CN100437158C - 复制工具及其制造方法和采用该复制工具制造光学元件的过程 - Google Patents

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Abstract

根据本发明，通过使用复制工具(1)在初级产品中复制/成形(模制或者模压等)三维构造来制造微型构造的元件。复制工具包括从复制表面(1a)突出的隔离物部分(1c)。复制品(微型构造的元件，例如，微型光学元件或者微型光学元件部件)可以由环氧树脂制成，其被固化，例如UV固化，而复制工具仍然在原位。复制过程可以是模压过程，其中，要被成形的初级产品的可变形的或者粘性或者液体成分放置在表面上，然后，复制工具压靠该表面。作为一种选择，复制过程可以是模制过程。

Description

复制工具及其制造方法和采用该复制工具制造光学元件的过程
技术领域
本发明为制造诸如微型光学元件或者微型光学系统之类的微型构造的元件的领域。其还延伸到微型机电系统(MEMS)和诸如微型光机电系统(MOEMS)之类的组合的微型光学和电子和/或机械系统。更具体的，其涉及一种利用复制工具例如通过模压或者模制过程来将元件复制到微型构造的元件中的方法，以及涉及一种制造复制工具的方法。
背景技术
微型光学元件具有日益增加的重要性。这里，微型光学元件是依赖微型光学系统的任何类型的元件。这里，术语“微型光学元件”包括包含电子和/或机械部件的系统，诸如MOEMS。与传统的光学系统相反，微型光学系统是基于引起折射和/或衍射的精细构造，该构造具有典型的深度/高度，以及通常也具有通常几微米的宽度，例如0.5微米-200微米，优选在1微米和大约50微米之间，或者在1微米和30微米之间。换句话说，对于折射光学系统，典型的轮廓深度和轮廓宽度为几个波长到几十个波长的量级，以及对于衍射光学系统为大约一个波长到几个波长的量级。根据经验法则，微型光学元件具有的构造使得很好地限定构造上不同的相邻位置存在的辐射的相位关系。这与经典的纯折射光学元件相对，在经典的纯折射光学元件中，在构造的不同元件处的辐射的性能能够以几何光学图来描述。因此，与经典的光学元件(诸如经典的透镜、反射镜元件等)相对，可以认为微型光学元件具有这样的构造，其使得光的波动性必须被考虑，且参与微型光学元件对辐射的作用。
对于衍射光学元件(DOE；为微型光学元件的一个例子)技术的制造状态，已知有不同的方法。第一种方法是使用依靠掩模等的传统光构造或者电子束构造技术来制造抗蚀图。抗蚀图用作衍射元件。第二种方法包括使用上述技术之一来形成抗蚀图，然后蚀刻基底，使得产生具有需要刻的形状的衍射元件。
其它方法，诸如在JP-A-168601/1988中披露的方法，依靠蚀刻，包括通过光刻过程构造蚀刻阻止层。
所有这些技术方法的状态共同之处在于，它们不是很适于大规模生产，因为每个元件的制造包括一系列精巧的生产步骤。
因此，本发明的目的是提供一种形成微型构造的元件的方法，其适于生产微型光学元件，以及克服了现有技术的制造方法的缺点。即使微型构造的元件大，或者制造微型构造的元件的阵列，其也应该提供三维构造特征的好的分辨率，以及它们的绝对尺度和位置。
发明内容
根据本发明，通过使用复制工具在初级产品中复制/成形(模制或者模压等)三维构造来制造构造的(或微型构造的)元件。复制工具包括从复制表面突出的隔离物部分。复制的微型光学元件称为复制品。
隔离物部分允许基底上可变形材料的自动和精确厚度控制。它们可以包括嵌入工具的“腿形”构造。此外，隔离物防止微型光学构形变形，因为隔离物比工具上最高的构造特征更突出。
