CN106249323A - 一种微透镜阵列模具和其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微透镜阵列模具和其制造方法，包括：在硬质材料的基底模具上形成软质金属膜；利用机械加工工艺使所述软质金属膜上形成对应微透镜阵列的第一图案；以形成有所述第一图案的所述软质金属膜为掩膜板，利用构图工艺在所述基底模具上形成与所述第一图案相同的图案。本发明还公开相应的微透镜阵列模具。

Description

一种微透镜阵列模具和其制造方法

技术领域

本发明涉及一种微透镜阵列模具和其制造方法。

背景技术

目前，微透镜阵列的一般采用机械加工方法或者采用光刻、三束直写加工技术等与刻蚀相结合的方法。采用机械加工(如切削、铣削、磨削等)方法加工模具上的微阵列结构时，模具材料通常为模具钢、镍单质、碳化钨(WC)、碳化硅(SiC)等，利用机械加工的方式在模具上加工微透镜阵列。采用机械加工微阵列能够得到多种微结构形貌，但在模具材料的选择上主要存在以下缺点：模具钢或镍单质在高温下硬度急剧下降，模具寿命短，不能满足高温模压成形的硬度要求；采用耐高温超硬材料碳化钨(WC)、碳化硅(SiC)等材料时，对金刚石刀具磨损严重，难以完成大面积微纳阵列加工。

采用光刻、三束直写加工技术等与刻蚀相结合的方法加工模具上的微阵列结构时，首先利用光刻、三束直写加工等方式在掩膜上形成微阵列结构，再通过刻蚀技术将掩膜上的图案转移到基底模具表面。该方法能够满足较大规模的生产，通过一定的加工工艺能够达到较高的分辨率，但不足之处在于加工工艺步骤复杂、周期长，在加工连续平滑的复杂三维结构方面以及精度控制方面具有较大困难。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种微透镜阵列模具和其制造方法，以力图解决或者至少缓解上面存在的问题。

第一方面，本发明提供一种微透镜阵列模具的制造方法，包括：

在硬质材料的基底模具上形成软质金属膜；

利用机械加工工艺使所述软质金属膜上形成对应微透镜阵列的第一图案；

以形成有所述第一图案的所述软质金属膜为掩膜板，利用构图工艺在所述基底模具上形成与所述第一图案相同的图案。

可选地，在根据本发明的方法中，所述在硬质材料的基底模具上形成软质金属膜，包括：

利用化学镀工艺或物理镀工艺在硬质材料的所述基底模具上形成所述软质金属膜。

可选地，在根据本发明的方法中，所述利用机械加工工艺使所述软质金属膜上形成对应微透镜阵列的第一图案，包括：

利用切削加工方法或铣削加工方法使所述软质金属膜上形成所述对应微透镜阵列的第一图案。

可选地，在根据本发明的方法中，所述以形成有所述第一图案的所述软质金属膜为掩膜板，利用构图工艺在所述基底模具上形成与所述第一图案相同的图案，包括：

以形成有所述微透镜阵列的所述软质金属膜为掩膜板，利用干法刻蚀方法或湿法刻蚀方法在所述基底模具上形成与所述第一图案相同的图案。

可选地，在根据本发明的方法中，所述干法刻蚀方法包括物理性刻蚀方法和化学性刻蚀方法。

可选地，在根据本发明的方法中，所述硬质材料包括碳化钨和碳化硅其中之一。

可选地，在根据本发明的方法中，所述软质金属膜的材料包括铜和铝其中之一。

可选地，在根据本发明的方法中，所述软质金属膜的厚度为100微米到500微米。

第二方面，本发明提供一种微透镜阵列模具，采用如上的方法制备，所述微透镜阵列模具包括硬质材料的基底模具和形成于所述基底模具上的对应微透镜阵列的第一图案。

可选地，在根据本发明的微透镜阵列模具中，所述硬质材料包括碳化钨和碳化硅其中之一。

根据本发明的技术方案，采用机械工艺与刻蚀工艺相结合的方式，降低了加工工艺难度，减少了加工周期，提高了加工精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的一种微透镜阵列的制造方法的流程图；

