CN101481079B

CN101481079B - 一种微纳米透镜阵列的制备方法

Info

Publication number: CN101481079B
Application number: CN2009100247130A
Authority: CN
Inventors: 周明; 李健; 李保家; 叶霞; 蔡兰
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2009-02-11
Filing date: 2009-02-11
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2029-02-11
Also published as: CN101481079A

Abstract

本发明涉及微纳器件制备技术和软刻蚀技术领域，特指一种应用软刻蚀技术制备微纳米透镜阵列的技术方法及工艺过程，具体的制备方法是：首先在模板上通过常规方法制备出微纳孔阵列；然后对制备出的模板进行硅烷化处理；接着滴加成型材料PDMS于模板表面，之后将涂有PDMS的模板置于真空干燥箱中，使PDMS液体成型；固化PDMS；最后分离模板和PDMS，得到的PDMS薄膜即带有微透镜阵列。本发明方法解决了透镜质量与微孔制备的矛盾，透镜焦距易于控制，制备工艺简单，设备要求较低。

Description

一种微纳米透镜阵列的制备方法

技术领域

本发明涉及微纳器件制备技术和软刻蚀技术领域，特指一种应用软刻蚀技术制备微纳米透镜阵列的技术方法及工艺过程，其适用于采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸酯(PMMA)等软刻蚀材料的表面微器件制备。

背景技术

透镜是一种用于调节光路系统的光学元件，在光的传播中起到改变光路和聚焦的作用，是光学系统不可或缺的光学元件。由于透镜表面要求具有特定的形状，且要求较高的表面光洁度，其制备长期以来都是一个难题。

微纳透镜阵列是在薄膜透光材料上分布的特征尺寸为微米尺度或纳米尺度透镜阵列，由于其特殊的光学效应，目前在学术界和工程应用上得到广泛的重视。由于工程上具有较广阔的应用前景，目前在学术界和工程界出现了较多的制备微透镜阵列的方法。

微透镜阵列制备技术的蓬勃发展是近二十年来的事情。1988年Poporic对热熔法做了研究，提出热熔法的思想和实施过程，并成功采用热熔法制备出微透镜阵列。由于热熔法是产生微球冠阵列结构的有效方法，因此，后来的研究人员采用离子束刻蚀制备微透镜阵列都是基于热熔法产生的微结构的。1998年，Biehl采用按需滴定法制备了微透镜，控制成型高聚物的体积能够对透镜的形态进行良好的控制，这种方法对单个微透镜制备十分有效。2000年Hartmann.等人采用疏水控制法制备了微透镜阵列表面，由于采用匀胶的方法，制备效率比按需滴定法提高许多，而且采用疏水控制法能够控制好成型材料铺展的边界。最近，Chang等人通过气体压强辅助成型法在薄膜上制备出了微透镜阵列结构。相比较前几种方法而言，这种方法制备得到的微透镜阵列与基底是一体的，光学性质较好。

工艺过程复杂一直都是微透镜阵列制备技术的一大问题。对热熔法而言，首先需要对铺展在表面上的薄膜材料进行良好的分割并采用化学去除法去除不需要的部分，再通过加热的方式使成型材料熔融变形，最后冷却固化；而按需滴定制备大面积微透镜阵列不是很现实，因为每个透镜都需要进行滴定，时间消耗大；疏水控制法的局部区域疏水处理过程繁琐；压强辅助薄膜成型法需要的设备和控制的难度都相对较大。

另外，透镜阵列与基底之间相互有干涉。除压强辅助薄膜成型法以外，采用其他方法制备的透镜阵列与基底都不是一体的，这其中的界面对光传输有一定的影响。因此，在热熔法的基础上，部分研究人员采用离子束刻蚀法来制备微透镜阵列。

总之，传统的微透镜阵列制备技术难以适应目前的要求，原因主要有以下几点：

制备工艺复杂，制备成本高。以上提到的几种主流技术在成型之外还需要额外的准备工作，或者是设备精度和控制难度高。

透镜阵列与基底之间存在一个界面，影响了透镜的效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过气压控制软刻蚀成型方法制备出微纳透镜阵列的技术及工艺，实现透镜阵列的经济和较高精度的制备。

