CN102707378B

CN102707378B - 一种应用压印技术制作硅酮微纳光学结构的方法

Info

Publication number: CN102707378B
Application number: CN 201210192287
Authority: CN
Inventors: 梅霆; 万磊; 王洪朝; 郭克芹; 杜康; 朱凝
Original assignee: South China Normal University
Current assignee: South China Normal University
Priority date: 2012-06-12
Filing date: 2012-06-12
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2032-06-12
Also published as: CN102707378A

Abstract

本发明公开了一种应用压印技术制作硅酮微纳光学结构的方法，首先要根据器件结构要求设计并加工模板，作为压印用的印章；其次，根据器件微纳光学结构的要求，选用合适衬底材料，并覆盖压印胶，之后，采用压印工艺，转移模板上的结构图案，固化成型，待模板与衬底都冷却后，释放模板，得到带有浮雕图形的微纳光学结构；最后，依照器件的设计，在印制纹路上方覆盖聚合物光学束缚层，形成完整的微纳光学结构。本发明可以制备耐候性好，热稳定性强，损耗低的光学器件，并且工艺简单，具有成本优势。

Description

一种应用压印技术制作硅酮微纳光学结构的方法

技术领域

本发明涉及压印工艺和光学技术领域，具体涉及应用压印技术制作硅酮微纳光学结构的方法。

背景技术

光波导是集成光学的重要基础性部件。光波导器件按其组成材料可分为四种基本类型：铌酸锂镀钛光波导、硅基二氧化硅光波导、InGaAsP/InP光波导和聚合物光波导。其中，聚合物材料光波导以其耦合损耗低、光学性能好、体积小等优点已经成为人们关注和研究的热点,寻找低成本的聚合物光波导制备方法自然也成为人们一直关心的课题。

传统的光波导器件做在无机材料上，例如铌酸锂和硅基半导体材料上，但无机材料本身存在缺陷、损耗大，很难实现高质量的波导器件。因此，近些年来人们开始研究聚合物光波导器件，研究较多的有聚甲基丙烯酸甲酯，聚苯乙烯等，但这些材料玻璃化温度低、热稳定性和耐候性较差，所以为了满足未来光子集成芯片的需要，选择玻璃化温度高，热稳定性、可靠性强的聚合物材料就显得较为重要，在光电子领域中应用较广的硅酮材料或者改性的新型丙烯酸脂聚合物材料就是一种很有优势的高分子材料。

光波导、二元光学元件的制备方法是基于传统的半导体制备工艺，主要包括匀胶、光刻、刻蚀，沉积等工艺步骤。这种方法涉及到的工序较多，尤其在刻蚀阶段，需要反复置换掩膜层来实现下层的刻蚀，同时有些光刻工艺设备比较昂贵，更为遗憾的是受紫外曝光波长的限制，器件的尺寸很难做到很小，而且设备产量低，加工成本高，高能的辐射还会破坏掩膜和透镜中的许多材料，所以利用传统的半导体工艺制备高分辨率、高产量、低成本的微纳米器件不言而喻成了技术上难以逾越的鸿沟。自从1995年由Stephen Y.Chou提出热压印技术并在美国申请专利后，参见美国公告专利第5,772,905号，制备高精度的微纳米图形技术又发生了巨大的变革，这项技术克服了光学曝光中由于衍射现象引起的分辨率极限等问题，显示出了自身在超高精度工业化产品生产方面的优势，很快受到业界的赞赏。这项技术主要是通过电子束直写等装置制备一个高分辨率的母版，然后利用压印的方法复制出可以多次重复使用的压模，再用这个模板去压印刻蚀得到需要的纳米图案，但这个过程需要施加压力使得印章与压印胶接触，加热固化后再脱模，需要的压力较大。后来为了简化工艺，提高器件的生产率，研究人员又发明了紫外压印技术，利用紫外光照射实现压印胶层的固化。相比热压，紫外压印也在一些方面显示出了自身的优势，可实现快速高效的图形复制。然而，对于不同的压印胶，以及器件的功能来讲，还需要选择合适的压印工艺才能实现低成本、高效率的器件制造。

