CN101221359B - 基于热压印技术的金属材料反射式微光学元件加工方法 - Google Patents
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Abstract
基于热压印技术的金属材料反射式微光学元件加工方法，涉及微光学元件制作技术；该方法制作具有多台阶或连续浮雕结构特征的反射式微光学元件包括以下五个步骤：①应用微细加工技术制备用于热压印的压模；②应用热压印将压模的浮雕结构压印到聚合物薄片上；③在具有表面浮雕结构的聚合物表面蒸镀金属层；④应用电铸技术进行支撑结构加工，材料与蒸镀金属一致；⑤将聚合物剥离。；本发明所得到的反射式微光学元件为单一金属材料，在高温等恶劣的工作环境下具有高稳定性，高强度、高硬度、高抗辐射损伤阈值的特点。
Description
技术领域
本发明属于微光学元件制作方法，涉及一种基于热压印技术的金属材料反射式微光学元件加工方法。
背景技术
以闪耀光栅与微镜阵列为代表的反射式微光学元件因其许多卓越的、传统光学难以具备的功能而被广泛研究和应用。
基于热压印技术制作反射式微光学元件具有工艺简单、速度快、重复性好、费用低、产率高等优点，可以实现批量生产。
热压印(Hot Embossing Lithography，HEL)是纳米压印技术的一个分支，由Stephen Y.Chou于1995年首次提出并提出专利申请，参见专利US5772905“Nanoimprint lithography”。
美国麻省理工大学的Chih-Hao Chang等人在2003-2004年公开纳米压印制作锯齿形闪耀光栅的方法(1.C.H.Chang，et al.Fabrication of Saw-tooth DiffractionGratings Using Nanoimprint Lithography.Vacuum Science and Technology B.2003，21：2755-2759 2.C.-H.Chang，et al.High Fidelity Blazed Grating Replication UsingNanoimprint Lithography.Vacuum Science and Technology B.2004，21：3260-3264)。
该技术包括以下步骤：(1)使用光刻结合反应离子刻蚀制作压模，压模材料为硅；(2)使用纳米压印技术将压模的结构压印到聚合物薄片上；(3)在聚合物表面蒸镀一层铬(Cr)或者金(Au)，提高反射率。
台湾大学材料科学与工程专业的H.L.Chen等人于2006年提出了一种名为NIMB(nanoimprinting in metal/polymer bi-layer structures)的技术，可以在较低的温度和压力下直接将压模压印到金属表面(H.L.Chen，et al.Directly patterningmetal films by nanoimprint lithography with low-temperature and low-pressure.Microelectronic Engineering.2006，83：893-896)。
该技术包括以下步骤：(1)使用电子束直写结合反应离子刻蚀制作具有锋利切口的压模，压模材料为硅；(2)在聚合物薄片上蒸镀一层30-50nm厚的金属薄膜；(3)利用压模锋利的切口和加热后金属薄膜下面的软衬底，在较低的压力和温度下使用热压印将压模的结构直接压印到金属薄膜上。
然而上述技术具有一个共同的缺陷：该技术所得到的闪耀光栅是三种材料的复合结构。这一缺陷所带来的问题在于：(1)由于不同材料的热膨胀系数不一致，在温度变化剧烈的工作环境下，稳定性较差，结构易脱落；(2)聚合物的辐射稳定性较差，在强辐射的工作环境下易发生交联、接枝或裂解；(3)聚合物的变相点较低，一般在100℃～300℃，无法工作在高温环境下。
以金属材料取代上述的聚合物材料是解决此类缺陷的有效途径。
瑞士Paul Scherrer大学微纳米技术实验室的L.J.Heyderman于2001年将热压印与微电铸技术相结合制作了纳米尺度的镍电极(L.J.Heyderman，et al.Nanofabrication using hot embossing lithography and electroforming.MicroelectronicEngineering.2001，57-58：375-380)。韩国大学材料科学与工程专业的研究人员也进行了此类技术的研究，并制作出了特征尺寸50nm的镍印章(1.S.H.Hong，et al.Fabrication of 50nm patterned nickel stamp with hot embossing and electroformingprocess.Microelectronic Engineering.2007，84：977-979 2.Kyeong-Jae Byeon，et al.Thermal imprint lithography using sub-micron sized nickel template coated with thin
SiO2layer.Microelectronic Engineering 2007，84：1003-1006)。
但是上述技术所获得的金属结构都是单一的二维结构，没有对多台阶或连续浮雕结构做出尝试，此外，也都没有将该技术应用到微光学元件领域。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种基于热压印技术的金属材料反射式微光学元件加工方法，以实现金属材料反射式微光学元件的制作，克服现有技术中复合材料所带来的诸多缺陷。
