CN103395739A

CN103395739A - 一种微凹面镜的制备方法

Info

Publication number: CN103395739A
Application number: CN2013103082634A
Authority: CN
Inventors: 毛海央
Original assignee: Jiangsu IoT Research and Development Center
Current assignee: China core Microelectronics Technology Chengdu Co.,Ltd.
Priority date: 2013-07-22
Filing date: 2013-07-22
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2033-07-22
Also published as: CN103395739B

Abstract

本发明涉及一种微凹面镜的制备方法，其利用在基底表面分布具有亲疏水差异的结构或材料，实现液体在基底表面的图形化分布，且液体的轮廓可根据亲水区域的尺寸、疏水区域的接触角、液滴的体积等参数进行有效调控；随后，利用PDMS柔性材料的致密性，以该液滴为模具，在PDMS柔性材料中获得表面光滑的凹面，且不同轮廓的液滴获得的凹面其焦距不同；最后，结合金属溅射工艺，得到具有反射和聚光功能的微凹面镜。本发明提供的微凹面镜制备方法过程简单，操作简便，所获得的微凹面镜镜面光滑、焦距可控，其应用范围宽广。

Description

一种微凹面镜的制备方法

技术领域

本发明涉及一种MEMS凹面镜的制备方法，尤其是一种微凹面镜的制备方法，具体地说是一种镜面光滑、焦距可控微凹面镜的制备方法，属于MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）的技术领域。

背景技术

随着微光机电系统的发展，可实现光反射和汇聚功能的微凹面镜在大到天文观测，小到微生物检测等诸多领域均有着重要应用，并且这些领域对微凹面镜各项指标，包括镜面的光滑度、焦距的可调控性等的要求也越来越严格。截至目前，已提出的可用于制备微凹面镜的方法多种多样，包括利用体硅工艺各向同性刻蚀技术实现微凹面镜，利用双层薄膜材料残余应力-致弯曲技术实现微凹面镜，以及利用厚胶（如SU-8）高温回流并结合刻蚀技术得到平缓表面，并以之为模具获得微凹面镜，等等。然而，这些方法都存在着各自的不足。例如，体硅工艺各向同性刻蚀技术受材料的限制较大，且采用干法刻蚀技术时，所得到的镜面表面难以十分光滑；双层薄膜材料残余应力-致弯曲技术可以调控微凹面镜的焦距，但实现材料残余应力的精确控制难度较大，尤其是多层薄膜材料之间的残余应力调控，很容易因为应力过大而造成薄膜破损；厚胶高温回流对温度控制的要求严格，且后续刻蚀工艺极可能在光刻胶表面引入微纳结构继而降低其表面的光滑度。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种镜面光滑、焦距可控的微凹面镜的制备方法，其制备方法过程简单，操作简便，所获得的微凹面镜镜面光滑、焦距可控，其应用范围宽广，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，一种微凹面镜的制备方法，所述微凹面镜的制备方法包括如下步骤：

