CN104843972A - 一种新型的用于光学透镜加工的模芯及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型的用于光学透镜加工的模芯及其制备方法。该模芯的材质是金属钨，为单个元器件级钨模芯或者圆片级钨模芯。圆片级钨模芯采用光刻加刻蚀的方法，结合后续的圆片级键合和切割工艺，满足圆片级光学透镜的需求；单个元器件级钨模芯在圆片级的基础上切割形成。将钨模芯加工成所需的形状后，利用钨模芯并结合注塑、模压等方法制备单个光学镜头元器件或者圆片级微透镜阵列。本发明采用金属钨作为光学透镜加工的模芯材料，能够实现多种材料(包括有机材料、塑料、以及高熔点的各种高质量光学玻璃材料等)的球面或任意曲面的光学透镜的加工制造。
Description
技术领域
本发明属于光学透镜技术领域，具体涉及一种新型的用于光学(微)透镜(阵列)加工的模芯材料及加工制备方法。
背景技术
目前，光学透镜的加工方式，基本上分为：直接精密加工单个透镜元器件；利用特殊的光刻工艺或者熔融回流工艺，制备出包含精确光学信息的光刻胶掩膜，用以刻蚀玻璃形成微透镜(阵列)；利用加工成所需光学透镜形状的模芯，进行光学透镜材料的模压，形成微透镜(阵列)。
模芯材料需要具备如下特征：①表面无疵病,能够研磨成无气孔、光滑的光学镜面；②在高温环境条件下具有很高的耐氧化性能,而且结构等不发生变化,表面质量稳定,面形精度和光洁度保持不变；③不与玻璃起反应、发生粘连现象,脱模性能好；④在高温条件下具有很高的硬度和强度等。
对于模芯的制作，有很多的方式，同时可以采用很多种材料，比如：
(1)对传统的钨钢(碳化钨)材料，进行纳米磨削抛光，加工出可用于单个透镜元器件模压加工的模芯，这种传统的机械加工方式虽然可以实现较高的表面精度，但是加工成本很高；
(2)采用激光微加工方法，可以制作复杂三维微结构，但是由于激光热处理时材料产生的熔渣，导致加工表面粗糙度的恶化，不符合高精度微透镜对表面质量的要求；
(3)借助光刻胶热熔融回流，辅以电铸工艺，形成镍、铜等金属材质的模芯，这种加工方式对于材料有很大的限制，并且加工的工序相对繁琐；
(4)采用硅的圆片级刻蚀，形成圆片级的微透镜阵列的模芯，这种方法更加适合目前对于圆片级光学微透镜的需求，但是由于硅材料本身的固有特性的限制，所加工的光学微透镜阵列的材料会受到限制，目前只能加工塑料，而塑料的透光性和性能都不如光学玻璃。
当然目前还有很多其他材质的模芯：以超硬合金做基体，表面镀有贵金属合金和氮化钛等薄膜；以碳化硅和超硬合金做基体，表面镀有硬质碳、金刚石状碳等碳系薄膜；以及Cr2O-ZrO2-TiO2系新型陶瓷，等等。
综上所述，用于光学透镜加工的模芯需要满足以下需求：低成本，模芯材料适用于各种光学材料，模芯形状和精度的可控性好(如非球面、特殊形状等)，模芯的使用寿命高。此外，圆片级光学透镜(WLO，Wafer level optics)已经成为重要的发展趋势，但是圆片级玻璃透镜目前只能采用玻璃直接刻蚀的方法加工，成本非常高昂，阻碍了其推广应用。
目前现有的模芯材料和相应的加工手段，可以实现低成本、批量加工、精度高、一致性好的模芯材料，无法保证高的强度和使用寿命，无法实现对于光学材料的广泛加工；综合性能较好、可以实现广泛光学材料可加工性、同时保证较长使用寿命的模芯材料，无法实现低成本的加工；而一些比现有材料更加适合作为光学(微)透镜(阵列)加工制造的模芯材料，更由于采用现有机械手段无法有效地进行加工，而无法被用来加工制备为模芯，用于光学(微)透镜(阵列)的加工制造。
发明内容
本发明的目的在于采用金属钨作为光学透镜加工的模芯材料，通过加工出球面或者任意曲面的钨模芯，实现多种材料的球面或任意曲面的光学透镜的加工制造。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于光学透镜加工的模芯，其材质为金属钨。
