CN101432126A - 使用结合了间隔元件的工具进行微型结构元件的成型 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过复制来制造多个元件的方法，包括提供包括多个复制区域的复制工具的步骤，该复制区域具有界定元件形状的凹陷结构特征，该工具进一步包括多个第一间隔部分；提供基底，将工具相对基底移动，同时塑性可变形的或粘性的或液态的复制材料位于工具和基底之间；硬化复制材料以形成元件，其中将工具相对基底移动的步骤包括施加预定的作用力以便将工具相向基底移动，直至第一间隔部分定位在远离基底一定距离的地方，所述距离由所述作用力的量决定，同时复制材料保留在第一间隔部分和基底之间。

Description

使用结合了间隔元件的工具进行微型结构元件的成型

技术领域

本发明属于借助于包括压花和模压步骤的复制过程来制造光学元件的领域，特别是折射光学元件和/或衍射微型光学元件。更确切的说，其涉及一种如相对应的独立权利要求中的前述部分中所述的用于制造多个元件的方法和复制工具。

背景技术

由同一申请人申请的WO 2004/068198描述了用于制造微型光学元件的过程，在此处引入其全文作为参考。利用复制工具在初级产品内通过复制/塑形(模压或压花或类似的过程)3D结构来制造结构(或微型结构)元件。复制工具包括从复制表面上突出的间隔部分。被复制的微型光学元件被称之为复制件。

间隔部分可允许对在基底上的可形变材料的厚度进行自动和精确的控制。它可包括安装在工具上的“腿状”结构。另外因为间隔突出超过了在工具上的最高结构细部，其阻止了微光学形貌的变形。

复制件(例如微型光学元件或微型光学元件部分或光学微型系统)可由环氧树脂制得，当复制工具还在其位置的时候，环氧树脂可被固化如UV固化。UV光固化是个快速的过程，其可以允许对硬化过程进行很好的控制。

复制过程可以是压花过程，其中可形变的或具有粘性的或液态的被塑形的初级产品的成份被放置在基底上，该基底可以具有任何尺寸。例如其可以是具有一定表面积的小尺寸，其中该表面积仅对应于一个或一些被制造元件的区域。作为选择，基底在尺寸上可以是晶片规模的。相对于半导体晶片来说，“晶片规模”指的是与碟片相似尺寸或与盘状相似尺寸的基底尺寸，例如具有直径在2英寸和12英寸之间的碟片。随后，复制工具被压靠在此表面上。

一旦间隔部分临近抵靠在基底上表面上，就停止压花步骤。所述表面因此用作压花的停止表面。

作为选择，复制过程可以是模压过程。相比较下，在模压过程中包括例如包括腿状结构的间隔部分的工具首先压靠在基底表面上以便形成固定模穴，该模穴通过模压过程随后被填充。

间隔部分优选的提供方式是其至少“分布”在复制工具的一主要片段上，例如在整个复制工具上或在边缘上。这意味着间隔部分的特征存在于复制工具的主要片段上，例如，间隔部分由多个间隔组成，这些间隔分布在复制工具的复制表面上。这些间隔可允许对在基底上的可形变材料的厚度进行自动和精确的控制。

发明内容

本发明的目的是提供用于制造多个最初所述类型的元件的方法和复制工具，其在现在所知工具和方法上提供一种改进。

根据本发明的第一个方面，一种通过复制来制造多个元件的方法包括以下步骤：

●提供包括多个复制区域的复制工具，其中该复制区域具有界定元件形状的凹陷结构特征，该工具进一步包括多个具有平表面部分的第一间隔部分；

●提供基底；

●将复制工具和基底相对彼此移动，同时塑性可变形的或粘性的或液态的复制材料位于工具和基底之间；

●施加作用力以便将工具和基底相对彼此移动，直至第一间隔部分位于远离基底一定距离的地方，平表面部分平行于基底表面，同时复制材料保持在第一间隔部分和基底之间，和；

●硬化复制材料以形成元件。

第一间隔部分也可被称之为“浮动间隔”，因此第一间隔部分的平表面部分“浮动”在基底表面上，通过一薄复制材料层将其分开。

第一间隔部分被设置如，从而晶圆切割线位于第一间隔部分被设置的位置，其中在复制、硬化和移出复制工具后在该切割线处该具有硬化复制材料的基底被分成如芯片的单独部分。因此，沿着晶圆切割线仅剩下相对薄的复制材料层-基层。这有助于防止复制材料从基底上的分层。