图2示出了本发明实施例所提供的一种电镀工艺原理的示意图；

图3示出了本发明实施例所提供的一种微透镜阵列对应图案的示意图；

图4示出了本发明实施例所提供的铣削加工工艺的示意图；

图5示出了本发明实施例所提供的微透镜阵列模具的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了根据本发明实施例所提供的一种微透镜阵列的制造方法的流程图。如图1所示，该方法始于步骤S110。

在步骤S110中，在硬质材料的基底模具上形成软质金属膜。

硬质材料可以为碳化钨(WC)和碳化硅(S_iC)中之一，但不限于上述两种材料。硬质材料还可以为硬质合金、组成硬质合金的碳化钽、碳化钒、碳化铬、碳化钛这些硬质粉末、氮化硅等等。

软质金属膜一般指使用的金属膜材料的硬度较低，具有易于机械加工的机械性能。其材料可以为铜、铝和镍其中之一，软质金属膜的厚度为100微米到500微米。此处应当理解，软质金属膜的材料不限于上述三种材料，所有有益于进行机械加工或能够形成软质金属膜的材料都在本发明的保护范围内，在实际应用中，应根据具体情况确定。

利用物理镀工艺、化学镀工艺、喷涂工艺中任意一种在硬质材料的所述基底模具上形成软质金属膜。

物理镀工艺是采用物理的方式沉积薄膜，物理方式可以为真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀膜等。真空蒸镀是在真空条件下，使金属、金属合金或化合物蒸发，然后凝结在相对温度较低的模具表面上。常用的模具为硬质材料、塑料薄膜或纸张，也可以是金属、陶瓷、合成树脂、蜡、木材等制品。溅射镀膜是用荷能离子(通常为Ar⁺)轰击靶材料表面，使靶材料的原子或分子从其表射出，然后沉积在模具表面。离子镀是在溅射镀膜的基础上，加上了高压源，模具为阴极，镀料原子被电离后沉积在模具上。

化学镀工艺中常用的为电镀工艺和化学浸镀。电镀工艺的原理可参考图2，电镀工艺中基材一般包括金属和非金属，金属可以为铸铁、不锈钢、合金钢等，非金属一般在电镀前通过化学镀在其表面沉积一层金属，使其具有导电性，然后再进行电镀加厚，具体的操作过程为：除油—水洗—浸蚀(活化)—水洗—电镀—水洗—钝化—水洗—烘干。而化学浸镀工艺是在PH>11的碱性环境中，甲醛与铜离子发生氧化还原反应，反应式为：Cu²⁺+2HCHO+4OH^-＝Cu+2HCOO^-+2H₂O+H₂↑，具体的操作过程为：除油—水洗—浸蚀(活化)—水洗—预浸—活化—解胶—水洗—化学浸镀。其次，还可以通过电刷镀在电镀的基础上，对待度工件增加待镀工件与电镀刷之间的相对运动，提高了电镀速度。

喷涂工艺是将熔融状态的喷涂材料，通过高速气流使其雾化喷射在模具表面。由于在喷涂过程中模具与氧气接触会发生氧化，可以采用真空喷涂。也可以采用喷涂工艺和激光熔覆工艺相结合的方式，通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成熔覆层，一次熔覆厚度就能达到0.5mm左右。

不过应当理解，形成软质金属膜的方式不限于上述几种方式，所有可以形成软质金属膜的方式都在本发明的保护范围内。

在步骤S120中，利用机械加工工艺使软质金属膜上形成对应微透镜阵列的第一图案。

微透镜是一种微结构功能表面，它是指微小透镜，直径一般为l0μm到lmm级，在基板上，由这些微小透镜按一定的位置和形状排列形成的阵列叫做微透镜阵列；从光子学范畴来确定微透镜范围很广泛，包含直径可达几毫米的透镜，微透镜阵列数目从几百到上千个，多至几万个；相对于传统透镜，微透镜阵列具有集成程度高、单元尺寸小的特点，它能构成许多新型的光学系统，拥有传统透镜不能实现的功能；在微透镜阵列中，其中单个微透镜形状一般有正方形、六边形和半球形等形状。图3为典型的微透镜阵列。微透镜阵列具有非常高的衍射效率、特有的色散性能、广泛的选材性、更广的设计自由以及特有的光学性能。