进一步地，所述模芯为单个元器件级钨模芯，或者为圆片级钨模芯；所述模芯的形状为球面或者加工光学透镜所需要的其它任意曲面。
本发明还提供上述钨模芯的制备方法：对于金属钨的加工，圆片级可以采用光刻加刻蚀的方法，结合后续的圆片级键合和切割工艺，可以满足圆片级光学透镜(WLO)的需求；单个元器件级可以在圆片级的基础上，切割形成，适合批量生产，降低成本，且一致性好。加工出的钨模芯，可以是球面的，也可以是任意曲面(非球面)的，最终可加工出球面或者非球面的光学透镜元器件。
进一步地，圆片级的光刻加刻蚀的加工，有如下实现手段：普通光刻形成微透镜模芯掩膜，变速刻蚀形成特定形貌的球面或者非球面圆片级模芯阵列；采用光刻胶熔融回流技术，形成具有特定光学信息的光刻胶掩膜，匀速刻蚀或变速刻蚀形成特定形貌的球面或者非球面圆片级模芯阵列；采用特殊的光刻技术，如：灰度光刻，电子束光刻，激光光刻，掩膜移动光刻，移动掩膜滤波技术等，形成具有特定光学信息的光刻胶掩膜，匀速刻蚀或者变速刻蚀形成特定形貌的球面或者非球面圆片级模芯阵列。
进一步地，利用上述手段加工出的钨模芯，可以结合传统机械加工手段(如纳米磨削、抛光、激光加工等手段)，进行局部修复和优化，实现更小粗糙度的钨模芯表面，以实现更加光滑的光学镜面，或者更精确的满足设计所需要的曲率半径。
进一步地，利用上述手段加工出的钨模芯，可以直接用于光学透镜的加工，也可以把钨模芯的表面处理为WC(碳化钨)，或者淀积一层SiN或者金刚石镀膜，以改善表面质量，提升脱模性能。
本发明还提供利用上述钨模芯制备光学透镜的方法：首先将钨模芯加工成所需的形状，然后利用钨模芯或者钨模芯组合(一般透镜需要两个模芯双面加工形成)，结合注塑、模压等方法，加工制备多种材料(包括有机材料、塑料、以及高熔点的各种高质量光学玻璃材料等)的单个光学镜头元器件或者圆片级微透镜(阵列)。上述所加工的光学透镜，可以是单面球面、单面非球面、双面球面以及双面非球面。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1)采用金属钨作为模芯，可以同时实现低成本加工制造，圆片级光学透镜加工及整合，以及更广泛的光学材料(如高质量光学玻璃材料等)的加工；
2)金属钨具有高熔点、高硬度、高机械强度，高温环境条件下具有很高的耐氧化性能、结构不易发生变化，表面质量稳定，面形精度和光洁度可以在高温下保持不变，不与玻璃起反应、发生粘连现象，脱模性能好；加工成本低，模芯加工透镜过程中的磨损小，使用寿命长；
3)对于金属钨模芯的加工，可以实现单个元器件级，也可以实现圆片级加工，加工成本低、加工工序简单、加工质量好；加工出的钨模芯一致性好，同时与现有光学元器件的圆片级加工制造，有良好的兼容性和集成性；加工出的钨模芯，可以广泛的用于多种光学透镜材料(如塑料和各种高质量光学玻璃等)的加工成型；可以实现小至10um直径的微型透镜阵列，大至50mm直径的大口径透镜的加工成型。
附图说明
图1(a)是实施例1中普通光刻制作钨模芯掩膜的示意图。
图1(b)是实施例1中制备圆片级钨模芯阵列的示意图。
图2(a)是实施例2中形成光刻胶圆柱的示意图。
图2(b)是实施例2中光刻胶圆柱高温熔融回流的示意图。
图2(c)是实施例2中制备圆片级钨模芯阵列的示意图。
图3(a)是实施例3中采用特殊光刻工艺形成刻蚀掩膜的示意图。
图3(b)是实施例3中制备圆片级钨模芯阵列的示意图。
图4是实施例4中圆片级钨模芯阵列进行表面处理的示意图。
图5是实施例5中利用制备出的圆片级钨模芯模压光学玻璃的加工结果实例照片。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。
实施例1：圆片级钨模芯阵列的普通光刻加变速刻蚀