发明内容

为了进一步提高聚合物微纳光学结构的热稳定性、耐候性和可靠性，实现高品质光学器件，本发明提供了一种应用压印技术制作硅酮微纳光学结构的方法。本发明采用了热稳定性能好、光学透过率高、环境抵抗能力强的硅酮作为制备材料，同时提供了一种操作简单、成本低、可大规模重复性生产高效压印方法。

本发明的一种应用压印技术制作硅酮微纳光学结构的方法，包括如下步骤：

步骤一，按照器件掩膜板的图形，制作压印用模板或者印章；

步骤二，在基底上覆盖待压印的硅酮聚合物材料作为压印胶，然后将压印用模板或者印章中的浮雕图形通过压印工艺转移到压印胶上，压印出微纳光学结构，固化后释放模板或印章；

步骤三，根据器件设计结构，在压印得到的硅酮聚合物微纳光学结构上覆盖硅酮聚合物束缚层。

所述微纳光学结构包括光波导、二元光学元件或光学微透镜。

所述压印工艺包括热压印或紫外压印；所述硅酮聚合物为光学级硅酮聚合物，包括热塑性硅酮聚合物或热固型硅酮聚合物。

优选的，热固性硅酮聚合物包括光学级硅橡胶、光学级硅树脂、光学级凝胶中的一种以上。

优选的，光学级硅橡胶采用道康宁公司的OE-6550、OE-6336或OE-6520产品；光学级硅树脂采用道康宁公司的OE-6630、OE-6665或OE-6635产品，光学级凝胶采用美国联合化学的Co-7550、Co-6100或Co-5200产品。

优选的，热压印工艺中先对模板进行40到80℃的预加热，时间为20到40分钟，然后将覆盖有压印胶的待压基片倒置放在模板上方，再将覆盖有待压基片的模板抽放在真空室中，抽真空，加热加压固化成型。

优选的，在抽真空前，印章与压印胶之间放置夹片来排除模具凹槽中的空气。

优选的，所述热压印中加热加压固化工艺为：采用预热，温度范围在40到80℃，时间在5到20分钟；中间加热固化，温度范围在80到140℃，时间在40到120分钟；后加热固化，温度范围在140℃到300℃，时间在30到80分钟的分段固化方式。加压从中间加热固化阶段到后加热固化阶段，大小范围小于或等于3千牛。

所述印章或模板包括硅、镍、二氧化硅、石英玻璃、碳化硅、金刚石、石墨烯、聚二甲基硅氧烷、含氟聚硅氧烷中的一种以上。

所述基底材料包括K9玻璃片、石英玻璃片、硅酮聚合物、聚甲基丙烯酸甲酯，聚碳酸酯、聚苯乙烯中的一种以上。

与现有技术相比，采用本发明可以达到的效果：

1.由于本发明采用的是热稳定性佳、透光性好以及耐候性强的LED封装用硅酮材料，光学特性优良，所以本发明实现后微纳光学结构及器件的环境抵抗性相比同类器件可以有较大提高。

2.由于本发明利用压印技术制备微纳光学结构的工艺成本低，操作相对简单，生产效率高，同时可直接用玻璃材料作为波导下包层，用压印胶作为光波导的芯层可以节省材料，简化器件设计，所以本发明实现后可以在成本、工艺、器件结构方面具有较大的竞争优势。

3.由于本发明的加工工艺采用的压印的方法，其中印章或模具的线宽可以通过电子束光刻等高端设备从几十纳米加工到几百微米，另外，由于压印胶不在作为刻蚀掩膜板，而是直接用于形成微纳光学结构的组件，例如波导芯层，覆盖在光学玻璃上简化了器件的结构，减小了器件的尺寸，所以本发明实现后可以制备出不同尺寸的满足不同应用需求的微纳光学结构。