复制品(微型构造的元件，例如，微型光学元件或者微型光学元件部件或者光学微型系统)可以由环氧树脂制成，其被固化，例如UV固化，而复制工具仍然在原位。UV固化是快速过程，其允许硬化过程的好的控制。
复制过程可以是模压过程，其中，要被成形的初级产品的可变形的或者粘性或者液体成分放置在基底的表面上，该基底可以具有任何尺寸。例如，其可以是具有相应于只有一个或者一些元件要被制造的区域的表面区域的小尺寸。作为一种选择，基底可以在尺寸上是晶片规模的。“晶片规模”指具有相当于半导体晶片尺寸的盘形或者板形基底的尺寸，诸如具有在2”和12”之间的直径的盘。然后，复制工具压靠该表面。
一旦隔离物部分邻接基底的顶部表面，模压步骤就停止。因此，所述表面用作模压的停止面。
作为一种选择，复制过程可以是模制过程。相反，在模制过程中，包括隔离物部分，例如包括腿形构造的工具首先压到基底的表面上，以形成限定的腔，然后，通过模制过程填充该腔。
隔离物部分优选以这样的方式得到，即，其“分布”在复制工具的至少必要的部分上，例如在整个复制工具上，或者在边缘处。这意味着，隔离物部分的特征存在于复制工具的必要的部分上，例如，隔离物部分包括分布在复制工具的复制表面上的多个隔离物。
隔离物允许可变形的材料层的自动的和精确的厚度控制。
复制工具可以包括具有一些弹性的材料，例如PDMS或者其它弹性材料。然后，即使其上执行该过程的基底表面不是完全平的，或者即使复制工具不是完全平的，其也给定共形的厚度控制。应该注意，对于很多微型光学元件的应用，必须确保平面性，精度达到元件尺寸上大约1微米或者甚至更高的精度。换句话说，对于微型光学元件，特征的高度——坐标系中的z位置，其中，工具表面限定xy平面——应该优选以1微米的精度或者更高的精度限定。
复制工具还可以包括刚性背板，以使其在大规模上尺度刚硬。
隔离物部分可以存在于没有光学功能的任何地方。
根据特殊的实施例，隔离物可以位于放置在最终的复制品的角部和/或边缘，以便降低应力集中。
根据本发明的还有一个特殊的实施例，隔离物部分可以以这样的方式布置，即，在复制过程期间，优化流体动力学效果。例如，可以设计隔离物，以便形成对在基底的边缘处的未固化的可变形的复制材料的流动的阻挡物。或者，它们的形状和分布可以使得其在模压过程期间引导可变形的复制材料的流动，例如，均匀地和完全地填充矩形复制区域。
通常，复制工具可以包含下面特征：微型光学功能、隔离物、切割标记、对准特征(用于光学地或者机械地对准的复制)、阻止或者再引导可变形的材料的流动的流动阻挡物。这样的构造可以直接加到诸如光刻过程或者激光束写过程之类的母片制作过程中的母片。然而，例如，在激光写期间，由于在可以实现的可能的写深度或者区域中的限制，单独的母片制作技术常常不允许包括在母片构造中的所有特征。在这样的情况下，现有的母片，副母片或者工具必须用诸如隔离物之类的特征来改型。
本发明还有的特征在于，一种从母片或者副母片制造复制工具(例如为母片构造的负拷贝)的方法。母片构造指原始构造。母片的任何拷贝称为副母片。母片通常通过诸如光构造、激光束写或者电子束构造之类的技术来产生。此外，本发明还涉及一种用隔离物部分改型现有的母片、副母片或者工具的方法。
附图说明
接下来，参考附图讨论本发明的实施例。附图中的图都是示意性的。它们显示如下：
图1：通过根据本发明的复制工具的截面。
图2、3和4：在制造微型光学元件的过程中的过程步骤。
图5-8：通过由用于复制工具生产的隔离物来改型现有的原始母片来制造母片的过程中的过程步骤。
图9-13：由用于复制工具生产的隔离物来改型母片或者工具的负拷贝的过程中的过程步骤。
图14-16：用于从母片或者母片的拷贝制造复制工具的过程中的过程步骤。
图17和18：复制工具的底部视图(即，在复制表面上观察)的例子。