在平表面部分和基底之间的距离--即复制材料层的厚度--可通过第二间隔部分(接触间隔)决定，其在复制工具上突出高过第一间隔部分并且其在复制过程中邻接在基底表面上。作为选择地或另外的，所述距离可通过施加的作用力的量和复制材料内的粘着力之间的平衡、并且--根据复制材料的特性--也可能是在复制材料和基底和工具之间的粘着力来确定。作为另一选择，该距离可通过主动距离调整装置(active distance adjuster)和/或控制装置(如遮罩对准器)或其它装置来确定。

在实施例中，在第一间隔部分和基底之间的距离是由第二间隔部分相对于第一间隔部分的相对高度限定的。这提供了更高的精度，利用：

●第二间隔部分吸收至少一部分在工具和基底之间的作用力并决定相对于基底的第一间隔部分的参考高度，和

●第一间隔部分-潜在的最接近于被复制的元件--精确确定局部高度差。还有，第一间隔部分(经过复制材料)如果必须的话可吸收残余作用力并且设置一预先设定的与基底之间的距离。第一间隔部分也使得工具适应较小的基底平坦性的不规则。

为了达到此目的，复制材料优选是施加在工具上或基底上而没有覆盖第二间隔支撑区域，由此在工具相对于基底移动后没有复制材料存在于第二间隔部分和基底之间。也就是说，工具和基底都有第二间隔支撑区域-相对于工具而言，这就是工具自己本身的接触区域，对于基底而言其是工具的接触区域将被放置在其上的区域。

优选，在工具相对于基底的运动方向，通过元件间隔高度差，第一间隔部分的高度和第二间隔部分的高度有所区别，元件间隔高度差在1至500，优选是5至30，理想的是在7-15微米的范围内。

第二间隔部分优选也包括平行于基底的平表面部分。

在本发明的优选实施例中，第一间隔部分和第二间隔部分界定了在基底之上的元件的高度。这是可能的因为在基底上的工具的最终定位和相对于基底的元件的结构表面的高度是精确控制的，如上所述。优选的是，该元件是反射光学元件并且在基底之上的元件的高度是根据元件所需的光学特性预定的。此种特征对于反射元件是特别的--例如反射透镜，其中在顶部和底部表面的距离或关系起到了一定作用，其与衍射元件相反，其中光学上的功能是由结构表面(衍射模式)功能来界定的，其中该结构表面是由复制区域来界定的。

复制材料可在基底或用于整个工具规模复制的复制工具上被分配在单个分配操作(如单个泡)或一些单个分配操作中--每个操作提供复制材料用于多个复制区域。如果是这种情形，第二间隔部分-如果提供-优选是工具规模的间隔部分，例如设置在围绕着复制区域的工具的周边。第二间隔部分此时并不包括或界定任何复制区域。

作为一种选择，复制材料可被分配在一批单个、分开的分配操作(或泡)中。潜在的预定复制材料体积被设置在一批点上，对应于随后通过切割被分开的部分的位置，并且例如每个复制材料泡被限定成一部分。每个部分包括将要被生产的一个元件或一群--例如四个--元件，并且具有在部分之间没有复制材料的区域。在本发明的该实施例中，第二间隔部分--如果提供--可分布在整个复制工具上。例如，每个部分可包括一个第二间隔部分。

这种选择的分配复制材料允许给复制区域提供最佳的复制材料量并且减少瑕疵出现的几率。这方面的进一步详细情况在同一申请人共同提交申请的“用于制造光学元件的方法和工具”中有所描述并且具有和本申请相同的申请日。

被制造的元件典型的是反射光学元件或衍射光学元件--例如透镜，而且例如在至少一区域上也可具有微型机械功能。

工具包括多个复制区域，因此允许在共同的基底上同时制造一批元件，共同的基底可以是光电或微光电组件的一部分，其中该组件包括被制造在晶片规模上的光学和电子元件并且随后被分割成分离的部分。

