CN101313234A - 制造衍射光栅元件的方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

制造衍射光栅元件的方法

本发明涉及光学衍射光栅的制造。

发明背景

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公开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，光栅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10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。

附图说明

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(SiO₂)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应用至模具表面。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φ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M1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/或模具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α。微凹槽58的另一侧相对于法线N成角β。为了便于光栅10从模具50的分离，微凹槽58具有隙角γ。隙角γ等于β-α的差。模具50的凸体57的倾角等于角α和β的平均值：

$\mathrm{\φ}=\frac{\mathrm{\α}+\mathrm{\β}}{2}---\left(1\right)$

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。s1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c1被定义为：

$c1=\frac{s1}{d}---\left(2\right)$

模具50的填充系数c2相应地定义为：

$c2=\frac{s2}{d}---\left(3\right)$

填充系数c1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10微米的范围内。

根据本发明，模具50的参数如下：

-倾角φ大于或等于20°且小于或等于70°，

-隙角γ大于或等于0°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φ大于或等于25°且小于或等于45°，

-隙角γ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10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α、β、φ、γ、d和h实质上等于模具50的相应的值。

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SiO₂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：

-通过使用甲基-九氟代-丁醚作为溶剂来制备0.2％的十三氟代-1，1，2，2-四氢-辛基-三氯硅烷溶液。

-二氧化硅模具50被浸入上述溶液10分钟。

-二氧化硅模具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-1，1，2，2-四氢-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。基于环硫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，许多基于环硫化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M1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。光栅10的材料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10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℃。

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10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-curableacrylates”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溅射实现。

此外，UV可固化材料可在半硬化状态中从模具移除，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10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/或光栅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，而不损坏模具50和/或光栅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，以使仅仅小的冲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10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10°。

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。该光栅由基于环硫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：

${\sin \mathrm{\θ}}_m=n\sin {\mathrm{\θ}}_i+\frac{\mathrm{m\λ}}{d}---\left(4\right)$

其中m是衍射级(假定值为......-3、-2、-1、0、1、2、3......的整数)，λ是入射光的波长，θ_i是入射到光栅上的光的方向与表面法线N之间的角，以及θ_m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。L1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L1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c1以及倾角φ根据光学应用来选择。例如，参数α、γ、d、c1和h可选择成提供在衍射级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γ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L1耦合进光波导200中。光L1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A1、A2，其中微凹槽58的倾角φ1、φ2是不同的。例如，在第一微结构区域A1中，倾角φ1可以为10°，且在第二微结构区域A2中，倾角φ2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，微凹槽可以倾斜到相反的方向，如倾角φ1在第一区域A1中可以为逆时针20°，且倾角φ2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可以用于例如成像和/或将平行光线L1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缩。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加热来膨胀。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。

Claims (15)

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(φ)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(γ)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(M1)应用至所述模具(50)，

-至少部分地固化所述材料(M1)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(φ)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)的所述隙角(γ)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(M1)。

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℃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(M1)。

9.如前述权利要求1至8中任一项所述的方法，其中当所述光栅(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，其中所述模具(50)至少包括具有第一倾角(φ1)的第一凹槽(58a)和具有第二倾角(φ2)的第二凹槽(58b)，所述第一倾角(φ1)与所述第二倾角(φ2)不同。

15.如前述权利要求1至14中任一项所述的方法，其中所述模具(50)的至少一个区域(A3)包括弯曲的和/或圆形的凹槽(58)。

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