图19：在边缘处的具有对准装置的复制工具。
图20和21：用于双面复制的过程的例子。
图22：具有机械特征的多级工具的例子
具体实施方式
图1所示的复制工具1包括具有负构造特征的复制表面1a，其为要在微型光学元件表面上成形的构造特征的负片。更具体的，附图中很示意性地显示的实施例具有相应于微型光学元件的表面的突出物的缺口1b。构造特征的典型尺度(特有的深度/高度，通常还有宽度)为几微米，例如，0.5微米-200微米，优选在1微米和大约50微米之间，或者在1微米和大约30微米之间。复制工具还具有从复制表面突出的隔离物1c。隔离物的高度h为例如2微米和1000微米之间，优选在2微米和200微米之间，例如在10微米和40微米之间，以及通常为使得隔离物比最高的负构造特征更突出。隔离物的几何尺度(形状、高度、直径)和分布可能是系统设计以及过程开发中的重要参数。光学功能可以通过适当的隔离物设计来微调。更通常的，需要的光学功能也隐含一定的最大公差。特别是如果制作的微型光学(或者其它)构造的元件尺寸大，那么这些最大的公差可能严格。根据本发明的方法允许设计满足这些条件的工具。根据复制材料的物理特性，隔离物特性适于保证好的处理。
复制工具1例如由具有一些弹性的材料制成。其可以由PDMS或者一些其它的弹性或者刚硬——可固化或者热塑聚合物或者其它可成形的材料制成。作为一种选择，其也可以由金属制成，诸如镍合金或者其它过渡元素的合金或者其它金属。其也可以由半导体材料(诸如蚀刻的晶片)或者绝缘晶体或者非晶体材料制成。为了简单的原因，图1中的复制工具1绘制为一个均质的主体。实际上，其可以由几种材料层或者成分制成。例如，构造特征和/或隔离物可以由不同于工具主体的材料制成，以及工具可以进一步包括如下所示的加固载体元件，或者其它元件。根据还有一个选择，复制工具可以由弹性层和携带需要的图形的较硬的构图的层组成。
形成微型光学元件的过程在图2-4中很示意性地显示。复制工具1与在表面具有材料成分3的初级产品接触，该材料成分处于可变形的状态(图2)。初级产品2还包括第二材料成分4(基底)，其为尺度刚硬。复制工具压靠可变形的材料成分3达到隔离物邻接尺度刚硬的材料成分4的表面的点(图3)。因此，所述表面用作按压的停止面。作为所示的实施例的一种选择，停止面也可以通过其它方式形成。例如，初级产品2不是必须包括尺度刚硬的成分，而可以作为一种选择放置在刚硬载体上，诸如玻璃板等。当复制工具仍然在原位时，根据可变形的材料的特性，例如通过用合适的辐射5照射(图4)，通过加热，通过冷却，通过暴露于氧，通过等候一定的时间来使其干燥等，可以硬化可变形的材料成分3。
图5-8示意性地描绘了用隔离物来改型母片或者副母片构造以制作图1所示类型的工具的优选方法。原物(母片)11包括(正)构造特征，微型光学元件需要该构造特征来实现其功能。原物设置有蚀刻抗蚀剂层12，其例如通过光刻技术以传统的方式来构造(图6)。抗蚀剂层12的构造相应于图形的负片，其中布置隔离物1c。作为下一个步骤，例如通过等离子由活性离子蚀刻(RIE)技术(图7)，将隔离物的负片构造蚀刻到原物11中。在该过程中，抗蚀剂层12用作蚀刻抗蚀剂。然后，从得到的母片11′(图8)或者副母片剥去抗蚀剂层12。通过复制该改型的母片或者副母片，例如模制或者模压(如果工具为塑料材料)，通过电子成形(如果工具是金属的)或者通过一些其它的方法，获得了复制工具1(比较图1)。
应该注意，所有的图不是按比例绘制，与图7和8中的原物11的厚度相比，图5和6中的原物11的厚度显示为减小了。原物可以是要被提供隔离物部分的“传统的”母片或者副母片。