在本发明的一个优选实施例中，施加作用力的步骤是通过给工具一预定的重量并将工具放置在基底上、或通过给基底一预定的重量并将基底放置在工具上来实现的，并用重力来挤压。以这种方式，压力能被精确控制并以简单的方式实现。即使没有第二间隔或，其中周边的第二间隔部分存在，复制工具的硬度不足以精确局部界定z尺寸(z-dimension)，由此在第一间隔部分和基底之间的距离能被精确的控制并且可靠的重复。

根据本发明的另一方面，提供一种制造多个光学元件的复制工具，其中该光学元件是通过从复制材料中复制得到的。复制工具包括多个具有凹陷结构特征的复制区域，这些凹陷结构特征界定元件的形状，复制工具进一步包括多个具有平表面部分的第一间隔部分，并且进一步包括一个或多个用于界定在复制过程中工具和基底之间距离的第二间隔部分，其中在复制工具相对于基底运动的方向上，第二间隔部分的高度超过第一间隔部分的高度。

在本发明的一个优选实施例中，每个复制区域具有围绕它的或被设置在复制区域周围的相关的第一间隔部分。第一间隔部分因此界定由复制区域制造的元件的形状或元件的周边边界。

在本发明的一个优选实施例中，被第一间隔部分覆盖的全部面积在0.1％和50％之间，优选在0.5％和20％之间，特别优选在2％和10％之间的覆盖基底的工具的所有面积。作为一般原则，如果被第一间隔部分覆盖的面积足够大，并且超过一定限制，那么第二空间部分不是必需的。所述限制的确切值根据复制材料的流动特性和工具挤压在基底上的作用来定。

在本发明的一个优选实施例中，被第二间隔部分覆盖的全部面积--如果存在--介于1％和50％之间，优选在5％和25％之间，特别优选在10％和20％之间所有覆盖基底的工具的面积。

在本发明的一个优选实施例中，被(任选的)第二间隔部分覆盖的全部面积介于10％和1000％之间，优选在25％和400％之间，特别优选在50％和200％之间的所有被第一间隔部分覆盖的面积。

进一步的优选实施例体现在从属权利要求中。方法权利要求的特征可结合装置权利要求的特征并且反之亦然。

附图说明

参考优选实施例，本发明的主旨将在下文中进行详细的描述，优选实施例示出在附图中，其示意性的表示是：

图1是穿过复制工具的横截面；

图2是复制工具的俯视图；

图3是另一复制工具的俯视图；

图4-6是复制过程的步骤；

图7-10是另一工具和复制步骤；和

图11是复制过程的流程图。

在附图中所使用的附图标记、和它们的含义以汇总的形式被列出在附图标记清单中。原则上，在附图中相同的部分使用相同的附图标记。

优选实施例详述

图1示出了复制工具9的横截面。复制工具9包括多个复制区域3，即凹陷结构特征，其界定了利用工具9制造的元件6的形状。每个复制区域3在其周边部分或全部被第一间隔部分或局部(local)或元件间隔部分1所包围。由复制区域3和以这种方式散布在其间的第一间隔部分1所覆盖的区域被称之为复制区间12。复制工具可进一步包含使其在大规模水平上具有尺寸刚性的刚性支承板8。

一方面在靠近基底7的地方，第一间隔部分1在一侧用于界定元件6的形状或边界，并且在另外一方面界定元件6相对于基层的高度。依靠复制工具9的尺寸稳定性，其可进一步被用于界定元件6相对于基底7的高度。也就是说，第一间隔部分1抵靠在基底7上停止移动或距离基底7有一可控制的距离。后面提到的距离，基层厚度，此处也被称为“元件间隔高度差”，在此处是由相对于第一间隔部分1的第二间隔部分2的垂直延伸界定的。

在本文中，为了方便起见，垂直于包含基本平面的基底7表面的尺寸被称之为“高度”。实际上，整个设置也可以颠倒的配置方式使用或也可以基底平面垂直于水平面或相对于水平面有一定的角度的方式来配置。因此垂直于平面的方向被定义为z方向。术语“周边”、“侧面”、“边”涉及的是关于垂直于z方向的方向。术语元件的“周边”和“边”因此被理解为当看基底时是从垂直于基本平面的方向来看。元件覆盖一部分基底，并且围绕基底的其它部分可被复制材料覆盖，该其它部分也就是都邻近基底和元件的功能部分的空间区域，特别是在第一间隔部分之下，并不会防碍元件的功能。