本发明的技术解决方案是：制作具有多台阶或连续浮雕结构特征的反射式微光学元件包括以下五个步骤：
①应用微细加工技术制备用于热压印的压模；
②应用热压印将压模的浮雕结构压印到聚合物薄片上；
③在具有表面浮雕结构的聚合物表面蒸镀金属层；
④应用电铸技术进行支撑结构加工，材料与蒸镀金属一致；
⑤将聚合物剥离。
所述的基于热压印技术的金属材料反射式微光学元件加工方法，复制微光学元件时，其复制步骤仅包括②～⑤步骤。
所述的基于热压印技术的金属材料反射式微光学元件加工方法，微细加工技术包括激光直写技术、电子束直写技术、套刻技术、微复制技术、LIGA和UV-LIGA技术。
所述的基于热压印技术的金属材料反射式微光学元件加工方法，蒸镀金属层的厚度以可以实现全表面连通且导电为准。
所述的基于热压印技术的金属材料反射式微光学元件加工方法，金属层的材料包括铝、铬、镍、金、铜。
本发明具有以下特点及良好效果：
本发明提出热压印结合微电铸制作反射式微光学元件的方法。该方法的基本思想是使用热压印技术将微浮雕结构复制到聚合物表面，再通过微电铸技术将微浮雕转移到金属材料上。该方法使用压印的物理过程取代传统的变剂量曝光，克服了光学曝光的衍射极限与散射效应，大幅提高了微光学元件的加工精度。微电铸技术的引入，极大简化了三维轮廓图像传递的难度，克服了传统技术轮廓深度控制精度较低的缺陷。这是区别现有技术的创新点之一；
本发明提出制作单一金属材料的反射式微光学元件。其基本思想是蒸镀金属与电铸金属采用同一种材料，使得最终加工所得到的微光学元件为单一金属材料。该微光学元件在诸如环境温度变化剧烈；强辐射等恶劣的工作环境下，相较于聚合物与金属薄膜的复合结构，具有高稳定性、高强度、高硬度、高抗辐射损伤阈值的优点。这是区别现有技术的创新点之二。
附图说明
图1为制作锯齿形闪耀光栅的工艺流程示意图。
(a)具有热塑性的聚合物薄片；
(b)闪耀光栅的热压印工艺；
(c)聚合物脱模。
图2为制作锯齿形闪耀光栅的工艺流程示意图。
(a)聚合物表面的电子束蒸镀；
(b)同一材料的微电铸工艺；
(c)金属结构与聚合物剥离。
具体实施方式
本发明所提供的基于热压印技术的金属材料反射式微光学元件加工方法，其过程包括以下步骤：①应用微细加工技术制备用于热压印的压模；②应用热压印将压模的浮雕结构压印到聚合物薄片上；③在具有表面浮雕结构的聚合物表面蒸镀金属层；④应用电铸技术进行支撑结构加工，材料与蒸镀金属一致；⑤将聚合物剥离。
应用激光直写技术制作用于热压印的压模13，材料为石英。
如图1所示，是本发明应用热压印将压模的浮雕结构压印到聚合物薄片上的步骤，其中浮雕结构为连续浮雕结构。
其包括以下步骤：把聚合物12及压模13安装到压印机的两个压印盘上，如图1(a)所示。聚合物12为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。把聚合物12及压模13加热到PMMA薄膜的玻璃相变点之上50～100℃，此时PMMA有较好的流动性。开动压印机把压模13以一定压力压到聚合物12上，压强控制在50～100bar之间，使聚合物12充满压模的凹图案花纹，如图1(b)。维持恒温恒压时间一段时间后进行冷却，当温度降到相变点附近时把压模13与聚合物12分离，如图2(c)。
如图2(a)所示，使用电子束蒸镀技术，在具有表面浮雕结构的聚合物12表面沉积金属层21，作为后续微电铸工艺的种层，其金属材料为铝(Al)。
如图2(b)所示，应用电铸技术进行支撑结构加工，材料与蒸镀金属一致。
如图2(c)所示，将金属层21与聚合物12分离，金属层21即为最终的反射式微光学元件。
上述实施例中，所述的微细加工技术包括激光直写技术，电子束直写技术，套刻工艺，微复制技术，LIGA工艺及UV-LIGA工艺。
上述实施例中，所述的浮雕结构还包括多台阶浮雕结构。
上述实施例中，所述的压模还包括硅、二氧化硅及其他半导体材料、介电材料、陶瓷、有机材料及其结合。
上述实施例中，所述的聚合物还包括其他热塑性聚合物。
上述实施例中，所述的金属材料还包括镍、铬、金、铜。
综上所述，本发明提供的基于热压印技术的金属材料反射式微光学元件加工方法，操作简单，并可以实现大批量的高精度、低成本反射式微光学元件加工。
Claims (3)
1.一种基于热压印技术的金属材料反射式微光学元件加工方法，该方法制作具有连续浮雕结构特征的反射式微光学元件，包括以下步骤：①应用微细加工技术制备用于热压印的压模；②应用热压印将压模的浮雕结构压印到聚合物薄片上；其特征在于该方法还包括以下三个步骤：③在具有表面浮雕结构的聚合物表面蒸镀金属层，所述蒸镀金属层材料为铝、铬、镍、金或铜，所述蒸镀金属层厚度以可以实现全表面连通且导电为准；④在所述蒸镀金属层上，应用电铸技术形成支撑结构，所述支撑结构用于支撑蒸镀金属层，所述支撑结构的材料与蒸镀金属层一致；⑤将聚合物剥离。
2.根据权利要求1所述的基于热压印技术的金属材料反射式微光学元件加工方法，其特征在于复制微光学元件时，其复制步骤仅包括②～⑤步骤。
3.根据权利要求1所述的基于热压印技术的金属材料反射式微光学元件加工方法，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、套刻技术、微复制技术、LIGA和UV-LIGA技术。
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| Chih-Hao Chang etal.Fabrication of sawtooth diffraction gratings using nanoimprint lithography.J. Vac. Sci. Technol. B.2003,21(6), * |
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