一种可选的改型母片或者复制工具1的负拷贝的制造方法在图9-13中显示。其包括的步骤为：提供母片11(如图5所示)，复制该母片使得产生负拷贝或者工具21(图9)，其例如由诸如PDMS之类的塑料材料制成。增加涂覆层22(图10)且构造涂覆层(图11)，使得突出物保持在隔离物的地方。例如通过使用构造的抗蚀剂层22、23和不侵蚀负母片或者工具材料21的蚀刻步骤的光刻过程可以完成构造。
在图11中显示的得到的副母片工具21′包括副母片工具原物21和从涂覆层剩余的突出物22′。然后，复制在图11中的副母片构造，产生如图13所示的副母片24。最后的复制步骤允许制作几个改型的母片，其能够有利于大规模生产。
包括副母片工具和副母片的程序具有一些另外的优点，也可以用于不同于图10-13的过程的情况。由于只有有限数量的复制品(可能达到几百)能够由PDMS工具生产，重要的是，具有用于大规模生产的恒定的PDMS工具供给。然而，为了改进母片的使用寿命，其操作和从母片制成的工具的数量应该保持到最小。包括副母片工具和副母片的中间步骤是合适的方式，其中，副母片作为用于工具生产的母片，其用于复制品的大规模生产。例如，副母片可以由与最终的复制品相同的环氧树脂制成。副母片的额外步骤导致复制品的可能的数量进一步倍增。
在图14-16中，示出了从母片构造或者副母片制作复制工具的过程。母片或者副母片31放置在诸如玻璃板等的载体元件32上，例如固定到其上(图14)。接下来，液体或者粘性材料35，诸如PDMS，灌注到母片或者副母片31上，以完全覆盖它。然后，刚性背板33放置在材料的顶部上(图15)。
刚性背板提供复制过程中的改进的稳定性。其可以由玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)或者任何其它合适的尺度刚硬，基本硬的材料制成。
外部隔离物元件34使其位置为水平，以及控制复制工具的总体厚度。根据液体或者粘性材料和刚性背板的粘附特性，粘合层(诸如环氧树脂层等，没有显示)可以放置在刚性背板和液体或者粘性材料之间。作为一种选择，背板可以旋涂有增粘剂，然后干燥。然后，将液体或者粘性材料硬化——在PDMS工具的例子中，通过在室温下或者在升高的温度下干燥——以提供刚硬工具，可能具有一些剩余的弹性。最终，可以去除母片或者副母片(图16)。母片或者副母片可以——不仅仅在这个例子中——另外具有诸如Teflon
Figure C20048000304800111
层之类的特殊的释放层，以易于从母片或者副母片释放工具。
当然，在图2-4中所示的方法可以使用具有如该附图中所示的刚性背板34的工具来执行。
复制工具的底部视图的一个例子如图17所示。该复制工具包括规则布置的隔离物1c的图形，该隔离物可以位于用于以后切割过程的轨迹上。在用于复制微型光学部件的复制表面1a上具有负构造特征的位置由填满的圆圈表示。微型光学特征也可以包括正构造特征，即，在隔离物的方向上延伸。那么，重要的是，隔离物比最深的正微型光学构造更突出。图17中的模压表面(包含微型光学功能)是毗邻的，而隔离物部分包括多个离散的隔离物1a。
隔离物的典型宽度为大约100-1000微米，典型高度为大约2-200微米。通常，隔离物以大约0.5-200mm，0.5-20mm或者0.5-5mm的间距(相邻隔离物之间的距离)布置。
所有上面描述的制作过程可以在完整的晶片(尺寸：直径2”到8”)上进行。
与图17的相比，图18的复制工具包括毗邻的隔离物部分。相反，具有负构造特征的复制表面1a′包括多个在隔离物部分中的缺口(由具有倒圆的边缘的矩形表示)中的离散复制表面。
其它隔离物部分形状是可能的，例如，隔离物部分可以是隔离物栅格，包括多个隔离物环等。
