CN103616739B - 圆片级聚合物光学微球腔的集成制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种圆片级聚合物光学微球腔的集成制造方法，解决了现有工艺过程繁琐、不能大面积有序可控制造、光学性能不突出的问题。本发明方法包括如下步骤：在圆形基片上制作圆柱基底；清洗基底，烘干；向圆柱基底上喷射NOA73光学胶；再经过曝光便可得到固化的NOA73光学微球腔；最后把锥形光纤与微球腔进行耦合，用AB胶把锥形光纤固定在两侧的圆柱基底上，便得到了光学微球腔的集成结构。本发明制得的NOA73光学微球腔具有成本低、制作过程简单、微球腔的大小可控以及光学性能优异等特点，并且最后和锥形光纤加以集成，得到了集成的光学微球腔结构。

Description

圆片级聚合物光学微球腔的集成制造方法

技术领域

本发明涉及光学微球腔的制备，具体是一种圆片级聚合物光学微球腔的集成制造方法。

背景技术

陀螺是实现载体旋转角速度和姿态角度测量的传感器件，是惯性导航的核心关键器件之一，可以广泛的应用于航天、航空、航海、军事、汽车制造以及消费电子等领域中，受到了各国科学研究人员的青睐。而光学谐振腔陀螺可以大大减小器件体积和重量，也能充分减小器件热效应。更重要的是，由于各个光学元件之间的连接没有可动部件，器件鲁棒性和可靠性大大增强，使其可以承受更大的过载冲击。此外，它支持成熟的半导体工艺，有利于实现批量化生产，并且降低成本。但是目前的光学微球腔的制备工艺还不成熟，而且光学微球腔是需要与其它光学器件进行耦合的，这更是一个挑战。对于光学微球腔来讲，其光学性能尤为重要，所以其材料主要选择了有机聚合物，聚合物微球是一种性能优良的新型功能材料，表面比较光滑，具有良好的光学特性，可以很好地与其它光学器件进行耦合。黑龙江大学的孙立国等学者通过一步法和改进的溶胶种子法制备了单分散的二氧化硅微球；台湾的吴明道等学者把NaDBS（十二烷基苯磺酸钠）和SU-8光刻胶混合在一起，快速搅拌，进行紫外曝光和深度反应离子刻蚀，最后得到了SU-8微球。但是上述微球腔的制备过程都比较繁琐，很难大面积有序可控制造，并且得到的微球腔的光学性能并不突出，难以实现工程应用推广。

发明内容

本发明的目的是为了解决解决现有光学微球腔制备工艺繁琐、、不能大面积有序可控制造、光学性能较差的问题，而提供一种圆片级聚合物光学微球腔的集成制造方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种圆片级聚合物光学微球腔的集成制造方法，包括如下步骤：

1）SU-8圆柱基底的制备：

a：取透光部分为五个直径为3mm的小圆孔的掩膜板，五个小圆孔在掩膜板上呈矩形分布，其中四个小圆孔位于矩形的四个角的位置，剩余的一个小圆孔位于矩形的中心位置；

b：取圆形基片，进行表面预处理后在180℃的烘盘上烘30分钟，之后再降至室温（室温取25℃）；

c：在圆形基片的上表面涂一层厚330μm的SU-8负光刻胶，然后放在烘盘上按以下参数进行烘烤：从常温开始升温（室温取25℃），每上升5℃停留5分钟，升温至65℃时停留20分钟，然后继续每上升5℃停留5分钟，最后升温至95℃时停留3小时，之后停止加温待其自然冷却；

d：将掩膜板放置于圆形基片上的SU-8负光刻胶层上，使掩膜板上位于中心位置的那个小圆孔与圆形基片的中心重合，然后将掩膜板和圆形基片一同移动到光刻机紫外光灯下紫外曝光50秒，重复进行3次；

e：曝光完成后，取出圆形基片并将其上的掩膜板取下，然后将圆形基片放在盛有显影液的培养皿中，将培养皿再放入到超声清洗设备内，对圆形基片上的SU-8负光刻胶层进行超声显影，直至圆形基片上的SU-8负光刻胶层显影形成五个圆柱状结构；

