CN102799066B - 一种在二氧化钛有机无机光敏复合薄膜上制备凹透镜阵列结构的方法 - Google Patents
一种在二氧化钛有机无机光敏复合薄膜上制备凹透镜阵列结构的方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种在二氧化钛有机无机光敏复合薄膜上制备凹透镜阵列结构的方法，首先通过光学光刻技术结合光刻胶热回流的方法制备得到具有微凸透镜阵列结构母版，由此母版复制得到具有凹透镜阵列结构的PDMS软模板，以此PDMS软模板做为母版二次复制得到具有凸透镜阵列结构的PDMS软模板，最后通过紫外软压印光刻技术在二氧化钛基有机-无机光敏复合薄膜上制备得到凹透镜阵列结构。最终得到的凹透镜阵列结构的尺寸可以通过母版图形尺寸来调节，凹透镜阵列结构的基本光学参数可通过调节光敏复合材料的折射率等实现，特别是本发明具有制作快速，低成本，高精度，可批量生产，是一种制备凹透镜阵列结构的有效方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种凹透镜阵列结构的制备方法，具体涉及一种在二氧化钛有机无机光敏复合薄膜上制备凹透镜阵列结构的方法。
背景技术
微透镜阵列结构是重要的集成光学元件，在光互连和光通信领域中起着重要的作用。目前有很多种微透镜阵列结构的制备方法，包括激光直写技术、光刻胶热回流方法、灰度掩膜技术等。而目前已知的这些制备技术工艺过程复杂、所需设备昂贵、加工周期长，不能实现批量生产，而且制备得到的微透镜结构一般表面粗糙度比较大。而且这些加工技术多数用来制备微凸透镜阵列结构，而用来制备微凹透镜阵列结构加工方法却更加少，因此限制了微凹透镜阵列结构在集成光学等领域中的应用。
紫外软压印光刻技术因制作成本低、制作快速、具有较高的复制精度、可批量生产等特点而引起了研究学者的关注。常规的紫外软压印光刻技术首先制备具有一定图形结构的硬性模板作为母版，由此母版翻制得到PDMS软模板，从而得到具有与母版图形相反的PDMS软模板，然后将PDMS软模板压印到压印层。
以上所述的多种微透镜阵列结构的加工技术，一般都要将制备得到的微透镜阵列结构经过刻蚀等方法转移到目标材料或者是基底上，这样经过多次图形转移，将会带来较大的误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本、高精度、可批量生产的在二氧化钛有机无机光敏复合薄膜上制备凹透镜阵列结构的方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
1）首先，利用JKG-2A型光刻机通过圆形阵列掩模板在AZ5214-E型光刻胶上采用接触式曝光60s，然后在AZ-Developer型号的显影液中显影60s得到圆柱体阵列结构，然后将所得到的圆柱体阵列结构在热板上160°C热回流30分钟，得到具有凸透镜阵列结构的光刻胶母版；
2）将型号为Sylgard184的PDMS预聚物和固化剂按10∶1的重量比混合搅匀，并将其放入真空干燥箱中直至气泡完全去除，然后，将其浇注在具有凸透镜阵列结构的光刻胶母版上并烘干固化，最后将固化完全的PDMS从凸透镜阵列结构的光刻胶母版上剥离，得到具有凹透镜阵列结构的PDMS软模板；
3）将2）中去除完气泡的PDMS预聚物和固化剂的混合物浇注到具有凹透镜阵列结构的PDMS软模板上，并烘干固化，最后将固化完全的PDMS剥离，得到具有凸透镜阵列结构的PDMS软模板；