根据特殊的实施例，隔离物部分以这样的方式布置，即，在复制过程期间，优化控制流体动力学。例如，隔离物部分可以包括在预期的复制区域的边缘处的一个或者几个完全或者不完全的边界或者环中布置多个隔离物或者毗邻的隔离物部分(以及至少部分围绕它)，以在模压过程期间阻止流动或者重新引导未固化的复制材料。这可能是特别需要的，以便防止任何复制设备污染。在该实施例的更一般的形式中，这样描述的“流动阻止隔离物”也可以作用为形成隔离的复制区域，以及具有孔的复制区域(即，非复制的部分)或者任意限定的轮廓。
如图19所示，复制工具还可以包括对准构造，诸如对准销1f或者多个对准销，用于在某个的复制过程中定位复制工具。在复制过程期间，对准销接合相应的负构造。作为一种选择或者另外，工具可以包含光学对准标记(诸如十字)，其在复制过程期间支持相对于基底的光学对准或者在双面复制期间的光学对准。
在双面复制过程中，对准是特别重要的。图20和21示出了双面复制过程的示意图。在第一方法(图20)中，两个对准的工具36、37放置在铸造自动机械中的复制品的顶部侧和底部侧上。通过这样的布置，复制过程如下工作。首先，环氧树脂(当然，其可以由其它合适的塑性可变形的、粘性的或者液体材料来替代)在底部工具37的顶部上分配。然后，基底38——例如由玻璃或者其它透明材料制成——以一定的距离放置在底部工具37的顶部上，该距离决定底部侧上的复制层的厚度，且其由隔离物部分很好地限定。接下来，通过暴露到UV光来硬化环氧树脂，以完成底部侧复制的过程。对于顶部侧复制，环氧树脂在玻璃基底38的顶部上分配。然后，顶部工具放置在由隔离物部分很好地限定的相对于基底的一定的距离处，以进行顶部侧的复制。在顶部复制层进行UV曝光以后，完成了复制过程。
还有一种复制方法在图21中显示。在第一步骤中，在基底的顶部侧上进行复制过程(压印和UV固化)。然后，上下翻转基底，且在基底的第二侧上重复复制。在每个复制过程期间，第二复制必须对准第一复制。这样的过程很类似于目前可以在掩模对准器上进行的过程。
双面元件的复制方法在前/后侧对准以及在复制层厚度中具有很严格的公差。两者都可以严格到1-2微米的范围内或者甚至更严格。对于双面元件，复制的总的平面度很重要；通过根据本发明的复制方法和复制工具能够解决该要求。此外，对于一些双面元件，隔离物设计对光学功能的影响可能比在单面元件中更加显著。
在图22中很示意性地显示的复制工具101包括隔离物部分1c，其不是严格规则的。此外，其复制表面101a没有限制到一个水平，而是替代地为多级复制表面。复制工具101还包括用于形成具有机械功能的复制的特征的特征101g。
显示的实施例可以以很多方法改变。特别地，所述的形状和材料只是例子：其它形状和材料以及材料的组合都是可能的。特别地，母片、副母片、工具和/或复制品可以由改变材料组分的几个部分构成。

Claims (17)

1.一种用于制造具有带有构造特征的构造表面的多个光学元件(3)的过程，其包括的步骤为：
a.提供一种复制工具(1，101)，其在复制表面(1a，1a′，101a)上具有为构造特征的至少一些的负片的负构造特征，以及还具有从复制表面突出的至少一个隔离物部分(1c，1c′，101c)，该隔离物部分包括布置为从复制表面的内部突出的部分，且布置在对应于不同的光学元件的构造特征之间，
b.提供具有以塑性可变形或者粘性或者液体状态的材料成分的初级产品，以及
c.使所述材料成分与所述复制表面接触，而隔离物部分邻接停止表面，从而从复制表面复制该多个光学元件。
2.根据权利要求1所述的过程，其特征在于，在步骤c以后，硬化该材料成分，此后去除复制工具(1，101)。
3.根据权利要求1所述的过程，其特征在于，材料成分为环氧树脂。