1)采用4寸、6寸、8寸或12寸金属钨抛光圆片，表面进行清洗处理；
2)光刻形成用于定义钨模芯形状的掩膜，如图1中(a)图所示，该掩膜可以是光刻胶掩膜或其它有机材料掩膜，也可以是硬掩膜；
3)在上述掩膜的掩蔽下，采用一种刻蚀气体(SF6等氟基气体)或者多种混合刻蚀气体(SF6等氟基气体、O2、N2等)，对于金属钨圆片进行变速刻蚀，通过控制刻蚀类型(各项同性、各向异性)、刻蚀速率、刻蚀选择比等，实现设计所需曲率半径的圆片级钨模芯阵列，如图1中(b)图所示：
采用普通光刻工艺形成掩膜，使用单一或者混合成分的刻蚀气体，通过控制气体的比例，实现对刻蚀底部和侧壁，不同角度和深度的刻蚀速率不同，进一步结合对于刻蚀参数(如气体流量、功率等)的控制，实现不同时刻的刻蚀速率的变化或者/以及刻蚀选择比的变化，最终形成所需曲率半径的球面或者非球面圆片级钨模芯阵列；
对于上述过程，参考的气体流量为0sccm-300sccm及在此基础上的调整；参考的ICP(Inductively Coupled Plasma)功率为0-3000W及在此基础上的调整；参考的RF(RadioFrequency)功率为0-300W及在此基础上的调整；参考气压为0-760torr及在此基础上的调整；
4)可选步骤：对于上述加工出的圆片级钨模芯阵列，结合机械加工手段(如纳米磨削、抛光、激光加工等手段)，进行局部修复和优化，实现更小粗糙度的钨模芯表面，或者更精确的满足设计所需的曲率半径。
实施例2：圆片级钨模芯的光刻胶熔融回流光刻加匀速刻蚀，加工制备球面圆片级钨模芯阵列；
1)采用4寸、6寸、8寸或12寸金属钨抛光圆片，表面进行清洗处理；
2)光刻形成用于定义钨模芯形状的光刻胶圆柱，如图2中(a)图所示，借助高温熔融回流工艺，通过控制温度和时间，形成符合设计需求曲率半径的球形光刻胶掩膜，如图2中(b)图所示；
3)在上述光刻胶掩膜的掩蔽下，采用单一成分(SF6等氟基气体)或者多成分的刻蚀气体(SF6等氟基气体、O2、N2等)，调节合适的气体比例和刻蚀参数(气体流量、功率等)，实现合适的刻蚀速率，对于圆片钨材料进行匀速刻蚀，最终得到所需曲率半径的球面圆片级钨模芯阵列，如图2中(c)图所示；对于上述过程，参考的气体流量为20-200sccm及在此基础上的调整；参考的ICP功率为1000-2000W及在此基础上的调整；参考的RF功率为40-150W及在此基础上的调整；参考气压为4-30mtorr及在此基础上的调整；
4)可选步骤：对于上述加工出的圆片级钨模芯阵列，结合机械加工手段(如纳米磨削、抛光、激光加工等手段)，进行局部修复和优化，实现更小粗糙度的钨模芯表面，或者更精确的满足设计所需的曲率半径。
实施例3：圆片级钨模芯的特殊光刻加匀速刻蚀，加工制备球面圆片级钨模芯阵列；
1)采用4寸、6寸、8寸或12寸金属钨抛光圆片，表面进行清洗处理；
2)采用特殊光刻工艺形成刻蚀掩膜，包括：灰度光刻，电子束光刻，激光光刻，掩膜移动光刻，移动掩膜滤波技术等，形成的具有特定光学信息的掩膜，如图3中(a)图所示(该图表示灰度光刻形成的掩膜)；
3)在上述光刻胶掩膜的掩蔽下，采用单一成分(SF6等氟基气体)或者多成分的刻蚀气体(SF6等氟基气体、O2、N2等)，调节合适的气体比例和刻蚀参数(气体流量、功率等)，实现合适的刻蚀速率，对于圆片钨材料进行匀速刻蚀，最终得到所需曲率半径的球面圆片级钨模芯阵列，如图3中(b)图所示；对于上述过程，参考的气体流量为20sccm-200sccm及在此基础上的调整；参考的ICP功率为1000-2000W及在此基础上的调整；参考的RF功率为40-150W及在此基础上的调整；参考气压为4-30mtorr及在此基础上的调整；
4)可选步骤：对于上述加工出的圆片级钨模芯阵列，结合机械加工手段(如纳米磨削、抛光、激光加工等手段)，进行局部修复和优化，实现更小粗糙度的钨模芯表面，或者更精确的满足设计所需的曲率半径。