4）利用旋涂层工艺，以每分钟1000转的转速在载玻片上制备具有紫外光敏特性的二氧化钛有机无机复合薄膜，并以此作为压印层，将具有凸透镜阵列结构的PDMS软模板压印到复合薄膜上，然后将其置于紫外灯正下方曝光固化，最后将固化完全的光敏复合薄膜从将具有凸透镜阵列结构的PDMS软模板剥离，在烘箱中干燥，从而在二氧化钛有机无机光敏复合薄膜上制备得到了凹透镜阵列结构。
所述步骤4）紫外灯的波长为365nm，电流为15mW/cm2。
本发明中所采用的压印层为二氧化钛有机无机光敏复合薄膜，这种复合薄膜同时结合了无机材料和有机材料各自的优点，而避免了各自的缺点，所制备得到的复合薄膜具有较高的光学透过率、可调的折射率、较大的硬度、比较好的耐磨性，可以得到数微米厚的单层高光学质量薄膜。因此将PDMS软模板压印到该复合薄膜上，经过固化后所得到的二氧化钛有机无机光敏复合薄膜微透镜阵列可以直接用作目标材料，而无需转移图形，这在很大程度上避免了因多次转移而造成的复制误差。
附图说明
图1具有凸透镜阵列结构的光刻胶母版的扫描电镜图；
图2由光刻胶母版翻制得到的具有凹透镜阵列结构的PDMS软模板的扫描电镜图；
图3由PDMS软模板二次复制得到的具有凸透镜阵列结构的PDMS软模板的扫描电镜图；
图4由具有凸透镜阵列结构的PDMS软模板压印得到的复合薄膜凹透镜阵列结构的扫描电镜图；
图5字符“L”由压印得到的复合薄膜凹透镜阵列结构在白光下的光学成像显微图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
1）首先，利用JKG-2A型光刻机通过圆形阵列掩模板在AZ5214-E型光刻胶上采用接触式曝光60s，然后在AZ-Developer型号的显影液中显影60s得到圆柱体阵列结构，然后将所得到的圆柱体阵列结构在热板上160°C热回流30分钟，得到直径20μm，间隔20μm凸透镜阵列结构的光刻胶母版；
2）将型号为Sylgard184的PDMS预聚物和固化剂按10∶1的重量比混合搅匀，并将其放入真空干燥箱中直至气泡完全去除，然后，将其浇注在具有凸透镜阵列结构的光刻胶母版上90°C烘箱中固化30分钟，最后将固化完全的PDMS从凸透镜阵列结构的光刻胶母版上剥离，得到具有凹透镜阵列结构的PDMS软模板；
3）将2）中去除完气泡的PDMS预聚物和固化剂的混合物浇注到具有凹透镜阵列结构的PDMS软模板上，并在90°C烘箱中固化30分钟，最后将固化完全的PDMS剥离，得到具有凸透镜阵列结构的PDMS软模板；
4）利用旋涂层工艺，由光敏复合基底液以每分钟1000转的转速在载玻片上制备具有紫外光敏特性的二氧化钛有机无机复合薄膜，并以此作为压印层，将具有凸透镜阵列结构的PDMS软模板以1MPa的压力压印到复合薄膜上，压力持续时间为30分钟，然后将其置于紫外灯正下方（波长为365nm，电流为15mW/cm2）曝光固化，最后将固化完全的光敏复合薄膜从将具有凸透镜阵列结构的PDMS软模板剥离，在烘箱中干燥，从而在二氧化钛有机无机光敏复合薄膜上制备得到了凹透镜阵列结构。其中凹透镜阵列深度为3μm,凹透镜直径为20μm,而且凹透镜阵列结构表面光滑整洁，具有良好的光学成像功能。
实施例2，
本实施例的步骤1）、2）、3）同实施例1；