本发明按下述技术方案实现：

一种微纳米透镜阵列的制备方法，是：首先在模板上通过常规方法制备出微纳孔阵列；然后对制备出的模板进行硅烷化处理；接着滴加成型材料PDMS于模板表面，之后将涂有PDMS的模板置于真空干燥箱中，使PDMS液体成型；固化PDMS；最后分离模板和PDMS，得到的PDMS薄膜即带有微透镜阵列。

上述方法中，微纳孔阵列的制备采用常规方法即可，如电子束刻蚀法。制备的微纳孔阵列直径从50nm到1mm不等，孔深大于孔径，孔形状及圆度误差决定了最终透镜的形状和质量，需进行选择和严格控制，而对孔内壁不作要求。

上述方法中，对模板硅烷化处理的过程是：将模板置于一玻璃皿中，在玻璃皿中滴加少量甲硅烷(1～3μL)，之后将玻璃皿置于真空干燥箱中，抽真空至1000Pa以下并加热至80～90℃，保温60～70min，保持真空度使系统自然冷却，到达常温时取出模板。对模板进行硅烷化处理，是使成型材料液体在模板材料上的界面变大，铺展受限，液体不易进入孔底。

上述方法中，所用的成型材料PDMS的两种组分硅树脂和固化剂按质量比10∶1的比例混合，搅拌均匀。对混合后的成型材料液体须进行除气处理，除气过程是：将混合后的材料置于真空干燥箱中，干燥箱抽真空至内部压强低于100Pa，静置10分钟。

上述方法中，成型过程采用调节真空干燥箱内的压强进行成型。

上述方法中，成型参数调节如下：调节压强至目标值，该目标值在100Pa和1×10⁵Pa之间，决定于所需制备的微透镜的球面半径且满足关系P₀-P＝2σ/r，其中P₀为大气压强，P为压强的目标值，σ为成型材料表面张力，r为所需透镜的球面半径；调节温度至90℃使成型材料固化。

本发明具有如下技术优势：

微透镜质量与模板内壁质量之间没有联系，降低了对模板制备的要求。对于微纳制造而言，孔内壁的质量一直都是一个很难保证的参数，提高孔内壁的质量或者采用复杂的孔结构将加大模板制备的成本开销，尤其，对纳米尺度微结构，对孔的质量和结构的要求根本就不现实。采用本发明的方法解决了透镜质量与微孔制备的矛盾。

透镜的球面半径(透镜焦距)易于控制。由于球面半径和压强差之间具有确定的关系，透镜的焦距可以通过改变压强差即控制烘箱内的真空度来调节，这在真空干燥箱上很容易实现。所以，透镜焦距易于控制。

模板使用范围宽。通过控制烘箱的真空度，同一个模板可以制备出不同焦距的微透镜阵列，扩展了模板的使用范围。

制备范围广。传统的微透镜阵列制备技术由于成型材料的体积控制难度大，所以基本只限于微米级别的透镜制备。本发明提出的方法通过模板的分布对透镜位置和大小进行控制，可以制备出纳米级别的微透镜阵列。