实施例4：
钨模芯表面处理为WC(碳化钨)，或者进行金刚石镀膜处理，实现表面优化，提升脱模性能，如图4所示。
实施例5：
利用制备出的圆片级钨模芯模压光学玻璃，制备圆片级微透镜阵列，并圆片级键合再切割形成完整光学系统器件。如图5所示，为利用制备出的圆片级钨模芯模压光学玻璃的加工结果实例照片。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。
Claims (10)
1.一种用于光学透镜加工的模芯，其特征在于，所述模芯的材质为金属钨。
2.如权利要求1所述的用于光学透镜加工的模芯，其特征在于：所述模芯为单个元器件级钨模芯，或者为圆片级钨模芯；所述模芯的形状为球面或者加工光学透镜所需要的其它任意曲面。
3.一种制备圆片级钨模芯的方法，其步骤包括：
1)在金属钨基底上进行光刻，制作用于定义钨模芯形状的掩膜；
2)利用掩膜对金属钨进行刻蚀，形成特定形貌的球面或者非球面圆片级模芯阵列。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤1)所述光刻和步骤2)所述刻蚀采用下列方法中的一种：
a)步骤1)采用普通光刻形成微透镜模芯掩膜；步骤2)采用变速刻蚀形成特定形貌的球面或者非球面圆片级模芯阵列；
b)步骤1)采用光刻胶熔融回流技术，形成具有特定光学信息的光刻胶掩膜；步骤2)采用匀速刻蚀形成特定形貌的球面圆片级模芯阵列；
c)步骤1)采用光刻胶熔融回流技术，形成具有特定光学信息的光刻胶掩膜；步骤2)采用变速刻蚀形成特定形貌的非球面圆片级模芯阵列；
d)步骤1)采用特殊光刻技术形成具有特定光学信息的光刻胶掩膜，所述特殊光刻技术包括灰度光刻，电子束光刻，激光光刻，掩膜移动光刻，移动掩膜滤波技术；步骤2)采用匀速刻蚀或者变速刻蚀形成特定形貌的球面或者非球面圆片级模芯阵列。
5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于：所述刻蚀采用的刻蚀气体包含氟基气体；所述匀速刻蚀采用的气体流量为20-200sccm，ICP功率为1000-2000W，RF功率为40-150W，气压为4-30mtorr；所述变速刻蚀的气体流量为0-300sccm，ICP功率为0-3000W，RF功率为0-300W，气压为0-760torr。
6.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于：在圆片级钨模芯的基础上，通过切割形成单个元器件级钨模芯。
7.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于：采用机械加工手段对制备出的钨模芯进行局部修复和优化，实现更小粗糙度的钨模芯表面，或者更精确地满足设计所需要的曲率半径；所述机械加工手段包括纳米磨削、抛光、激光加工。
8.一种利用钨模芯制备光学透镜的方法，其特征在于，首先采用权利要求3～7中任一项所述的方法将钨模芯加工成所需的形状，然后利用钨模芯或者钨模芯组合，结合注塑或模压方法加工制备单个光学镜头元器件或者圆片级微透镜阵列。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：光学透镜的材料为有机材料、塑料或者高熔点的各种高质量光学玻璃材料；所加工的光学透镜是单面球面、单面非球面、双面球面或者双面非球面；将加工出的钨模芯直接用于光学透镜的加工，或者对钨模芯进行表面处理以改善表面质量和提升脱模性能，然后再用于光学透镜的加工；所述表面处理包括形成碳化钨层、SiN层或者金刚石镀膜。
10.根据权利要求8或9所述方法制备的光学透镜。
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