基底优选是由具有些弹性的材料制成，例如PDMS(聚二甲基硅氧烷)或其它弹性材料。这使得对被制造的元件6进行适当的厚度控制，即使基底表面不完全平坦，其中在基底表面上进行过程操作，或者如果复制工具不完全平坦。

图2示出了复制工具的俯视图。单个复制区域3被第一间隔部分1包围。每个第一间隔部分1可以连续环的方式包围复制区域3，或可包含溢出或溢流通道10，该通道使得复制材料5容易的流入区域或溢出空间(溢流空间)4内。一些分离的第二间隔部分2被设置成围绕复制部分3，位于工具9的外围。

图3示出了另一复制工具的俯视图，其中单个第二间隔部分2形成一个围绕复制部分3的格子的环。

工具9优选适于用在晶片规模生产中，也就是说含有复制区域阵列的基底可以是碟片形状。因此工具9的直径优选处于5cm至30cm范围内。晶片规模结合微电子生产是可能的，如在同一申请人的WO2005/083789中所揭示的，此处作为参考引入。

图4-6示出了包括复制材料的单个分配操作的复制过程的步骤：在图4中，复制材料5施加到基底7上，并且工具9定位在基底7上。第二间隔部分2相对相应的在基底7上的第二支承区域13方向定位。如环氧树脂的复制材料5是塑性可变形的或粘性的或液态的。优选的是，复制材料5仅施加到基底7上的不会接触到第二间隔部分2的区域，也就是不施加到第二支承区域13。当以相反的配置进行操作的时候进行同样的控制，用基底7在工具9之上，并且复制材料5施加到工具9上。可提供用于控制工具9相对水平位移和/或向下运动的引导元件，但是没有示出。

在本发明的一个优选实施例中，对于将复制材料5施加到基底7上的情况，基底7或复制工具包括具有流动阻止装置的流动阻止区域11，其用于防止复制材料5流到与第二间隔部分2接触的区域上。在基底上的流动阻止装置可以是例如在基底7上的坎或槽的机械装置，或机械或蚀刻处理，其能够降低基底7的湿润能力。选择性的或另外的，此种阻止装置可以通过使用不同的材料影响到基底7上的阻止区域11，或施加化学物质到所述区域，以便减少基底7的湿润能力。在复制工具上的流动阻止装置可包括例如边缘的不连续的部分，其阻止复制材料通过毛细管作用力和/或表面张力到达某些区域。选择性的或另外的对于基底和/或复制工具的流动阻止装置来说，通过动力学控制流动也可被限制，也就是通过确保在复制材料到达第二支承区域前第二间隔部分2邻近基底来实现。

在本发明的一个优选实施例中，第一间隔部分1并不是包围每个复制区域3，但其是例如分散在复制区间12上的分开的柱子。以这种方式，基底7的某些区域可保持被没有功能的复制材料5的厚部分所覆盖，相对于元件6来说。

在图5中，工具9已被移动抵靠在基底7上，驱动此运动的作用力优选仅是作用在工具9上的重力。因此，工具9的重量，包括支承板8和任选的附加重量，界定了工具9抵靠在基底7上的作用力。这允许对作用力、和可能发生的工具9的任何弹性变形进行非常准确的控制。复制区域3充满了复制材料5，并且溢出空间也至少部分被复制材料5充满。

第二间隔部分2接触基底7而没有任何复制材料5在其间，由此大部分的工具9的重量施加在第二间隔部分2上。通过元件间隔高度差第一间隔部分1与基底7被分离开，所得到的空间被充满了复制材料5。

根据几何的和热机械的限制选择理想的元件间隔高度差。高度差决定了在浮动空间下的复制材料层的厚度，即所谓的基层。该厚度可或者根据元件的设计给出或者根据由于热机械特性给出的规格来给出。作为一实例，可要求基层厚度低于15μm以避免在切割过程中分层，如以下的进一步解释一样。

