CN110954977A - 一种环烯烃共聚物微透镜阵列的制备方法及环烯烃共聚物微透镜阵列 - Google Patents

Abstract

本发明提供的环烯烃共聚物微透镜阵列的制备方法，采用热压工艺制作微透镜阵列，无需曲面加工工艺，操作简单，效率高，误差小适合大面积微透镜阵列的批量化制备；同时，本发明提供的环烯烃共聚物微透镜阵列的制备方法，采用环烯烃共聚物在熔融状态下受压力重力和表面张力的作用，形成微透镜阵列节省了制作模具的成本和时间；本发明提供的环烯烃共聚物微透镜阵列的制备方法，采用光刻和刻蚀的方法，在基底上制作微孔阵列，具有良好的阵列均匀性和重复性；本发明提供的环烯烃共聚物微透镜阵列的制备方法，采用直接热压剥离的方法得到孔径光阑，相对反相光刻对准方法，工序简单易于操作可重复性强，解决了反向光刻对准方法对准工序复杂的问题。

Description

一种环烯烃共聚物微透镜阵列的制备方法及环烯烃共聚物微 透镜阵列

技术领域

本发明涉及微机械加工技术领域，特别涉及一种环烯烃共聚物微透镜阵列的制备方法及环烯烃共聚物微透镜阵列。

背景技术

微透镜阵列是通光孔径及矢高深度为微米级的透镜组成的阵列，具有传统透镜聚焦、成像等基本成像功能，亦能够用于波前传感、光束整形等调制功能，被广泛应用于光通信和光电子等领域。微透镜阵列按照基质主要分为石英玻璃材质以及聚合物材质。玻璃材质的微透镜阵列成本高，加工工艺复杂，难与系统集成。TOPAS公司生产的COC(环烯烃共聚物)作为传统材料的改进性材料，具有与PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸树脂)相匹敌的光学性能以及高于PC(聚碳酸酯)的耐热性，且相较PMMA和PC更加优良的尺寸稳定性，易于切割集成等优点，被视为玻璃材料的最佳替代材料。

目前，用于聚合物微透镜阵列的制造方法主要有：光刻胶回流法、激光直写法、微喷打印法和热压成型法等。其中热压成型法采用聚合物复制技术，形貌相对可控，加工效率高，更适合大批量生产。热压成型法是一种直接将模具图形转移到聚合物衬底材料上的方法。所用模具一般为金属材质，通过超精密切削和电铸等微加工工艺制得，制作周期长，加工成本高。另外，透镜的材料和形貌直接决定着透镜的功能，采用金属模具热压后脱模的粘附问题会严重影响透镜的形貌，从而影响其光学性能。如果粘附问题严重的话还会损毁模具，这严重影响了微透镜阵列的制作效率，并使制作成本大大升高。

目前，多数微透镜阵列制作工艺均不能达到100％的占空比，经不具功能结构区域透射的光束，会影响整个系统的光对比度，尤其在光谱分析系统中。为了提高信噪比，通常会配套透镜阵列制作信号隔离通道，导致加工成本、系统体积倍增。

CN1141603C公开了一种微透镜阵列型光漫透射器及其制备方法。由均匀排列的石英微透镜阵列构成，衬底上均匀分布的微孔内安装微透镜，前、后荫罩上均匀分布与微透镜相对应的略小孔径的微孔，微透镜位于前后荫罩之间的衬底微孔中央。前、后荫罩分别作为透镜的孔径光阑和视场光阑。前荫罩的迎光面采用真空蒸镀工艺镀上铝发射膜，并加镀SiOx保护膜，后荫罩的表面进行电镀染黑处理，可通过更换具有不同通光孔径的前荫罩来改变透射光亮度。但是，采用石英材质的漫反射器虽然有良好的机械性能，但每个透镜单元结构都需要单独安装，无法实现大批量生产。