机械加工工艺可以为切削加工方法或铣削加工方法中的一种。不过应当理解，上述两种方法仅仅是示意性的，所有可以在软质金属膜上形成对应微透镜阵列的第一图案的方法都在本发明的保护范围内。

切削加工方法是用刀具从工件如软质金属膜上切除多余材料，从而获得形状、尺寸精度及表面质量等合乎要求的零件的加工过程。实现这一切削过程必须具备三个条件：工件与刀具之间要有相对运动，即切削运动；刀具材料必须具备一定的切削性能；刀具必须具有适当的几何参数，即切削角度等。

铣削加工方法是以铣刀作为刀具加工物体表面的一种机械加工方法。本发明通过金刚石球头铣刀在软质金属膜铣削出微透镜阵列。微透镜阵列的加工过程是由球头铣刀围绕主轴中心的旋转运动和球头铣刀分别沿着X轴、Y轴和Z轴的进给运动共同完成的。每一个球形腔阵点的加工过程为：主轴以转速n旋转带动刀具旋转，同时以V_fz的速度沿着Z方向进给。切削刃碰到工件以后进行铣削加工，即圆弧刃沿着主轴旋转一转形成的表面就是加工的球形腔的内部表面。设所加工的球形腔的最大圆截面半径为r，球头铣刀的半径为R，则球形腔的铣削深度h满足如下关系式：

$h=R-\sqrt{R^2-r^2}$

当一个球形腔阵点加工完成之后，刀具沿着X轴或Y轴进给，移动一个阵点之间的间距，然后进行下一个阵点的加工。重复以上过程，一直到阵列加工完成。具体可参考图4。

在步骤S130中，以形成有所述第一图案的所述软质金属膜为掩膜板，利用构图工艺在所述基底模具上形成与所述第一图案相同的图案。

本发明中的构图工艺可以为干法刻蚀方法或湿法刻蚀方法中一种，具体应以实际情况为准，此处仅仅是示意性的。

刻蚀就是用化学的、物理的或同时使用化学和物理的方法，将不需要的材料除去，在基底上得到所需图形。刻蚀又可分为干法刻蚀和湿法刻蚀。

干法刻蚀中根据刻蚀气体是否与被刻蚀材料发生反应而分为物理性刻蚀、化学性刻蚀以及物理化学性刻蚀。其中物理性刻蚀或称为离子刻蚀是利用辉光放电将气体(如氩)电离成带正电的离子，再利用偏压将离子加速，溅击在被刻蚀物的表面而将被刻蚀物的原子击出，该过程完全是物理上的能量转移，故称为物理性刻蚀。其特色在于，具有非常好的方向性，可获得接近垂直的刻蚀轮廓。

化学性刻蚀或称等离子体刻蚀是运用气体辉光放电中等离子体使气相物质离子化，以强化其与基片的化学反应，生成具有挥发性的反应产物，并被真空设备抽离反应腔。因这种反应完全利用化学反应，故称为化学性刻蚀。

