可使用"Norland Products，，公司的在商标名"NOA61"下的材料。 模具50被制造并涂有如上所描述的抗粘附层。许多"NOA61"放置于基底 20和模具50之间，并被UV (紫外)辐射固化。基底可以是例如聚碳酸酯 或丙烯酸酯聚合物。基底20或模具50必须是对紫外辐射透明的。基底20 的表面可被活化，以提高基底20和光栅IO之间的粘附。可以使用更深一 层的底层涂料，以提高基底20和光栅10之间的粘附。
二氧化硅模具的制造和UV可固化丙烯酸酯的使用也在 Microelectronics Engineering vol.65( 2003 ) pp. 163-170的C.Elsner, J.Dienelt 和D.Hirsch的论文"3D microstructure replication processes using UV-curable acrylates"中公开。也可使用例如由"Mitsubishi Gas Chemical Company Inc" 公司提供的其他UV可固化材料。
抗粘附层30也可通过氟聚合物薄膜的等离子体聚合或离子贼射实现。
此外，UV可固化材料可在半硬化状态中从才莫具移除，且材料的固化 可在随后的阶段完成。
通过将稍微弹性的基底板20连接至衍射光栅10来便于衍射光栅10 从模具50的分离，这允许衍射光栅10和基底20的组合在分离步骤中稍 微弯曲。为了允许弯曲，基底的厚度可以小于或等于要被制造的衍射光栅 IO的宽度的0.1倍。
参考图8,衍射光栅10和模具50可通过将分离力F2仅指向基底20 的边缘或角，即，通过拉拔该边缘来分离。衍射光栅10和基底20的组合 的轻微弯曲是有利的，因为它实质上减小了从模具50分离衍射光栅10所 需的力。因此，不需要每次克服整个区域的粘附力。
应注意的是，当衍射光栅10弯曲时，衍射光栅10的底侧在模具侧面 略微张开，这引起光栅10在SX方向上的微小的横向偏移。然而，衍射光 栅10的凸体7可在模具50的微凹槽58中滑动，以便所述横向偏移可以作为光栅10和模具50的局部分离的结果，而不损坏模具50和/或光栅10。
衍射光栅10也由于化学反应和/或热膨胀而可能膨胀或收缩。此外在 此情况下，微凸体7、 57受到横向力。参考图9a,当衍射光栅膨胀时，衍 射光栅10的凸体7可以在模具50的微凹槽58中滑动，以便所述横向偏 移可以作为光栅10和模具50的局部分离的结果，而不损坏模具50和/或 光才册10。
参考图9b,光栅10的材料在其被固化时也可能收缩。衍射光栅10的 凸体7可以在模具50的微凹槽58中滑动，以便所述横向偏移可以作为光 栅10和模具50的局部分离的结果，而不损坏才莫具50和/或光才册10。因此， 倾斜的微凹槽58也可以便于光栅10从模具50的分离。由于压缩，结构 可能被预加压，以使仅仅小的沖击或很小的分离运动就足够彻底地将光栅 10从模具50分离，而不需要施加大的外部分离力。换句话说，由于微凹 槽58的倾斜方向，分离可能不可思议地容易。
参考图IO中显示的对比实例，如果微凹槽58实质上垂直于光栅表面 且隙角小，则光栅10的膨胀可能导致模具50的损坏。制成的光栅10同 样可能被损坏。而且，凸体的碎块可能阻塞模具50的一个或更多的微凹槽。
因此，根据本发明的方法降低了模具50在固化和/或分离步骤期间由 于横向形变而被损坏的可能性。热膨胀/收缩、因化学反应引起的膨胀/收 缩以及因弯曲引起的膨胀/收缩现在可能由于微凹槽58的倾斜方向而被允许。
图11显示了用根据本发明的方法制造的衍射光栅的显微图像。该光栅 由基于环硫化物的树脂组合物制成。凸体倾角为25。，凸体高度为261纳 米，光栅周期为480纳米，填充系数为0.66,且隙角为IO。。
图12显示了用根据本发明的方法制造的衍射光栅的显微图像。该光 栅由基于环石克化物的树脂组合物制成。凸体倾角为35。。为了进一步便于 光栅从模具的分离，凸体顶端具有圆形形状。