CN104834030B公开了一种仿生复眼成像系统的光阑阵列加工方法，根据平面微透镜阵列单元的大小，确定平面微孔光阑阵列中光阑单元的尺寸，并根据需要确定阵列边缘倾斜角度，最终形成凸型微四棱锥阵列；将得到的四棱锥阵列进行电铸，翻印得到电铸材料的平面微孔光阑阵列结构。可实现光阑阵列和透镜阵列的自动对正，且有效解决了透镜阵列和光阑阵列装调困难的问题。但是，配套光阑阵列的需要单独加工，延长了系统的制作周期和成本，增大了整个微透镜的尺寸，不便于与系统集成。

201811266451.4公布了一种环烯烃带有金属光阑的微透镜制备方法，该方法，利用光刻法形成微透镜阵列，并转移到环烯烃共聚物上，再采用反向光刻对准的方法，在环烯烃共聚物上形成第二微透镜阵列，蒸镀金属后，置于丙酮溶液，直接剥离得到带光阑的微透镜阵列。但是该方法采用反向对准时，对准精度难以准确保持，并且工艺复杂步骤较多，制约了经济成本。

发明内容

有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种制备工艺简单且光学微透镜的尺寸精度及形貌易保证的环烯烃共聚物微透镜阵列的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种环烯烃共聚物微透镜阵列的制备方法，包括下述步骤：

在基底表面形成带有微透镜阵列图形的光刻胶掩膜；

在带有所述光刻胶掩模的基底上刻蚀出微孔阵列；

清洗刻蚀有微孔阵列的基底，并对所述基底表面进行钝化保护处理；

在所述基底的微孔阵列的结构面蒸镀金属；

在所述基底的微孔阵列上铺设环烯烃共聚物层，并进行热压处理，冷却后将所述微孔阵列和所述环烯烃共聚物层分离，得到带有金属光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列；

其中，所述环烯烃共聚物层包括环烯烃共聚物凸起阵列，所述微孔阵列包括金属覆盖层，所述环烯烃共聚物凸起阵列和所述金属覆盖层交替排布，所述环烯烃共聚物凸起阵列作为微透镜阵列，所述金属覆盖层作为光阑。

在一些较佳的实施例中，在基底表面形成带有微透镜阵列图形的光刻胶掩膜的步骤中，具体为：

采用光刻法利用掩膜版在所述基底表面形成带有微透镜阵列图形的光刻胶掩膜，所述基底为硅片。

在一些较佳的实施例中，在带有所述光刻胶掩模的基底上刻蚀出微孔阵列的步骤中，具体为：

采用刻蚀法在带有所述光刻胶掩模的基底上刻蚀出微孔阵列。

在一些较佳的实施例中，在完成带有所述光刻胶掩模的基底上刻蚀出微孔阵列的步骤后进行下一步前，还包括下述步骤：

将刻蚀有所述微孔阵列的基底放入丙酮液中，溶解去除光刻胶掩膜。

在一些较佳的实施例中，在清洗刻蚀有微孔阵列的基底，并对所述基底表面进行钝化保护处理的步骤中，具体为：

清洗刻蚀有微孔阵列的基底，对所述基底表面用C₄F₈进行钝化保护处理。

在一些较佳的实施例中，在所述基底的微孔阵列的结构面蒸镀金属的步骤中，具体为：

采用蒸发镀膜工艺在所述基底的微孔阵列的结构面蒸镀金属，所述金属为铬粉或铝条。

在一些较佳的实施例中，所述热压处理的温度为135℃-145℃，压强范围25KPa-50kPa。

在一些较佳的实施例中，所述环烯烃共聚物凸起阵列的高度为25μm-40μm，所述金属覆盖层的厚度为百纳米量级。

在一些较佳的实施例中，所述微孔阵列的直径与所述微透镜阵列的图形直径相同。

另外，本发明还提供了一种环烯烃共聚物微透镜阵列，由所述的环烯烃共聚物微透镜阵列的制备方法制备而得。

本发明采用上述技术方案的优点是：

本发明提供的环烯烃共聚物微透镜阵列的制备方法，采用热压工艺制作微透镜阵列，无需曲面加工工艺，操作简单，加工时间短，效率高，误差小，更加适合大面积微透镜阵列的批量化制备；同时，本发明提供的环烯烃共聚物微透镜阵列的制备方法，采用环烯烃共聚物在熔融状态下受压力重力和表面张力的作用，形成微透镜阵列节省了制作模具的成本和时间；本发明提供的环烯烃共聚物微透镜阵列的制备方法，采用光刻和刻蚀的方法，在基底上制作微孔阵列，具有良好的阵列均匀性和重复性；本发明提供的环烯烃共聚物微透镜阵列的制备方法，采用直接热压剥离的方法得到孔径光阑，相对反相光刻对准方法，工序简单易于操作可重复性强，解决了反向光刻对准方法对准工序复杂的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的附图。