制备工艺简单，设备要求较低。对微米或亚微米孔阵列的加工方法已经开始商品化，本发明中用到的模板制备简单，模板制备后只需对压强进行调节，工艺简单，设备要求也低。

附图说明

图1微透镜阵列制备过程示意图

图2微透镜阵列成型原理图

图3 300nm微透镜阵列及其模板的AFM图1 PDMS，2微孔阵列模板，3空气。4、微透镜阵列表面

实施方式

下面结合图1说明本发明提出的具体工艺的实施细节和工作情况。

实施例1：

准备模板材料，采用电子束刻蚀方法加工出直径为300nm的深孔；对制备好的微孔阵列模板1进行清洗后，将模板1置于一玻璃皿中，在玻璃皿中滴加1～3μL甲硅烷，之后将玻璃皿置于真空干燥箱中，抽真空至1000Pa以下并加热至80～90℃，保温60～70min，保持真空度使系统自然冷却，到达常温时取出模板。经硅烷化处理，降低模板表面的表面能，使液体不易流延到微孔底部；再按质量比10∶1的比例配置好PDMS复型材料，将混合后的PDMS复型材料置于真空干燥箱中，干燥箱抽真空至内部压强低于100Pa，静置10分钟进行除气。然后将处理好的液体PDMS 1倾倒在模板2上；将铺有PDMS的模板放置于真空干燥箱中，加热和调节压强使PDMS固化成型；对于300nm直径的孔阵列，本实施例中采用抽真空至真空箱内压强为100Pa以下，产生凹形气液界面，再固化成型，分离模板2和PDMS1制品。通过这样的制备过程即可得到一个带有凹面球体阵列的微结构表面4。对膜厚度进行良好的控制可以直接制备得到凹透镜阵列，采用复制的方法还可以制备出凸透镜阵列。

图2是微透镜阵列成型原理图。在液态的PDMS 1铺展到微孔阵列模板2上的瞬间，空气3和PDMS 1构成如图2a的体系，平衡后PDMS 1在重力和固液界面张力的作用下与空气3又重新构成图2b所示的界面。为制备出透镜，这个界面需要移动到模板的表观表面上，这个过程可通过两种方法实现：加热空气3；对系统抽真空，使微孔内的空气膨胀。液态的PDMS 1成型后的形貌如图2c所示。

图3是在直径为300nm的微孔阵列模板上制备的微透镜阵列和模板的AFM图。A、C分别为模板表面的微孔分布及剖面图，B、D为微透镜阵列表面的微孔分布及剖面图。从图中可以看到，透镜与模板间不是复制关系，模板尽管不是严格的柱形孔阵列结构或者球状结构，成型后的微透镜阵列的形状参数仍然比较好。

实施例2：

实施过程与实施例1其本相同，不同之处是，采用电子束刻蚀方法在硅片上加工得到50nm的孔阵列；接着进行硅烷化处理并铺展PDMS液体在模板表面；将模板连同PDMS送入到真空干燥箱中，抽真空至100Pa以下。根据P₀-P＝2σ/r，此时得到的凹形球面曲率半径为400nm，凹腔深度为1nm。

实施例3

实施过程与实施例1其本相同，不同之处是，采用常规的方法在硅片上加工1mm的孔阵列，进行硅烷化处理；将PDMS倾倒在模板表面；将带有PDMS液体的模板送入真空干燥箱中，抽真空至9.995×10⁵Pa和1×10⁵Pa之间，固化成型即可得到1mm的透镜。

其他不同尺度的微透镜阵列可以按照以上方法通过控制烘箱的真空度和采用所需直径的微孔阵列模板进行制备。

Claims

1.一种微纳米透镜阵列的制备方法，其特征在于，首先在模板上通过常规方法制备出微纳孔阵列，对制备出的模板进行硅烷化处理；接着滴加成型材料PDMS于模板表面，之后将涂有PDMS的模板置于真空干燥箱中，通过调节真空干燥箱内的压强进行抽真空使PDMS成型为凹形界面；稳定后固化PDMS；最后分离模板和PDMS，得到的PDMS薄膜即带有微透镜阵列；所说的成型材料PDMS的两种组分硅树脂和固化剂按质量比10∶1的比例混合，搅拌均匀，对混合后的成型材料液体进行除气处理。

2.根据权利要求1所述的微纳米透镜阵列的制备方法，其特征在于，是采用电子束刻蚀法制备微纳孔阵列。

3.根据权利要求1所述的微纳米透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述的微纳孔阵列直径为50nm到1mm。

4.根据权利要求1所述的微纳米透镜阵列的制备方法，其特征在于，所说的成型材料液体进行除气处理是：将混合后的材料置于真空干燥箱中，干燥箱抽真空至内部压强低于100Pa，静置10分钟。

5.根据权利要求1所述的微纳米透镜阵列的制备方法，其特征在于，其中所说的通过调节真空干燥箱内的压强进行抽真空使PDMS成型为凹形界面过程的参数调节如下：调节压强至目标值，该目标值在100Pa到1×10⁵Pa之间，决定于所需制备的微透镜的球面半径且满足关系P₀-P＝2σ/r，其中P₀为大气压强，P为压强的目标值，σ为成型材料表面张力，r为所需透镜的球面半径；调节温度至90℃使成型材料固化。