f：显影完成后，将圆形基片取出并用氮气吹干后放在烘盘上，按以下参数进行坚膜（坚膜也是一个热处理步骤，就是在一定温度下，对显影后的SU-8负光刻胶圆柱状结构进行烘焙）：从常温开始升温（室温取25℃），每上升5℃停留5分钟，升温至65℃时停留10分钟，然后继续每上升5℃停留5分钟，最后升温至95℃时停留30分钟，之后停止加温待其自然冷却，至此，圆形基片上的五个圆柱状结构即成为了五个SU-8圆柱基底；

2）光学微球腔的制备：

a：将圆形基片及其上的五个SU-8圆柱基底依次在丙酮、异丙醇和去离子水中分别清洗3分钟；

b：取出圆形基片，用氮气吹干后放在烘盘上，100℃烘烤10分钟；

c：烘烤完成后，用喷墨印花机（InkjetSystem）将NOA73光学胶垂直地喷射在圆形基片上位于中心位置的那个SU-8圆柱基底的顶部（即位于矩形中心位置的那个SU-8圆柱基底的顶部），NOA73光学胶呈微球状分布在SU-8圆柱基底的顶部，喷射的NOA73液体的多少，可根据图7中微球直径和NOA73光学胶量的关系图进行喷射（Inkjet System是一种类似喷墨打印机的新工艺，它可以快速、精确地将定量的目标液体<即NOA73>喷射在载体上；NOA73是美国Norland Products Inc. 生产的一种紫外固化光学胶，NOA73胶是一种光学透明、暴露在长波紫外光下即可快速固化的液态粘合剂。因为它是单组分且100%实体，只要粘合处能被紫外光照射，在粘合光学部件时，它便显现出许多突出优点。使用NOA73省去了其它光学粘和系统中通常需要预混合、干燥或热固化等操作）；

d：将圆形基片移动到光刻机紫外光灯下紫外曝光60秒，使得NOA73光学胶固化，得到了固体光学微球腔；

3）圆片级聚合物光学微球腔的集成结构的制备：

a：圆形基片上位于外围的四个SU-8圆柱基底中（即位于矩形四个角位置处的四个SU-8圆柱基底），选择同侧的两个SU-8圆柱基底并在其顶部之间垫设一个垫片，剩余同侧的两个SU-8圆柱基底顶部之间也垫设一个垫片，然后取锥形光纤，使锥形光纤的中间部分紧靠在固体微球腔的表面（即锥形光纤与固体微球腔的表面相接触，保证锥形光纤的锥区与固体微球腔良好的接触），锥形光纤的两端分别用AB胶固定在两个垫片上，最后就得到了圆片级聚合物光学微球腔的集成结构。

具体实施时，所述的SU-8负光刻胶采用SU-8 100负光刻胶（SU-8 100是一种应用比较广泛的负光刻胶，它在高于360nm波段内有非常高的光学透明度，这使得它更适合于制备侧壁接近垂直的厚结构。我们的结构就是比较厚的圆柱结构，侧壁要求垂直，所以SU-8 100是最佳的选择）；在圆形基片上表面涂SU-8负光刻胶时，用匀胶机以1000转/分的速度转30秒（在甩胶的时候，匀胶机的转速设置的越快，最后得到胶的厚度会越薄。按照SU-8 100的产品说明，我们选择转速设置成1000转/分；为了使光刻胶更均匀的分布，设置甩胶时间为30秒）。

本发明方法制得的圆片级聚合物NOA73光学微球腔具有成本低、工艺简单、可以大面积制备、微球腔的大小可控以及光学性能优异等特点，解决了现有工艺过程繁琐、不能大面积有序可控制备、光学性能不突出的问题，并且我们还把光学微球腔和锥形光纤进行了耦合并加集成，得到了集成光学微球腔结构。