图1为本发明提供的环烯烃共聚物微透镜阵列的制备方法的步骤流程图。

图2为根据本发明提供的光刻掩模版的截面图。

图3为根据本发明提供的S110步骤后得到的光刻胶掩模示意图。

图4为根据本发明提供的S120步骤后得到的硅片微孔阵列截面图。

图5为根据本发明提供的S130步骤后得到的含有钝化层的硅片微孔阵列

图6为根据本发明提供的S140步骤后得到的蒸镀了金属层的硅片微孔阵列的截面图。

图7为根据本发明提供的S150步骤后环烯烃共聚物与蒸镀了金属硅片的热压示意图。

图8为根据本发明提供的S150步骤后得到的带有金属光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列的截面图。

其中：光刻掩膜板1、光刻胶掩膜2、基底(硅片)3、微孔阵列4、钝化层5、钝化后的微孔阵列6、金属7、蒸镀金属的微孔阵列8、环烯烃共聚物9、环烯烃共聚物阵列10、由硅片转移到环烯烃共聚物上的金属11。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供了一种环烯烃共聚物微透镜阵列的制备方法，包括下述步骤：

步骤S110：在基底表面形成带有微透镜阵列图形的光刻胶掩膜。

具体地，采用光刻法利用掩膜版在所述基底表面形成带有微透镜阵列图形的光刻胶掩膜，所述基底为硅片。

可以理解，由于上述步骤选择光刻法具有精确可控、效率高和可以批量生产等优点。

请参阅图2及图3分别为本发明实施例的提供的光刻掩模版的截面图以及经步骤S110后得到的光刻胶掩模示意图，其中：1为光刻掩膜板，2为光刻胶掩膜，3为基底(硅片)。

步骤S120：在带有所述光刻胶掩模的基底上刻蚀出微孔阵列。

具体地，采用刻蚀法在带有所述光刻胶掩模的基底上刻蚀出微孔阵列，所述微孔阵列的直径与所述微透镜阵列的图形直径相同。

上述步骤S120中的刻蚀法包括干法刻蚀和湿法刻蚀。请参阅图4为根据步骤S120步骤后得到的基底微孔阵列截面图。

可以理解，本发明上述步骤中采用光刻和刻蚀的方法，在硅基片上制作微孔阵列，具有良好的阵列均匀性和重复性。

进一步地，在完成带有所述光刻胶掩模的基底上刻蚀出微孔阵列的步骤后进行下一步前，还包括下述步骤：将刻蚀有所述微孔阵列的基底放入丙酮液中，溶解去除光刻胶掩膜。

步骤S130：清洗刻蚀有微孔阵列的基底，并对所述基底表面进行钝化保护处理。

具体地，清洗刻蚀有微孔阵列的基底，对所述基底表面用C₄F₈进行钝化保护处理，图5为根据上述步骤后得到的含有钝化层的硅片微孔阵列。

步骤S140：在所述基底的微孔阵列的结构面蒸镀金属。

具体地，采用蒸发镀膜工艺在所述基底的微孔阵列的结构面蒸镀金属，所述金属为铬粉或铝条。

请参阅图6，为根据上述步骤后得到的蒸镀了金属层的硅片微孔阵列的截面图。

可以理解，镀膜工艺主要包括PVD(物理气相沉积)和CVD(化学气相沉积)。其中PVD主要有真空蒸发、真空溅射、真空离子镀膜。根据镀膜材料和镀膜要求不同，选择不同的工艺。真空蒸发镀膜操作简单，又可以满足实验需求。真空溅射镀膜也可以达到要求，但是过程相对较复杂。

