CN101131538A - 应用热压印技术制作微光学元件的方法 - Google Patents

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金鹏
高育龙
刘楠
谭久彬
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应用热压印技术制作微光学元件的方法，涉及光学元件制作技术；该方法制作具有多台阶或连续浮雕结构特征的微光学元件包括以下四个步骤：①应用微细加工技术制备具有表面浮雕结构的压模；②应用热压印将压模上的浮雕结构压印到基片上的聚合物上；③以聚合物结构为掩模，应用反应离子刻蚀技术在基片上获得浮雕结构；④根据制作需要按上述①～③步骤进行一次或者重复①～③步骤，直至加工完成最终的微光学元件；本方法具有工艺简单、精度高、速度快、重复性好、费用低、产率高的特点。

Description

应用热压印技术制作微光学元件的方法
技术领域
本发明属于微光学元件制作方法，涉及一种应用热压印技术制作具有多台阶或连续浮雕结构特征微光学元件的方法。
背景技术
微光学元件因其在实现光波变换上所具有的许多卓越的、传统光学难以具备的功能，而有利于促进光学系统实现微型化、阵列化和集成化，开辟了光学领域的新视野。
微光学元件的制作方法很多，按照所用掩模版及加工表面浮雕结构的特点可分成三种方法。
首先用于加工多阶相位型微光学元件的主要制作方法是由二元掩模版经多次基于紫外光刻技术的套刻形成台阶式浮雕表面。然而为了提高成像分辨率，在设计时必须设法提高相对孔径D/f。相对孔径的提高会使得透镜边缘处的特征尺寸急剧减小。此外，短波长器件也对应着更小的特征尺寸。当特征尺寸小至纳米量级时，此类制作方法就很难满足加工要求了。
其次是用于获得连续浮雕轮廓的直写技术，主要包括激光直写和电子束直写。然而，虽然直写技术具有较高的加工精度且避免了套刻技术的对准误差，但是由于其工艺复杂且加工效率太低而难以达到低成本批量生产的要求。
最后是灰阶掩模图形转印法，通过制作透过率连续变化或台阶式变化的掩模版，实现变剂量曝光，进而获得连续或台阶式浮雕轮廓。该工艺一次成形，价格低廉，也避免了对准误差。但是掩模版透过率的控制精度不高，因此其加工结果的Z向精度较低，很难得到理想的加工结果。
大部分微光学元件母版制作成本较高，发展复制技术是降低微光学元件成本，推广应用的关键。
目前已有的微光学元件复制技术大多利用热压、模压或铸造等复制技术将面浮雕结构复制到一种诸如热塑性塑料和可固化聚合物等易成形的材料上。而这些材料的强度和硬度都较低，透射光谱范围也比较窄，因此该类技术在复制材料方面有着很大的局限性。
新兴的熔胶凝胶(sol-gel)技术可以将表面轮廓复制到SiO2基底材料中，这极大的拓宽了复制技术的材料局限。但是因为SiO2母体在凝胶中会不可避免的收缩，而实际收缩量的补偿很难精确控制，因此难以实现高精度的复制。
纳米压印术是软刻印术的发展，主要包括热压印和紫外压印，它可以大批量重复性地在大面积上制备纳米图形结构，并且所制出的高分辨率图案具有相当好的均匀性和重复性。
纳米压印技术与传统微细加工技术的最大区别在于：以压印技术取代光刻工艺，突破了光刻工艺的衍射极限。实验研究结果表明，利用纳米压印技术具有加工特征尺寸在10nm以下的图形能力，目前报道的最小特征尺寸为6nm，可以在200mm直径范围内一次性构造复杂图案。此外该技术还有制作成本极低、简单易行、效率高等优点。因此相较于其他工艺技术，纳米压印技术制作微光学元件具有更大的优势与市场前景。
然而目前应用纳米压印制作具有多台阶或连续浮雕结构特征且材料为石英和单晶硅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应用热压印技术制作具有多台阶或连续浮雕结构特征微光学元件的方法，通过应用单次或者多次热压印，可实现具有多台阶或连续浮雕结构特征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：一种应用热压印技术制作微光学元件的方法，该方法制作具有多台阶或连续浮雕结构特征的微光学元件包括以下四个步骤：①应用微细加工技术制备具有表面浮雕结构的压模；②应用热压印将压模上的浮雕结构压印到基片上的聚合物上；③以聚合物结构为掩模，应用反应离子刻蚀技术在基片上获得浮雕结构；④根据制作需要按上述①～③步骤进行一次或者重复①～③步骤，直至加工完成最终的微光学元件。
所述的应用热压印技术制作微光学元件的方法，在复制微光学元件时，其复制步骤仅包括压印和刻蚀，根据制作要求按上述②～③步骤进行一次或者重复②～③步骤，直至加工完成最终的微光学元件。
所述的应用热压印技术制作微光学元件的方法，微细加工技术包括激光直写技术、电子束直写技术与套刻技术。
所述的应用热压印技术制作微光学元件的方法，微光学元件材料包括玻璃、石英(SiO2)、硅(Si)、锗(Ge)、蓝宝石(Al2O3)、砷化镓(GaAs)、氟化镁(MgF2)、氟化锂(LiF)、氟化钡(BaF2)、方解石(CaCO3)、硫化锌(ZnS)。
本发明的优越性在于：
1、本发明的用途广泛，可以制作具有台阶式浮雕结构和连续浮雕结构特征的微光学器件。
2、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，避免对准误差。
3、相较于灰阶掩模图形转印法和熔胶凝胶(sol-gel)技术，本发明具有良好的加工精度和工艺实现性。
4、本发明没有复制材料的局限，可以将表面轮廓复制到诸如石英、单晶硅和蓝宝石等材料中。相较于聚合物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。
5、本发明具有工艺简单、速度快、重复性好、费用低、产率高等优点，可以实现批量生产。
附图说明
图1为应用直写技术获得压模的工艺流程示意图。
(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。
图2为制作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)热压印；
(c)反应离子刻蚀。
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)热压印；
(c)反应离子刻蚀。
图5为复制具有连续浮雕结构的微透镜阵列的第一次压印工艺流程示意图。
(a)原微透镜阵列结构示意图；
(b)第一次热压印；
(c)第一次反应离子刻蚀。
图6为复制具有连续浮雕结构的微透镜阵列的第二次压印工艺流程示意图。
(a)用于复制的过渡件结构示意图；
(b)第二次热压印；
(c)第二次反应离子刻蚀。
具体实施方式
实施例1
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石英，热压印所需聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，具体工艺流程如下：
1、按照如图1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、应用热压印将压模上的结构反向复制到基片上的PMMA上，如图2(b)。
3、以PMMA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，元件材料为石英，压模的材料为单晶硅，聚合物选用芳香环聚合物PPM。具体工艺流程如下：
1、按照如图1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、应用热压印将压模上的浮雕结构反向复制到基片上的PPM上，如图4(b)。
3、以PPM图案为掩模，应用反应离子刻蚀技术，在石英基片上获得连续浮雕结构，如图4(c)。
实施例3：
复制如图5(a)所示具有连续浮雕结构的微透镜阵列，元件材料为玻璃，聚合物选用PMMA。首先以原微透镜阵列作为压模，获得具有与之互补的表面浮雕结构的过渡件，其材料为石英，如图6(a)所示。再以过渡件为压模，获得与原透镜浮雕结构一致的微透镜阵列。具体工艺流程如下：
1、第一次压印
a)应用热压印将原微透镜阵列的浮雕结构反向复制到基片上的PMMA上，如图5(b)。
b)以PMMA图案为掩模，应用反应离子刻蚀技术，在石英基片上获得连续浮雕结构，作为用于复制的过渡件，如图5(c)。
2、第二次压印
c)应用热压印将过渡件上的浮雕结构反向复制到基片上的PMMA上，如图6(b)。
d)以PMMA图案为掩模，应用反应离子刻蚀技术，在玻璃基片上获得连续浮雕结构，即与原透镜浮雕结构一致的微透镜阵列，如图6(c)。