4.由于本发明制备的光波导芯层和上包层均为硅酮同质型材料，所以制备出的光波导器件传输损耗低，介质均匀性好，稳定性强。

5.由于本发明采用的材料普遍应用在LED的封装方面，所以本发明实现后可以用以制作微透镜结构，以此改善LED封装透镜的分布结构。

6.本发明工艺简单，操作性强，可以在光通信分立光波导器件制备方面优先实现产业化。

附图说明

图1为模板与待压基片在压印机样品台上的摆放定位图。

图2为利用模板对待压基片进行压印的工艺图。

图3为模板与压印后基片之间的分离工艺图。

图4a为直接用压印浮雕图案作为器件光学结构的结构图。

图4b为采用压印工艺制作的光波导的结构图。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。

实施例1

采用热压印方法制备硅酮微纳光学结构，具体步骤包括：

1、用光子器件模拟软件设计并优化光波导器件，然后利用计算机辅助设计工具根据设计结果绘制掩膜板的版图，将设计好的图样文件转交给专业的光刻掩膜板制造厂商进行定制；

2、对光刻胶进行曝光，然后进行ICP刻蚀，得到压印用硅材质或者其他材质的印章；如果器件的最小线宽尺寸要求比较高的话，可用电子束曝光或者其他先进的光刻设备来进行定制。

3、硅印章表面或者其他硬质模板表面进行羟基化处理，然后将其放在无水环境的培养皿中，用微升注射器注入适量的全氟四氢辛基硅烷，从室温加热到250℃，待温度稳定后保持2小时，冷却后用正己烷清洗掉过剩的全氟四氢辛基硅烷溶液，得到表面能较低的硅模板44；对于表面防粘处理，还可以用将全氟四氢辛基硅烷溶于含氟的溶剂中，采用浸蘸的方法然后加热固化形成防粘层。

4、采用折射率为1.54的OE-6550硅酮材料22，根据器件结构要求，添加5%的二甲苯进行稀释，降低其粘度，然后室温下搅拌均匀，放在真空室除去气泡，从而得到透明清彻的微纳光学结构中间层材料；其中，可以实现压印的硅酮材料还有道康宁公司的OE-6520，OE-6630，OE-6336或OE-6635，美国联合化学的Co-7550，Co-6100，或Co-5200。

5、将4中配置的微纳光学结构中间层材料旋涂在干净的K9玻璃片或者石英玻璃片上11，调节转速与时间得到大约6um厚的微纳光学结构中间层，以此作为压印样品，如图1所示。

6、模板44放在压印机加热台55上,60℃预热30分钟，然后将压印样品倒置覆盖在模板44上，如图1所示；升温至80℃后加热20分钟，边缘放置金属夹片，抽真空，排除凹槽气泡，待真空室压强较低（如-1Pa）时，通过磁力片的移动取出金属夹片，实现模板与基材之间充分的接触；通过丝杆66施加压力F为1500牛，接触到挡板77后，开始深度压印，稳定样品台，升温至120℃，维持1小时，增加温度到160℃，恒温加热1小时，如图2所示；待模板与压印后的基片冷却后撤销外部压力F，分离模板与压印后的基片，如图3所示；得到含有浮雕图形的光学结构，可直接作为光学器件来使用，如图4a所示，也可作为光学波导芯层样品。

7、采用折射率为1.53的OE-6630硅酮材料33，添加适量二甲苯稀释，涂覆在经过氧气等离子体亲水处理过的光学波导芯层样品上，然后加热到120℃，维持1个小时，然后升温至150℃进行后固化1小时，最终形成波导器件的上包层，如图4b所示。