附图说明

图1为本发明中掩膜板的结构示意图。

图2为本发明中圆形基片及SU-8圆柱基底的结构示意图。

图3为图2中的A-A剖视图。

图4为本发明中圆形基片、SU-8圆柱基底及光学微球腔的结构示意图。

图5为本发明方法制得的圆片级聚合物光学微球腔的集成结构示意图。

图6为图5的俯视图。

图7为本发明中微球直径与NOA73液体量的关系图。

图中：1- SU-8圆柱基底、2-小圆孔、3-掩膜板、4-圆形基片、5-AB胶、6-光学微球腔、7-垫片、8-锥形光纤。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步地描述：

如图1至图6所示，一种圆片级聚合物光学微球腔的集成制造方法，包括如下步骤：

1）SU-8圆柱基底1的制备：

a：取透光部分为五个小圆孔2的掩膜板3，五个小圆孔2在掩膜板3上呈矩形分布，其中四个小圆孔2位于矩形的四个角的位置，剩余的一个小圆孔2位于矩形的中心位置，具体实施时，小圆孔2的直径选择3mm，并且五个小圆孔2都位于直径为10cm大的圆的范围内；

b：取圆形基片4，进行表面预处理后在180℃的烘盘上烘30分钟，之后再降至室温，具体实施时，圆形基片4的直径选择4英寸；

c：在圆形基片4的上表面涂一层SU-8负光刻胶，具体涂时采用匀胶机以1000转/分的速度转30秒进行涂胶， SU-8负光刻胶采用SU-8 100负光刻胶，然后放在烘盘上按以下参数进行烘烤：从常温开始升温，每上升5℃停留5分钟，升温至65℃时停留20分钟，然后继续每上升5℃停留5分钟，最后升温至95℃时停留3小时，之后停止加温待其自然冷却；具体实施时，SU-8负光刻胶层厚度选择330μm；

d：将掩膜板3放置于圆形基片4上的SU-8负光刻胶层上，使掩膜板3上位于中心位置的那个小圆孔2与圆形基片4的中心重合，然后将掩膜板3和圆形基片4一同移动到光刻机紫外光灯下紫外曝光50秒，重复进行3次；

e：曝光完成后，取出圆形基片4并将其上的掩膜板3取下，然后将圆形基片4放在盛有显影液的培养皿中，将培养皿再放入到超声清洗设备内，对圆形基片4上的SU-8负光刻胶层进行超声显影，直至圆形基片4上的SU-8负光刻胶层显影形成五个圆柱状结构；

f：显影完成后，将圆形基片4取出并用氮气吹干后放在烘盘上，按以下参数进行坚膜：从常温开始升温，每上升5℃停留5分钟，升温至65℃时停留10分钟，然后继续每上升5℃停留5分钟，最后升温至95℃时停留30分钟，之后停止加温待其自然冷却，至此，圆形基片4上的五个圆柱状结构即成为了五个SU-8圆柱基底1，SU-8圆柱基底1的直径为3mm；

2）光学微球腔6的制备：

a：将圆形基片4及其上的五个SU-8圆柱基底1依次在丙酮、异丙醇和去离子水中分别清洗3分钟；

b：取出圆形基片4，用氮气吹干后放在烘盘上，100℃烘烤10分钟；

c：烘烤完成后，用喷墨印花机（InkjetSystem）将NOA73光学胶垂直地喷射在圆形基片4上位于中心位置的那个SU-8圆柱基底1的顶部， NOA73光学胶呈微球状分布在SU-8圆柱基底1的顶部，喷射的NOA73液体的多少，可根据图7中微球直径和NOA73光学胶量的关系图进行喷射；

d：将圆形基片4移动到光刻机紫外光灯下紫外曝光60s，使得NOA73液体固化，得到了固体光学微球腔6；

3）圆片级聚合物光学微球腔集成结构的制备：

a：圆形基片4上位于外围的四个SU-8圆柱基底1中，选择同侧的两个SU-8圆柱基底1并在其顶部之间垫设一个垫片7，剩余同侧的两个SU-8圆柱基底1顶部之间也垫设一个垫片7，具体实施时，两个垫片的厚度都为2mm，然后取锥形光纤8，使锥形光纤8的中间部分紧靠在光学微球腔6的表面，锥形光纤8的两端分别用AB胶5固定在两个垫片7上，最后就得到了圆片级聚合物光学微球腔的集成结构。