a、提供第一基底，在所述第一基底的表面上设置亲水材料层；

b、选择性地掩蔽和刻蚀所述亲水材料层，以在所述第一基底上形成所需的亲水区域；

c、利用亲水区域在第一基底上制作所需的疏水区域；

d、在上述第一基底的表面上分布液体，以在第一基底的亲水区域上形成所需轮廓的液滴；

e、利用上述亲水区域上的液滴在第一基底上设置压印预聚体，所述压印预聚体覆盖在第一基底的疏水区域以及液滴上；

f、将压印预聚体与第一基底分离，形成压印聚合体；所述压印聚合体内利用液滴形成与所述液滴形状吻合的镜面槽；

g、提供第二基底，将上述压印聚合体置于第二基底上，压印聚合体内镜面槽的槽底邻近第二基底，镜面槽的槽口远离第二基底；

h、在上述压印聚合体溅射镜面材料层，所述镜面材料层覆盖在镜面槽的底壁及侧壁，以在压印聚合体内形成微凹面镜镜面。

所述第一基底的材料包括单晶硅、多晶硅或玻璃。

所述亲水材料层包括二氧化硅、氮化硅、表面经氧等离子体轰击过的单晶硅、多晶硅以及聚合物经过等离子体轰击后形成的纳米纤维。

所述经等离子体轰击后形成纳米纤维的聚合物包括光刻胶或Parylene。

所述疏水区域包括各向异性刻蚀获得的纳米柱森林结构或有相应粗糙程度的多晶硅表面。

所述液滴的材料包括水或油。

所述镜面材料层的材料包括金、银、铂或铜。

所述压印预聚体的材料包括PDMS。

所述液滴在第一基底上呈阵列分布。

本发明的优点：充分利用液滴在平衡状态下表面轮廓平滑的特点，在第一基底表面上形成亲疏水差异的区域，进而实现液滴在第一基底表面上的图形化分布；同时，利用亲水区域的尺寸、疏水区域的接触角、液滴的体积等参数对液体的轮廓进行有效调控；以该液滴为模具，充分利用PDMS柔性材料的致密性，在PDMS柔性材料中获得表面光滑的微凹面镜镜面槽，制备方法简单，操作简便，所获得的微凹面镜镜面光滑、焦距可控，因而应用范围宽广，安全可靠。

附图说明

图1~图9为本发明具体实施工艺步骤剖视图，其中：

图1为本发明在第一基底上表面设置亲水材料层后的剖面图。

图2为本发明在第一基底上表面形成亲水区域后的剖面图。

图3为本发明在第一基底上表面形成疏水区域后的剖面图。

图4为本发明在第一基底上表面去除光刻胶图形后的剖面图。

图5为本发明在第一基底上表面设置图形化分布液滴后的剖面图。

图6为本发明在第一基底上表面覆盖压印预聚体后的剖视图。

图7为本发明将压印聚合体从第一基底上表面剥离后的剖视图。

图8为本发明将压印聚合体置于第二基底上表面后的剖视图。

图9为本发明在压印聚合体上溅射金属获得微凹面镜后的剖视图。

附图标记说明：101-第一基底、102-亲水材料层、201-光刻胶图形、202-亲水区域、301-疏水区域；501-液滴、502-液滴轮廓、601-压印预聚体、701-压印聚合体、702-微凹面镜轮廓、703-镜面槽、801-第二基底及901-微凹面镜镜面。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1~图9所示：本发明的微凹面镜可以通过下述工艺步骤得到，所述工艺步骤具体包括：

a、提供第一基底101，在所述第一基底101的表面上设置亲水材料层102；

如图1所示：所述第一基底101的材料包括单晶硅、多晶硅或玻璃。亲水材料层102的材料包括二氧化硅、氮化硅、表面经氧等离子体轰击过的单晶硅、多晶硅或聚合物经等离子体轰击后形成的纳米纤维，其中，经等离子体轰击后形成纳米纤维的聚合物包括光刻胶或Parylene，轰击聚合物的等离子体包括氧等离子体或氩等离子体。本发明实施例中，以亲水材料层102为二氧化硅为例进行说明。对第一基底101通过干氧氧化的方式生长SiO₂材料层，以形成亲水材料层102，亲水材料层102的厚度为1000?，干氧氧化时温度为950℃，氧气的含量为60%。

b、选择性地掩蔽和刻蚀所述亲水材料层102，以在所述第一基底101上形成所需的亲水区域202；

如图2所示：在亲水材料层102的表面旋涂光刻胶，并通过光刻工艺在对应所需形成亲水区域202的位置形成光刻胶图形201，光刻胶图形201可呈正方形、圆形、长方形或其它形状，本实施例中各光刻胶图形201呈正方形，所述正方形的边长为50μm；利用RIE（Reactive Ion Etching）技术对亲水材料层102进行各向异性刻蚀，将光刻胶上开口的图形转移到亲水材料层102上，形成亲水区域202，所述亲水区域202在第一基底101上呈阵列分布。

c、利用亲水区域202在第一基底101上制作所需的疏水区域301；

所述疏水区域301由表面的材料及结构共同决定，疏水区域301包括各向异性刻蚀获得的单晶硅或多晶硅纳米柱森林结构、有相应粗糙程度的多晶硅表面或具有疏水特性的材料，所述疏水特性的材料包括聚合物，所述聚合物包括聚四氟乙烯（PTFE）或聚偏氟乙烯（PVDF）。