Claims (4)

1.一种应用热压印技术制作微光学元件的方法，该方法制作具有多台阶或连续浮雕结构特征的微光学元件包括以下步骤：①应用微细加工技术制备具有表面浮雕结构的压模；②应用热压印将压模上的浮雕结构压印到基片上的聚合物上；其特征在于该方法还包括以下两个步骤：③以聚合物结构为掩模，应用反应离子刻蚀技术在基片上获得浮雕结构；④根据制作需要按上述①～③步骤进行一次或者重复①～③步骤，直至加工完成最终的微光学元件。
2.根据权利要求1所述的应用热压印技术制作微光学元件的方法，其特征在于，在复制微光学元件时，其复制步骤仅包括压印和刻蚀，根据制作要求按上述②～③步骤进行一次或者重复②～③步骤，直至加工完成最终的微光学元件。
3.根据权利要求1所述的应用热压印技术制作微光学元件的方法，其特征在于微细加工技术包括激光直写技术、电子束直写技术与套刻技术。
4.根据权利要求1所述的应用热压印技术制作微光学元件的方法，其特征在于，微光学元件材料包括玻璃、石英(SiO2)、硅(Si)、锗(Ge)、蓝宝石(Al2O3)、砷化镓(GaAs)、氟化镁(MgF2)、氟化锂(LiF)、氟化钡(BaF2)、方解石(CaCO3)、硫化锌(ZnS)。
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