Claims (3)

1.一种圆片级聚合物光学微球腔的集成制造方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）SU-8圆柱基底（1）的制备：

a：取透光部分为五个小圆孔（2）的掩膜板（3），五个小圆孔（2）在掩膜板（3）上呈矩形分布，其中四个小圆孔（2）位于矩形的四个角的位置，剩余的一个小圆孔（2）位于矩形的中心位置；

b：取圆形基片（4），进行表面预处理后在180℃的烘盘上烘30分钟，之后再降至室温；

c：在圆形基片（4）的上表面涂一层SU-8负光刻胶，然后放在烘盘上按以下参数进行烘烤：从室温开始升温，每上升5℃停留5分钟，升温至65℃时停留20分钟，然后继续每上升5℃停留5分钟，最后升温至95℃时停留3小时，之后停止加温待其自然冷却；

d：将掩膜板（3）放置于圆形基片（4）上的SU-8负光刻胶层上，使掩膜板（3）上位于中心位置的那个小圆孔（2）与圆形基片（4）的中心重合，然后将掩膜板（3）和圆形基片（4）一同移动到光刻机紫外光灯下紫外曝光50秒，重复进行3次；

e：曝光完成后，取出圆形基片（4）并将其上的掩膜板（3）取下，然后将圆形基片（4）放在盛有显影液的培养皿中，将培养皿再放入到超声清洗设备内，对圆形基片（4）上的SU-8负光刻胶层进行超声显影，直至圆形基片（4）上的SU-8负光刻胶层显影形成五个圆柱状结构；

f：显影完成后，将圆形基片（4）取出并用氮气吹干后放在烘盘上，按以下参数进行坚膜：从室温开始升温，每上升5℃停留5分钟，升温至65℃时停留10分钟，然后继续每上升5℃停留5分钟，最后升温至95℃时停留30分钟，之后停止加温待其自然冷却，至此，圆形基片（4）上的五个圆柱状结构即成为了五个SU-8圆柱基底（1）；

2）光学微球腔（6）的制备：

a：将圆形基片（4）及其上的五个SU-8圆柱基底（1）依次在丙酮、异丙醇和去离子水中分别清洗3分钟；

b：取出圆形基片（4），用氮气吹干后放在烘盘上，100℃烘烤10分钟；

c：烘烤完成后，用喷墨印花机将NOA73光学胶垂直地喷射在圆形基片（4）上位于中心位置的那个SU-8圆柱基底（1）的顶部， NOA73光学胶呈微球状分布在SU-8圆柱基底（1）的顶部；

d：将圆形基片（4）移动到光刻机紫外光灯下紫外曝光60s，使得NOA73光学胶固化，得到了固体光学微球腔（6）；

3）圆片级聚合物光学微球腔集成结构的制备：

a：圆形基片（4）上位于外围的四个SU-8圆柱基底（1）中，选择同侧的两个SU-8圆柱基底（1）并在其顶部之间垫设一个垫片（7），剩余同侧的两个SU-8圆柱基底（1）顶部之间也垫设一个垫片（7），然后取锥形光纤（8），使锥形光纤（8）的中间部分紧靠在光学微球腔（6）的表面，锥形光纤（8）的两端分别用AB胶（5）固定在两个垫片（7）上，最后就得到了圆片级聚合物光学微球腔的集成结构。

2.根据权利要求1所述的圆片级聚合物光学微球腔的集成制造方法，其特征在于：所述的SU-8负光刻胶采用SU-8 100负光刻胶。

3.根据权利要求1或2所述的圆片级聚合物光学微球腔的集成制造方法，其特征在于：在圆形基片（4）上表面涂SU-8负光刻胶时，用匀胶机以1000转/分的速度转30秒。