同时发生物理化学作用的刻蚀或称为反应离子刻蚀是在等离子体刻蚀的基础上，在平板电极之间施加高频电压，使离子高速撞击试样而同时进行物理和化学刻蚀的过程。

具体地，在等离子体刻蚀工艺中，首先是在基底表面形成一层掩膜，接着再把这种待加工的基底放置到具有化学活性的低温等离子体中，进行等离子体刻蚀。这种具有化学活性的等离子体通常是由氯气或碳氟等气体放电产生的，它不仅含有电子和离子，还含有大量的活性自由基。这些活性基团沉积到裸露的基底表面时，与基底材料的原子相互结合而形成挥发性的化合物，从而对基底进行化学性刻蚀。另一方面，为了提高刻蚀速度，还通常将基底放置在一个施加射频或脉冲偏压的电极上面，在基底的上方将形成一个非电中性的等离子体区，即鞘层。等离子体中的离子在鞘层电场的作用下，轰击到裸露的基底表面上，并与表面层的原子进行碰撞，使其溅射出来从而实现同时包含物理和化学过程的刻蚀。

根据一个实施例，使用碳化硅(SiC)作为基底模具，采用干法刻蚀的方法对其进行刻蚀。实验中，采用CF₄作为刻蚀气体，氟碳离子束撞击被刻蚀的样品表面然后由电子中和,其中SiC与氟碳离子的反应为：

SiC+CF_n(离子)→SiF₄+C

反应生成的C聚积在SiC表面，阻滞了SiC的进一步刻蚀，刻蚀速率较低。因此通入O₂与CF₄的混合气体，当0₂/CF₄流量比大于0而小于40％时，随着0₂的通入也就是0₂/CF₄流量比的增大，刻蚀反应过程中聚积的C与通入的0₂也发生反应，生成挥发性的CO和C0₂，减少乃至消除了C的聚积，从而将清洁的SiC表面反复地暴露出来，0₂流量愈大就愈加速了这一过程，直到0₂/CF₄流量比为40％左右时，刻蚀速率达到最大值。通过抽气系统将生成的气体抽离腔体，完成对SiC的刻蚀。

不过应当理解，本发明中的实施例仅仅是示意性的，本发明不受实施例的限制。

本发明还公开了一种微透镜阵列模具，采用如上所述的方法制备，微透镜阵列模具包括硬质材料的基底模具和形成于所述基底模具上的对应微透镜阵列的图案。硬质材料包括碳化钨和碳化硅其中之一。上文中已对硬质材料进行详细的解释，此处不再进行过多说明。

根据本发明的技术方案，采用机械工艺与刻蚀工艺相结合的方式，降低了加工工艺难度，减少了加工周期，提高了加工精度。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该发明的目的的元素所执行的功能。

如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种微透镜阵列模具的制造方法，其特征在于，包括：

在硬质材料的基底模具上形成软质金属膜；

利用机械加工工艺使所述软质金属膜上形成对应微透镜阵列的第一图案；

以形成有所述第一图案的所述软质金属膜为掩膜板，利用构图工艺在所述基底模具上形成与所述第一图案相同的图案。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在硬质材料的基底模具上形成软质金属膜，包括：

利用化学镀工艺或物理镀工艺在硬质材料的所述基底模具上形成所述软质金属膜。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用机械加工工艺使所述软质金属膜上形成对应微透镜阵列的第一图案，包括：

利用切削加工方法或铣削加工方法使所述软质金属膜上形成所述对应微透镜阵列的第一图案。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述以形成有所述第一图案的所述软质金属膜为掩膜板，利用构图工艺在所述基底模具上形成与所述第一图案相同的图案，包括：

以形成有所述微透镜阵列的所述软质金属膜为掩膜板，利用干法刻蚀方法或湿法刻蚀方法在所述基底模具上形成与所述第一图案相同的图案。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述干法刻蚀方法包括物理性刻蚀方法和化学性刻蚀方法。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硬质材料包括碳化钨和碳化硅其中之一。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述软质金属膜的材料包括铜、铝和镍其中之一。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述软质金属膜的厚度为100微米到500微米。

9.一种微透镜阵列模具，采用如权利要求1至8任一项所述的方法制备，其特征在于，所述微透镜阵列模具包括硬质材料的基底模具和形成于所述基底模具上的对应微透镜阵列的第一图案。

10.如权利要求9所述的微透镜阵列模具，其特征在于，所述硬质材料包括碳化钨和碳化硅其中之一。