参考图13,衍射光束的方向由衍射方程决定<formula>formula see original document page 12</formula>(4)
其中m是衍射级(假定值为......-3、 -2、 -l、 0、 1、 2、 3……的整数)，入
是入射光的波长，6i是入射到光栅上的光的方向与表面法线N之间的角， 以及6m是衍射光方向与表面法线N之间的角。n是光栅材料的折射率。 Ll表示入射光束且L2表示衍射光束中的一条。
制成的衍射光栅10可用于改变入射在光栅10上的光束Ll的方向。 制成的衍射光栅10也可用于提供入射在光栅10上的光的角色散，所述的 光包含若干波长。
光栅周期d、凹槽深度h、填充系数cl以及倾角(M艮据光学应用来选 择。例如，参数cc、 Y、 d、 cl和h可选l奪成提供在衍射级m=2或m=-2 (负二 )或在衍射级m=3或m=-3处的最高衍射效率。
隙角的最小化可以提供最佳的光学性能，但也可能增加模具损坏的可 能性。最佳隙角Y可以通过一系列的实验测试来确定。
参考图14,根据本发明制造的衍射光栅10可以被最佳化并例如用于 将光U耦合进光波导200中。光Ll的传播方向可以实质上垂直于波导 200。光的方向通过光栅10改变，以使衍射光L2限制于波导200内部。 波导200可以进一步包括覆层(未显示)。
参考图15，模具50可以包括若干微结构区域Al、 A2,其中微凹槽 58的倾角cH、小2是不同的。例如，在第一微结构区域A1中，倾角cj)l 可以为10° ,且在第二微结构区域A2中，倾角4)2可以为20。。同样， 在此情况下，光栅10的膨胀导致光栅10从模具50分离，而不损坏模具 50的凸体57。为了允许光栅10从模具50的分离，在区域A1和A2之间 可以有第三非结构区域A3。非结构区域A3的宽度s3可以是例如光栅周 期d的50倍。
相邻微凹槽58的倾角之间的差也可以很小，以致中间区域A3是不需 要的。因此，由于可固化材料的膨胀或收缩，光栅10可从模具50分离。 微凸体7当它们处于加热和/或半硬化状态时，也可以是稍微弹性的，在相邻微凹槽58具有不同倾角时这便于分离。
参考图16,孩t凹槽可以倾斜到相反的方向，如倾角4)1在第一区域A1 中可以为逆时针20。，且倾角(J)2在第二区域A1中可以为顺时针20。。
参考图17,衍射光栅10可以用于实现衍射透镜60,该透镜通过衍射 引导光。衍射透镜60可以用于例如成^f象和/或将平行光线Ll聚焦至焦点 62。
参考图18,用于制造根据图17的衍射透镜60的模具50可以包括圆 形的和/或弯曲的微凹槽58。
衍射光栅的材料当所述材料被固化时可以收縮。参考图19,微凹槽 58a、58b的倾斜方向可以便于衍射光栅10从模具50的分离和/或降低模具 损坏的可能性。光栅10的凸体7可以在微凹槽58a、 58b中滑动。因此当 所述材料收缩时，光栅边缘在SX方向的横向运动可能与在SY方向的分 离运动相关。
参考图20,微凹槽58的相对方向也可以使得需要衍射透镜60的轻微 膨胀用于将透镜60从模具50分离。透镜的可固化材料可以例如通过力口热 来膨胀。衍射透镜60可以是发散透镜，即，它可具有负焦距。光栅10的 凸体7可以在微凹槽58a、 58b中滑动，且当透镜60的可固化材料膨胀时， 光栅边缘在SX方向的横向运动可能与在SY方向的分离运动相关。
在根据图19和20的情况下，倾角的变化是逐步的，即，相邻微凹槽 58的倾角之间的差非常小。
总体来说，光束的形式和/或发散和/或方向可以使用衍射光束成形元 件来调节，所述光束成形元件包括倾斜的衍射凸体。
由于减低的模具损坏的可能性，根据本发明的方法尤其适合于具有低 隙角的光学衍射光栅的批量生产。
衍射光栅10和模具50的尺寸在示意图1至10以及13至19中被放 大。实际的衍射光栅10和模具50可以包括数千个凸体7和微凹槽58。
对于本领域中的技术人员来说，显然装置的更改和变化以及根据本发明的方法是可理解的。如上参考附图描述的特定的实施方式仅是例证性 的，且不意味着限制本发明的范围，该范围由所附的权利要求限定。