4.根据前述权利要求中的任何一项所述的过程，其特征在于，在步骤b和c中，复制工具(1，10)靠着初级产品运动，且压靠初级产品，直到隔离物邻接停止表面，从而复制过程为模压过程。
5.根据权利要求1-3中的任何一项所述的过程，其特征在于，在步骤b和c中，复制工具(1，101)放置在用作所述停止表面的硬的表面上或者下面，隔离物部分邻接所述硬的表面，然后，所述材料成分在所述复制工具和所述硬的表面之间以粘性或者液体状态注入。
6.一种用于以根据权利要求1所述的过程制造包括构造特征的构造的多个光学元件的复制工具(1，101)，其包括在复制表面(1a，1a′，101a)上为构造特征的至少一些的负片的负构造特征，以及还具有至少一个隔离物部分(1c，1c′)，其从复制表面突出得比负构造特征中的突出最远的负构造特征远，使得在复制期间隔离物部分能够邻接停止表面，该隔离物部分包括布置为从复制表面的内部突出的部分，且布置在对应于不同的光学元件的构造特征之间。
7.根据权利要求6所述的复制工具，其特征在于，隔离物部分(1c)包括多个以规则图形布置的隔离物。
8.根据权利要求6所述的复制工具，其特征在于，隔离物部分为毗邻的。
9.根据权利要求6-8中的任何一项所述的复制工具，所述复制工具包括弹性材料成分。
10.根据权利要求9所述的复制工具，其特征在于，所述弹性材料成分包括PDMS。
11.根据权利要求9所述的复制工具，所述复制工具还包括刚性背板(33)。
12.根据权利要求6所述的复制工具，所述复制工具还包括对准销(1f)。
13.根据权利要求6所述的复制工具，其特征在于，隔离物部分以这样的方式布置，即，至少一个隔离物部分边界以在复制过程期间隔离物部分边界至少部分确定复制区域的边界，且形成流动阻挡件或者重新引导液体材料的方式围绕复制区域形成。
14.一种用于制造复制工具(1，101)的方法，该复制工具(1，101)用于制造具有带有构造特征的表面的构造的多个光学元件，该方法包括的步骤为：提供具有所述构造特征的至少一些的原物，以及从原物复制具有为所述构造特征的至少一些的负片的负构造特征的复制工具，其中，所述复制工具设置有至少一个隔离物部分，其从复制表面突出得比负构造特征中的突出最远的负构造特征远，使得在复制期间隔离物部分能够邻接停止表面，该隔离物部分包括布置为从复制表面的内部突出的部分，且布置在对应于不同的光学元件的构造特征之间。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在原物中制造相应于隔离物部分的负片的缺口。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述复制工具的复制包括的步骤为：从原物复制母片工具，给母片工具提供涂层，以形成相应于隔离物部分的母片突出物的方式构造涂层，从母片工具复制副母片，以及从副母片复制该复制工具。
17.一种方法，其用于装备用于制造具有复制表面和至少一个隔离物部分的复制工具的母片或者副母片或者母片工具，该母片或者副母片或者母片工具包括具有与要通过复制工具复制的微型光学部件的构造特征相同的构造特征或者与要通过复制工具复制的微型光学部件的构造特征的负片互补的母片复制表面，该方法包括将母片或者副母片或者母片工具装备为包括为复制工具的隔离物部分的负拷贝或者正拷贝的缺口部分的装备的母片或者副母片或者母片工具，复制工具的隔离物部分从复制表面突出，该隔离物部分包括布置为从复制表面的内部突出的部分，且布置在对应于不同的光学元件的构造特征之间。
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