复制材料5随后通过热或UV或化学固化来硬化。

在图6中，工具9已被从基底7上移开，留下在基底7上的硬化元件6。进一步的处理要根据元件6的自然属性和作用，也就是元件6可从基底7上分开或留在基底7上以用于在晶片规模制造过程中和随后切割成分开部分的下一步骤。

图7中复制工具9并不包括任何接触间隔。第一间隔部分1、1/围绕着复制区域3但是也被设置在这些部分之间，这些部分包括至少一复制区域。在阵列部分之间的区域例如是在复制后切割线被选择所处的位置。在图7中，在工具上对应的位置有箭头示出。通过部分之间的在区域内的第一间隔部分1/仅剩下薄复制材料基层。这在切割过程可是有利的，在此处因为太厚的复制材料层可能发生分层。制造光学元件的方法、特别是对于分割过程有利的所使用的方法在由Rudmann和Rossi与本申请同一日提出的美国专利申请11/384,558“制造光学元件”中有描述，其在此处被引入作为参考。

在图8中所示的复制工具包括围绕复制区域的第一间隔部分1并且进一步包括分布在工具上的第二间隔部分2。此种复制工具特别适合于“阵列复制”，此时复制材料以阵列的方式被分配，该阵列的方式就象多个泡被施加到点上，其中在该点处光学元件被制造。在示出的实施例中，复制材料5被分配到基底上。

复制材料5也可分散到工具上，即进入构成复制区域的模穴。这在图9中被示出(仅工具被示出而没有基底，基底在遇到工具前，例如并不包含任何复制材料)。这种在工具上分散复制材料的原则适用于所有的在此处描述的本发明的实施例，也就是，具有和不具有第二间隔的工具，具有分散或集中的第二间隔的工具等。

图10示出了在复制过程中的位置，在复制工具9和基底7根据例如图8或图9已经相互彼此相向移动后。在复制中，第二间隔部分2邻近基底表面，然而可有复制材料在第一间隔部分1之下，如图9中所示。根据由复制材料空间所决定的精度，复制材料可被放置入溢流空间4并且例如形成沿着第一间隔的外边沿凸出部分14。

图11示出了复制过程的流程图。

虽然用本发明所提出的优选实施例来描述本发明，应当清楚的理解是本发明并不受其限制，另外的变形例和实施方式也在权利要求的要求保护的范围内。

Claims (25)

1、一种通过复制而制造多个光学元件的方法，其包括以下步骤：

●提供包括多个复制区域的复制工具，其中该复制区域具有界定元件形状的凹陷结构特征，该工具进一步包括多个具有平表面部分的第一间隔部分；

●提供基底；

●将复制工具和基底相对彼此移动，同时塑性可变形的或粘性的或液态的复制材料位于工具和基底之间；

●加作用力以便将工具和基底相对彼此移动，直至第一间隔部分位于远离基底一定距离的地方，平表面部分平行于基底表面，复制材料保持在第一间隔部分和基底之间，和；

●硬化复制材料以形成元件。

2、根据权利要求1的方法，包括通过给工具—预定的重量并将工具放置在基底上以确定所述作用力的步骤，或通过给基底一预定的重量并将基底放置在工具上以确定所述作用力的步骤，让重量来施加挤压。

3、根据权利要求1或2的方法，其中工具进一步包括一个或多个第二间隔部分，该第二间隔部分用于界定工具和基底之间的距离，并且其中相对基底移动工具的方法步骤包括：

●相对基底移动工具直至第二间隔部分接触到基底表面。

4、根据权利要求3的方法，其中第二间隔部分包括平表面部分。

5、根据权利要求3或4的方法，其中第一间隔部分散布在复制区域中，并且其中第二间隔部分设置在包围复制区域的工具外围，并且第二间隔部分并不包括或界定任何复制区域。

6、根据权利要求3至5中任一权利要求的方法，包括将复制材料施加到工具上或基底上而并不覆盖对应于至少一第二间隔部分的侧部位置的区域的步骤，从而在工具相对基底移动后没有复制材料存在于第二间隔部分和基底之间。

7、根据权利要求3至6中任一权利要求的方法，其中复制区域包括第一和第二间隔部分。

8、根据权利要求3至7中任一权利要求的方法，其中，在工具相对基底移动的方向上，第一间隔部分的高度和第二间隔部分的高度的不同是通过元件间隔高度差来体现的，元件间隔高度差在5微米至30微米的范围内。