实施例2

4、采用折射率为1.54的OE-6635硅酮材料22，根据器件结构要求，添加6%的二甲苯进行稀释，降低其粘度，然后室温下搅拌均匀，放在真空室除去气泡，从而得到透明清彻的微纳光学结构中间层材料；其中，可以实现压印的硅酮材料还有有道康宁公司的OE-6550，OE-6520、OE-6336或OE-6630，美国联合化学的Co-7550，Co-6100，或Co-5200。

5、将4中配置的微纳光学结构中间层材料旋涂在干净的K9玻璃片或者石英玻璃片上11，调节转速与时间得到大约3um厚的微纳光学结构中间层，以此作为压印样品，如图1所示。

6、模板44放在压印机加热台55上,80℃预热20分钟，然后将压印样品倒置覆盖在模板44上，如图1所示；然后升温至60℃后加热20分钟，边缘放置金属夹片，抽真空，排除凹槽气泡，待真空室压强较低（如-1Pa）时，通过磁力片的移动取出夹片，实现模板与基材之间充分的接触；通过丝杆66施加压力F为1200牛，接触到挡板77后，开始深度压印，稳定样品台，升温至130℃，维持50分钟，增加温度到180℃，恒温加热40分钟，如图2所示；待模板与压印后的基片冷却后撤销外部压力F，分离模板与压印后的基片，如图3所示；得到含有浮雕图形的光学结构，可直接作为光学器件来使用，如图4a所示，也可作为光学波导芯层样品。

7、采用折射率为1.41的OE-6336硅酮材料33，添加适量二甲苯稀释，涂覆在经过氧气等离子体亲水处理过的光学波导芯层样品上，然后加热到130℃，维持1个小时，然后升温至160℃进行后固化1小时，最终形成波导器件的上包层，如图4b所示。

Claims

1.一种应用压印技术制作硅酮微纳光学结构的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤二，在基底上覆盖待压印的硅酮聚合物材料作为压印胶，然后将压印用模板或者印章中的浮雕图形通过压印工艺转移到压印胶上，压印出微纳光学结构，固化后释放模板或印章；所得含有浮雕图形的光学结构，能直接作为光学器件使用；所述压印工艺是指热压印；所述的微纳光学结构包括光波导、二元光学元件或光学微透镜；所述硅酮聚合物为光学级硅酮聚合物，包括热固型硅酮聚合物；所述热固性硅酮聚合物包括光学级硅橡胶、光学级硅树脂、光学级凝胶中的一种以上，光学级硅橡胶采用道康宁公司的OE-6550、OE-6336或OE-6520产品；光学级硅树脂采用道康宁公司的OE-6630、OE-6665或OE-6635产品，光学级凝胶采用美国联合化学的Co-7550、Co-6100或Co-5200产品；

所述热压印工艺中先对模板进行40到80℃的预加热，预加热时间为20到40分钟，然后将覆盖有压印胶的待压基片倒置放在模板上方，再将覆盖有待压基片的模板抽放在真空室中，抽真空，加热加压固化成型；在所述抽真空前，印章与压印胶之间放置夹片来排除模具凹槽中的空气；

所述加热加压固化工艺为：采用预热，温度范围在40到80℃，时间在5到20分钟；中间加热固化，温度范围在80到140℃，时间在40到120分钟；后加热固化，温度范围在140℃到300℃，时间在30到80分钟的分段固化方式；加压从中间加热固化阶段到后加热固化阶段，压力小于或等于3千牛；

2.如权利要求1所述的一种应用压印技术制作硅酮微纳光学结构的方法，其特征在于，步骤一所述印章或模板采用的材料包括硅、镍、二氧化硅、石英玻璃、碳化硅、金刚石、石墨烯、聚二甲基硅氧烷、含氟聚硅氧烷中的一种以上。

3.如权利要求1所述的一种应用压印技术制作硅酮微纳光学结构的方法，其特征在于，步骤二所述基底包括K9玻璃片、石英玻璃片、硅酮聚合物、聚甲基丙烯酸甲酯，聚碳酸酯、聚苯乙烯中的一种以上。