在上述步骤中，采用蒸发镀膜工艺在所述基底的微孔阵列的结构面蒸镀金属。结构面是指带有凸起的微透镜阵列图形的面。

步骤S150：在所述基底的微孔阵列上铺设环烯烃共聚物层，并进行热压处理，冷却后将所述微孔阵列和所述环烯烃共聚物层分离，得到带有金属光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列；所述热压处理的温度为135℃-145℃，压强范围25KPa-50kPa。其中，所述环烯烃共聚物层包括环烯烃共聚物凸起阵列，所述微孔阵列包括金属覆盖层，所述环烯烃共聚物凸起阵列和所述金属覆盖层交替排布，所述环烯烃共聚物凸起阵列作为微透镜阵列，所述金属覆盖层作为光阑。

所述环烯烃共聚物层为COC、PC、PMMA或COP等材料。

具体地，取环烯烃共聚物和由步骤S140得到的蒸镀有金属薄膜的微孔阵列放入热压机，将环烯烃共聚物和所述微孔阵列外环放置一个厚度略低于环烯烃共聚物和所述微孔阵列的总厚度的同心金属限位环，调节到合适的温度和压强，在压力、重力和表面张力的共同作用下，环烯烃共聚物冷却重塑剥离后会得到带有光阑的环烯烃共聚物阵列。请参阅图8，为本发明上述步骤制备得到的带有金属光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列的截面图。

在一些较佳的实施例中，所述环烯烃共聚物凸起阵列的高度为25μm-40μm，所述金属覆盖层的厚度为百纳米量级。

本发明提供的环烯烃共聚物微透镜阵列的制备方法，采用热压工艺制作微透镜阵列，无需曲面加工工艺，操作简单，加工时间短，效率高，误差小，更加适合大面积微透镜阵列的批量化制备；同时，本发明提供的环烯烃共聚物微透镜阵列的制备方法，采用环烯烃共聚物在熔融状态下受压力重力和表面张力的作用，形成微透镜阵列节省了制作模具的成本和时间；本发明提供的环烯烃共聚物微透镜阵列的制备方法，采用光刻和刻蚀的方法，在基底上制作微孔阵列，具有良好的阵列均匀性和重复性；本发明提供的环烯烃共聚物微透镜阵列的制备方法，采用直接热压剥离的方法得到孔径光阑，相对反相光刻对准方法，工序简单易于操作可重复性强，解决了反向光刻对准方法对准工序复杂的问题。

以下结合具体实施例说明详细技术方案。

实施例1

本发明所提供的制备带有金属光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列的方法可具体包括以下步骤：

(1)在硅片基底表面旋涂正性光刻胶，使用光刻掩膜版曝光和显影，在硅片基底的表面形成图形化的光刻胶掩膜，光刻胶掩膜上的图形为光刻胶微透镜阵列图形。

(2)通过干法刻蚀带有光刻胶掩膜的硅片基底，在带有光刻胶掩膜的硅片基底上形成直径与光刻胶微透镜阵列图形直径相同的硅片微孔阵列。

(3)对硅片微孔阵列表面做钝化处理。

(4)采用蒸发镀膜工艺，在钝化后的硅片微孔阵列蒸镀一层金属铬。

(5)取环烯烃共聚物和蒸镀后的硅片微孔阵列放入热压机，环烯烃共聚物和硅片微孔阵列的外周围放置一个等厚度的限位环，加热到环烯烃共聚物的玻璃化温度133℃以上，同时施加50kPa的压强，保持15min，之后冷却至室温。在压力、重力和表面张力的共同作用下，环烯烃共聚物冷却重塑后剥离，得到带有铬光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列。

实施例2

本发明所提供的制备带有金属光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列的方法可具体包括以下步骤：