本发明实施例中，疏水区域301的制作步骤为：将制作了亲水区域202的第一基底101放入RF功率为350 W，Cl₂/He流量为180/400 sccm（standard-state cubic centimeter per minute）的反应离子刻蚀机的腔体中进行各向异性刻蚀，腔体的压力设为400 mTorr，在光刻胶图形201以外形成第一基底101表面的纳米粗糙，进而形成疏水区域301，疏水区域301与亲水区域201呈交错分布状，如图3所示。

如图4所示：利用氧等离子体干法去胶以及硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除第一基底101表面的光刻胶图形201。

d、在上述第一基底101的表面上分布液体，以在第一基底101的亲水区域202上形成所需轮廓的液滴501；

如图5所示：利用第一基底101表面上分布的疏水区域301、亲水区域201的亲疏水性质的差异，在第一基底101表面上分别滴定一定体积的液滴501，使之按照亲水区域202的位置实现图形化分布；且液滴501的轮廓与亲水区域202之间形成的接触角可以通过液滴501的体积、亲水区域202的面积、疏水区域301内纳米粗糙结构的形貌进行调控。本发明实施例中，液滴501的接触角是指固-液接触时，液体的表面轮廓与固体之间接触时形成的角度。液滴501可以直接用来做模具，不需要冷却形成固体，由于PDMS致密性高，且液滴501周围的第一基底101表面疏水性强，在PDMS覆盖液体的过程中，液体还会基本呈液滴501的原本形貌；此外，还可以降温将液滴501处理成固体再设置压印预聚体601；在直接用液滴501为模具时，操作温度为常温，如果使液滴501冷却到固体，视不同液滴501的熔点选取工艺温度，此处不再一一列举。

液滴501的材料包括水、油或其他物质的水溶液，其中，所述水包括去离子水；油包括由动物脂肪、植物以及矿物质中提炼的脂质物。

e、利用上述亲水区域202上的液滴501在第一基底101上设置压印预聚体601，所述压印预聚体601覆盖在第一基底101的疏水区域301以及液滴501上；

所述压印预聚体601的材料要求具有致密性、柔软性以及在特定温度下可以固化的特点。本发明实施例中，以PDMS（Polydimethylsiloxane）作为压印预聚体601的材料为例进行说明。

如图6所示：将一定量的道康宁Sylgard184有机硅弹性体的主剂和固化剂按10:1的体积比充分搅拌混合产生均匀的气泡，而后静置直至气泡完全消失，得到PDMS预聚体；将所述分布有液滴501的第一基底101水平放置于培养皿中，并在第一基底101上倾倒PDMS预聚体，使PDMS预聚体完全覆盖第一基底101表面的液滴501，并利用PDMS预聚体的致密性将液滴501完全封闭在PDMS预聚体内部；在60℃的烘箱中加热60分钟，使PDMS预聚体交联固化。

f、将压印预聚体601与第一基底101分离，形成压印聚合体701；所述压印聚合体701内利用液滴501形成与所述液滴501形状吻合的镜面槽703；

如图7所示：将固化后的PDMS聚合体与培养皿揭开分离，同时，按照第一基底101模具的形状切片，并使压印聚合体701从模具上剥离，继而在PDMS聚合体中对应液滴501的位置得到镜面槽703及凹面镜轮廓702。所述凹面镜轮廓702为镜面槽703的侧壁、底壁的轮廓，镜面槽703的底壁呈圆弧状。所述PDMS聚合体的厚度可以为0.1mm-10mm，本实施例中选择厚度为1mm。

g、提供第二基底801，将上述压印聚合体701置于第二基底801上，压印聚合体701内镜面槽703的槽底邻近第二基底801，镜面槽703的槽口远离第二基底801；

如图8所示：将所述从第一基底101上剥离下来的PDMS聚合体置于平整第二基底801的表面上，使PDMS聚合体中所得到的凹面镜轮廓702的位置固定，不因PDMS柔性材料在后续动作中使其表面材料发生破损或产生裂纹的现象。PDMS形成一定厚度的膜层时，上表面光滑，选取第二基底801时，也需要第二基底801的表面光滑，当采用PDMS的压印聚合体701与第二基底801表面接触时，可以利用范德华力实现比较牢固的粘贴。