权利要求
1. 一种通过使用模具(50)来制造衍射光栅(10)的方法，所述模 具(50)具有多个相邻的微小凹槽(58)，所述凹槽(58)的倾角((J)) 相对于所述模具(50)的平面的法线(N)大于或等于20度且小于或等于 70度，所述凹槽(58)的深度(h)大于或等于所述模具(50)的光栅周 期(d)的0.4倍，所述模具(50)的光栅周期(d)大于或等于0.2微米 且小于或等于10微米，且所述凹槽(58)的隙角(y )大于0度且小于 或等于20度，所述方法至少包括-将抗粘附层(30 )应用至所述模具(50 )以便于所述衍射光栅(10 ) 从所述模具(50)的分离，-将可固化材料(Ml)应用至所述模具(50),-至少部分地固化所述材料(Ml)以制造所述衍射光栅(10)，以及 -从所述模具(50)分离所述衍射光栅(10)。
2. 如权利要求1所述的方法，其中所述凹槽(58)的倾角((J))相 对于所述模具(50)的所述平面的所述法线(N)大于或等于25度且小于 或等于45度。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其中所述凹槽(58)的所迷隙角 (Y )大于或等于5度且小于或等于12度。
4. 如前述权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述模具(50) 的填充系数(c2)大于或等于0.2且小于或等于0.8。
5. 如前述权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述凹槽(58 ) 的深度(h)大于或等于所述光栅周期(d)的0.6倍。
6. 如前述权利要求1至5中任一项所述的方法，其中通过加热来固 化所述材料(Ml )。
7. 如权利要求6所述的方法，其中当所述光栅(10)的所述材料(M1) 的温度大于或等于50。C时，所述衍射光栅(10)从所述模具(50)分离。
8. 如前述权利要求1至5中任一项所述的方法，其中通过UV辐射来 固化所述材料(Ml )。
9. 如前述权利要求1至8中任一项所述的方法，其中当所迷光栅(10) 的所述材料(M1 )处于半硬化状态时，所述衍射光栅(10)从所述模具(50)分离。
10. 如前述权利要求1至9中任一项所述的方法，进一步包括将基底 板(20)连接至所述的衍射光栅(10)。
11. 如权利要求10所述的方法，其中通过将分离力指向所述基底板 (20 )的角和/或边缘来从所述模具50分离所述衍射光栅(10 )。
12. 如权利要求10或11所述的方法，其中所述基底板(20)是弹性的。
13. 如前述权利要求10至12中任一项所述的方法，进一步包括用粘 合增进剂来处理所述基底板(20 )。
14. 如前述权利要求1至13中任一项所述的方法，其中所迷模具(50) 至少包括具有第一倾角((J)l)的第一凹槽(58a)和具有第二倾角(小2) 的第二凹槽(58b),所述第一倾角((J)l)与所述第二倾角(4)2)不同。
15. 如前述权利要求1至14中任一项所述的方法，其中所迷模具(50) 的至少一个区域(A3)包括弯曲的和/或圓形的凹槽(58)。
全文摘要
一种光学衍射光栅(10)通过提供具有多个倾斜凹槽(58)的模具(50)来制造，所述倾斜凹槽(58)具有小隙角(γ)。模具(50)被可固化材料(M1)覆盖。所述材料随后被固化，即，被硬化，并从模具(50)分离以提供衍射光栅(10)。凹槽(58)的倾斜方向允许光栅在固化和分离步骤期间膨胀或收缩，以使模具损坏的可能性可被降低。凹槽的倾斜方向也可以便于光栅(10)从模具(50)的分离。
文档编号B81C1/00GK101313234SQ200580052106
公开日2008年11月26日 申请日期2005年11月18日 优先权日2005年11月18日
发明者P·拉科南, T·勒沃拉 申请人:纳诺科普有限公司