9、根据前述任一权利要求的方法，其中第一间隔部分界定在基底上的元件高度。

10、根据权利要求9的方法，其中元件是折射光学透镜。

11、根据前述任一权利要求的方法，其中在将复制工具和基底相向彼此移动之前，复制材料以材料的单个连续量或以材料的多个连续量的方式被分配，其中在多个连续量中每个材料量覆盖多个所述复制区域。

12、根据权利要求1-10中任一权利要求的方法，其中在将复制工具和基底相向彼此移动之前，复制材料以材料阵列量的方式被分配，每个被限制在包含一复制区域的部分中。

13、根据前述任一权利要求的方法，其中在复制材料硬化后，复制工具被移出并且基底部分或包括基底的组件部分沿着切割线彼此分开，每个部分带有至少一个所述光学元件，其中所述切割线沿着基底的侧部位置，该基底的侧部位置是在复制过程中第一间隔部分定位的地方。

14、一种用于制造多个光学元件的复制工具，其中该光学元件是通过从复制材料复制得到，包括多个复制区域的复制工具，其中该复制区域具有界定元件形状的凹陷结构特征，复制工具进一步包括多个具有平表面部分的第一间隔部分并且进一步包括一个或多个第二间隔部分，该第二间隔部分用于界定在复制过程中工具和基底之间的距离，其中在复制工具相向基底运动的方向上，第二间隔部分的高度超过第一间隔部分的高度。

15、根据权利要求14的复制工具，在垂直于工具的主平面的方向上，第一间隔部分的高度和第二间隔部分的高度的不同是通过元件间隔高度差来体现的，元件间隔高度差在5微米至30微米的范围内。

16、根据权利要求14或15的复制工具，其中每个第一间隔部分被设置成围绕着相关的复制区域并且界定由复制区域制造的元件周边的形状。

17、根据权利要求14-16中任一权利要求的复制工具，其中由第一间隔部分覆盖的总面积在所有工具覆盖基底面积的0.5％和20％之间。

18、根据权利要求14-17中任一权利要求的复制工具，其中由第二间隔部分覆盖的总面积在所有工具覆盖基底面积的5％和25％之间。

19、根据权利要求14-18中任一权利要求的复制工具，其中第一间隔部分散布在复制区域中，并且其中第二间隔部分设置在包围复制区域的工具外围，并且第二间隔部分并不包括或界定任何复制区域。

20、一种通过复制制造多个光学元件的方法，每个光学元件包括折射透镜，包括以下步骤：

●提供包括多个复制区域的复制工具，其中该复制区域具有界定元件形状的凹陷结构特征，每个复制区域包括圆顶形状部分和围绕着圆顶形状部分的突出扁平部分，该扁平部分用于作为间隔并且决定折射透镜的高度；

●提供基底；

●将复制工具和基底相对彼此移动，同时塑性可变形的或粘性的或液态的复制材料位于工具和基底之间；

●硬化复制材料以形成元件；

●移去复制工具；和

●将基底的各个部分彼此分离开，每个部分携带有至少其中一个所述反射透镜。

21、根据权利要求20的方法，其中将复制工具和基底彼此相向移动的步骤包括施加作用力以将复制工具和基底彼此相向移动，直到第一间隔部分定位在远离基底一定距离的地方，扁平表面部分平行于基底表面，同时复制材料保持在第一间隔部分和基底之间。

22、根据权利要求21的方法，其中围绕圆顶形状部分的扁平部分立即靠近圆顶形状部分。

23、根据权利要求20-22中任一权利要求的方法，其中所述基底部分沿着切割线被彼此分开，并且其中所述分割线沿着基底的侧部位置，基底的侧部位置是在复制过程中第一间隔部分所处的位置。

24、根据权利要求20-23中任一权利要求的方法，其中将复制工具和基底彼此相向移动的步骤包括将工具相对基底移动直至第二间隔部分接触到基底表面。

25、一种通过复制制造的透明光学元件，该光学元件包括基底和在其上硬化的复制材料，该硬化的复制材料包括被复制的光学功能部分，复制材料进一步包括围绕光学功能部分的扁平部分。

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