4）利用旋涂层工艺，由光敏复合基底液以每分钟1000转的转速在载玻片上制备具有紫外光敏特性的二氧化钛有机无机复合薄膜，并以此作为压印层，将具有凸透镜阵列结构的PDMS软模板以2MPa的压力压印到复合薄膜上，压力持续时间为20分钟，然后将其置于紫外灯正下方（波长为365nm，电流为15mW/cm2）曝光固化，最后将固化完全的光敏复合薄膜从将具有凸透镜阵列结构的PDMS软模板剥离，在烘箱中干燥，从而在二氧化钛有机无机光敏复合薄膜上制备得到了凹透镜阵列结构。其中凹透镜阵列深度为3.2μm,凹透镜直径为20μm,而且凹透镜阵列结构表面光滑整洁，具有良好的光学成像功能；
实施例3，
本实施例的步骤1）、2）、3）同实施例1；
4）利用旋涂层工艺，由光敏复合基底液以每分钟1000转的转速在载玻片上制备具有紫外光敏特性的二氧化钛有机无机复合薄膜，并以此作为压印层，将具有凸透镜阵列结构的PDMS软模板以3MPa的压力压印到复合薄膜上，压力持续时间为10分钟，然后将其置于紫外灯正下方（波长为365nm，电流为15mW/cm2）曝光固化，最后将固化完全的光敏复合薄膜从将具有凸透镜阵列结构的PDMS软模板剥离，在烘箱中干燥，从而在二氧化钛有机无机光敏复合薄膜上制备得到了凹透镜阵列结构。其中凹透镜阵列深度为3.6μm,凹透镜直径为20μm,而且凹透镜阵列结构表面光滑整洁，具有良好的光学成像功能。
图1是上述实例中具有凸透镜阵列结构的光刻胶母版的扫描电镜图。图1中的光刻胶母版首先由JKG-2A型光刻机通过圆形阵列掩模板接触式曝光，其中光刻胶以每分钟1000转的转速旋涂到硅基底上，100°C前烘2分钟，365nm波长下曝光60s,显影液中显影60s，然后去离子水冲洗掉曝光部分，160°C热板上将光刻胶圆柱体阵列回流30分钟得到微透镜阵列结构母版。从图中可见，通过接触式光学曝光结合光刻胶热回流方法得到的光刻胶凸透镜阵列母版表面干净整洁，透镜尺寸大小均一，另外从图中可以看出，光刻胶母版中的透镜直径为20μm，间隔20μm。
图2是上述实例中由光刻胶母版翻制得到的具有凹透镜阵列结构图形的PDMS软模板的扫描电镜图。从图中可见翻制得到的PDMS凹透镜阵列结构软模板具有与图1中光刻胶母版相反的图形，另外透镜直径大小与图1完全一致，都为20μm。
图3是上述实例中由PDMS软模板二次复制得到的具有凸透镜阵列结构的PDMS软模板的扫描电镜图。图2中PDMS软模板的具体制备过程及参数是：将PDMS前驱体与固化剂10：1质量比混合并搅拌均匀，真空干燥箱中放置10分钟去除气泡，浇注到具有凹透镜阵列结构的PDMS软模板上，特别注意浇注之前要给PDMS模板边缘放置一小块塑料膜以达到将二者分开的目的，然后在90°C烘箱中放置1小时固化，将固化完全的PDMS沿着塑料膜剥离，从而得到具有凹透镜阵列结构的PDMS软模板。从图中可以看出经过二次复制得到的PDMS软模板，具有与原PDMS软模板相反的图形，然而图形大小完全一致，图形表面干净整洁。
图4是由上述实例3得到的二氧化钛有机无机光敏复合薄膜凹透镜阵列结构的扫描电镜图。图4中的图形具体制备工艺及参数是：光敏复合薄膜由复合材料基液每分钟1000转旋涂到普通载玻片上得到，将PDMS凸透镜阵列结构软模板压在复合薄膜上，以3MPa的压力持续压印10分钟，然后在365nm波长，15mW/cm2电流强度下曝光固化30分钟，当复合薄膜固化完全之后，从PDMS软模板上剥离，从而得到光敏复合薄膜凹透镜阵列结构。从图中可以看出通过紫外软压印光刻技术制备得到的凹透镜阵列结构图形大小一致，干净整洁。