(1)在硅片基底表面旋涂正性光刻胶，使用光刻掩膜版曝光和显影，在硅片基底的表面形成图形化的光刻胶掩膜，光刻胶掩膜上的图形为光刻胶微透镜阵列图形。

(2)通过干法刻蚀带有光刻胶掩膜的硅片基底，在带有光刻胶掩膜的硅片基底上形成直径与光刻胶微透镜阵列图形直径相同的硅片微孔阵列。

(3)对硅片微孔阵列表面做钝化处理。

(4)采用蒸发镀膜工艺，在钝化后的硅片微孔阵列蒸镀一层金属铝。

(4)取环烯烃共聚物和蒸镀铝后的硅片微孔阵列放入热压机，环烯烃共聚物和硅片微孔阵列的外周围放置一个等厚度的限位环，加热到环烯烃共聚物的玻璃化温度138℃以上，同时施加40kPa的压强，保持15min，之后冷却至室温。在压力、重力和表面张力的共同作用下，环烯烃共聚物冷却重塑后剥离，得到带有铝光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

当然本发明的环烯烃共聚物微透镜阵列的制备方法正极材料还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (10)

1.一种环烯烃共聚物微透镜阵列的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

在基底表面形成带有微透镜阵列图形的光刻胶掩膜；

在带有所述光刻胶掩模的基底上刻蚀出微孔阵列；

清洗刻蚀有微孔阵列的基底，并对所述基底表面进行钝化保护处理；

在所述基底的微孔阵列的结构面蒸镀金属；

在所述基底的微孔阵列上铺设环烯烃共聚物层，并进行热压处理，冷却后将所述微孔阵列和所述环烯烃共聚物层分离，得到带有金属光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列，所述环烯烃共聚物层为COC、PC、PMMA或COP；

其中，所述环烯烃共聚物层包括环烯烃共聚物凸起阵列，所述微孔阵列包括金属覆盖层，所述环烯烃共聚物凸起阵列和所述金属覆盖层交替排布，所述环烯烃共聚物凸起阵列作为微透镜阵列，所述金属覆盖层作为光阑。

2.如权利要求1所述的环烯烃共聚物微透镜阵列的制备方法，其特征在于，在基底表面形成带有微透镜阵列图形的光刻胶掩膜的步骤中，具体为：

采用光刻法利用掩膜版在所述基底表面形成带有微透镜阵列图形的光刻胶掩膜，所述基底为硅片。

3.如权利要求1所述的环烯烃共聚物微透镜阵列的制备方法，其特征在于，在带有所述光刻胶掩模的基底上刻蚀出微孔阵列的步骤中，具体为：

采用刻蚀法在带有所述光刻胶掩模的基底上刻蚀出微孔阵列。

4.如权利要求3所述的环烯烃共聚物微透镜阵列的制备方法，其特征在于，在完成带有所述光刻胶掩模的基底上刻蚀出微孔阵列的步骤后进行下一步前，还包括下述步骤：

将刻蚀有所述微孔阵列的基底放入丙酮液中，溶解去除光刻胶掩膜。

5.如权利要求1所述的环烯烃共聚物微透镜阵列的制备方法，其特征在于，在清洗刻蚀有微孔阵列的基底，并对所述基底表面进行钝化保护处理的步骤中，具体为：

清洗刻蚀有微孔阵列的基底，对所述基底表面用C₄F₈进行钝化保护处理。

6.如权利要求1所述的环烯烃共聚物微透镜阵列的制备方法，其特征在于，在所述基底的微孔阵列的结构面蒸镀金属的步骤中，具体为：

采用蒸发镀膜工艺在所述基底的微孔阵列的结构面蒸镀金属，所述金属为铬粉或铝条。

7.如权利要求1所述的环烯烃共聚物微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述热压处理的温度为135℃-145℃，压强范围25KPa-50kPa。

8.如权利要求1所述的环烯烃共聚物微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述环烯烃共聚物凸起阵列的高度为25μm-40μm，所述金属覆盖层的厚度为百纳米量级。

9.如权利要求1所述的环烯烃共聚物微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述微孔阵列的直径与所述微透镜阵列的图形直径相同。

10.一种环烯烃共聚物微透镜阵列，其特征在于，由权利要求1至9任一项所述的环烯烃共聚物微透镜阵列的制备方法制备而得。

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