第二基底801的材料包括单晶硅、玻璃或具有平整表面、固定形状的金属、陶瓷以及塑料。所述金属包括铜、铝或不锈钢，塑料包括聚乙烯培养皿

h、在上述压印聚合体701上溅射镜面材料层，所述镜面材料层覆盖在镜面槽703的底壁及侧壁，以在压印聚合体701内形成微凹面镜镜面901。

所述镜面材料层的材料包括金、银、铂或铜。本发明实施例中，以镜面材料层采用金为例进行说明。

如图9所示：在所述已放置于第二基底801表面的PDMS聚合体结构面上溅射一层金属Au，金属Au层的厚度为100nm；由于金属表面平滑，且具有凹面，所以可作为凹面镜实现对光的反射和汇聚作用。本发明实施例中，通过镜面槽703以及所述微凹面镜镜面901共同形成微凹面镜结构。

本发明利用液体在平衡状态下表面轮廓平滑的特点，以液滴501为模具，在PDMS柔性材料中获得表面光滑的凹面镜，且焦距可有效调控。本发明提供的微凹面镜制备方法简单，操作简便，所获得的微凹面镜镜面光滑、焦距可控，因而应用范围宽广。

Claims

1.一种微凹面镜的制备方法，其特征是，所述微凹面镜的制备方法包括如下步骤：

（a）、提供第一基底（101），在所述第一基底（101）的表面上设置亲水材料层（102）；

（b）、选择性地掩蔽和刻蚀所述亲水材料层（102），以在所述第一基底（101）上形成所需的亲水区域（202）；

（c）、利用亲水区域（202）在第一基底（101）上制作所需的疏水区域（301）；

（d）、在上述第一基底（101）的表面上分布液体，以在第一基底（101）的亲水区域（202）上形成所需轮廓的液滴（501）；

（e）、利用上述亲水区域（202）上的液滴（501）在第一基底（101）上设置压印预聚体（601），所述压印预聚体（601）覆盖在第一基底（101）的疏水区域（301）以及液滴（501）上；

（f）、将压印预聚体（601）与第一基底（101）分离，形成压印聚合体（701）；所述压印聚合体（701）内利用液滴（501）形成与所述液滴（501）形状吻合的镜面槽（703）；

（g）、提供第二基底（801），将上述压印聚合体（701）置于第二基底（801）上，压印聚合体（701）内镜面槽（703）的槽底邻近第二基底（801），镜面槽（703）的槽口远离第二基底（801）；

（h）、在上述压印聚合体（701）上溅射镜面材料层，所述镜面材料层覆盖在镜面槽（703）的底壁及侧壁，以在压印聚合体（701）内形成微凹面镜镜面（901）。

2.根据权利要求1所述的微凹面镜的制备方法，其特征是：所述第一基底（101）的材料包括单晶硅、多晶硅或玻璃。

3.根据权利要求1所述的微凹面镜的制备方法，其特征是：所述亲水材料层（102）包括二氧化硅、氮化硅、表面经氧等离子体轰击过的单晶硅、多晶硅以及聚合物经过等离子体轰击后形成的纳米纤维。

4.根据权利要求3所述的微凹面镜的制备方法，其特征是：所述经等离子体轰击后形成纳米纤维的聚合物包括光刻胶或Parylene。

5.根据权利要求1所述的微凹面镜的制备方法，其特征是：所述疏水区域（301）包括各向异性刻蚀获得的纳米柱森林结构或有相应粗糙程度的多晶硅表面。

6.根据权利要求1所述的微凹面镜的制备方法，其特征是：所述液滴（501）的材料包括水或油。

7.根据权利要求1所述的微凹面镜的制备方法，其特征是：所述镜面材料层的材料包括金、银、铂或铜。

8.根据权利要求1所述的微凹面镜的制备方法，其特征是：所述压印预聚体（601）的材料包括PDMS。

9.根据权利要求6所述的微凹面镜的制备方法，其特征是：所述液滴（501）在第一基底（101）上呈阵列分布。