图5是上述实例3中压印得到的光敏复合薄膜凹透镜阵列结构对字母“L”在白光下所成像的光学显微图。从图中可以看出，由紫外软压印光刻技术结合PDMS软模板二次复制方法制备得到的二氧化钛有机无机光敏复合薄膜凹透镜阵列结构具有成像清晰，成像一致等优点，可以投入到实际应用当中去，这些结果进一步表明通过本发明制备得到的凹透镜阵列结构的有效性和可实施性。
综上所述，本发明所涉及的制备凹透镜阵列结构的方法不但具有低成本、高精度的特性，而且所制备得到的凹透镜阵列结构具有良好的成像性能。
本发明同时结合了紫外软压印光刻技术和PDMS软模板二次复制方法，还有二氧化钛有机无机光敏复合薄膜，所制备得到的微凹透镜阵列结构制备工艺过程简单、精度高、低成本、可实现批量生产等，另外所制备得到的微凹透镜阵列结构具有良好的光学成像功能，对于集成光学和光子学的发展具有重大意义。
本发明采用PDMS软模板二次复制的方法结合紫外软压印光刻技术在二氧化钛有机无机光敏复合薄膜上制备凹透镜阵列结构，此制作方法具有低成本、高精度、可批量制作等优点。本发明提出的是由具有微结构图形阵列的PDMS软模板经过自我复制即二次复制，得到具有跟PDMS软模板母版微结构图形相反的PDMS软模板，特别是本发明得到了具有凸透镜阵列结构的PDMS软模板，最后通过紫外软压印光刻技术在二氧化钛有机无机光敏复合薄膜上制备得到了凹透镜阵列结构。无疑此种方法在凹透镜阵列结构制备的方法中具有新颖性、制备工艺过程简单、成本低廉、可实现批量制作等。另外，将此种技术进行延伸，可以在其它光敏材料上制备除了凹透镜阵列结构的其它图形，应用领域宽广。
Claims (2)
1.一种在二氧化钛有机无机光敏复合薄膜上制备凹透镜阵列结构的方法，其特征在于：
1）首先，利用JKG-2A型光刻机通过圆形阵列掩模板在AZ5214-E型光刻胶上采用接触式曝光60s，然后在AZ-Developer型号的显影液中显影60s得到圆柱体阵列结构，然后将所得到的圆柱体阵列结构在热板上160℃热回流30分钟，得到具有凸透镜阵列结构的光刻胶母版；
2）将型号为Sylgard184的PDMS预聚物和固化剂按10∶1的重量比混合搅匀，并将其放入真空干燥箱中直至气泡完全去除，然后，将其浇注在具有凸透镜阵列结构的光刻胶母版上并烘干固化，最后将固化完全的PDMS从凸透镜阵列结构的光刻胶母版上剥离，得到具有凹透镜阵列结构的PDMS软模板；
3）将2）中去除完气泡的PDMS预聚物和固化剂的混合物浇注到具有凹透镜阵列结构的PDMS软模板上，并烘干固化，最后将固化完全的PDMS剥离，得到具有凸透镜阵列结构的PDMS软模板；
4）利用旋涂层工艺，以每分钟1000转的转速在载玻片上制备具有紫外光敏特性的二氧化钛有机无机复合薄膜，并以此作为压印层，将具有凸透镜阵列结构的PDMS软模板压印到复合薄膜上，然后将其置于紫外灯正下方曝光固化，最后将固化完全的光敏复合薄膜从将具有凸透镜阵列结构的PDMS软模板剥离，在烘箱中干燥，从而在二氧化钛有机无机光敏复合薄膜上制备得到了凹透镜阵列结构。
2.根据权利要求1所述的在二氧化钛有机无机光敏复合薄膜上制备凹透镜阵列结构的方法，其特征在于：所述步骤4）紫外灯的波长为365nm，电流为15mW/cm2。
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