CN112731763A - 一种微纳光学器件制造方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种微纳光学器件制造方法。该方法中将分别形成有不同微纳结构的基板进行切割和拼接，然后转印得到一体的模板，并利用该一体的模板通过微纳米压印进行复制生产。这样的微纳光学器件制造方法能够简单高效地实现双结构甚至乃至多结构微纳光学器件的批量生产，而且使得对于不同的微纳结构能够采用适宜的常规工艺来制造，有利于简化制造工艺，降低成本。
Description
技术领域
本发明总体上涉及微纳光学器件制造技术，具体地涉及集成了不同类型的微纳光学结构的微纳光学器件的制造方法。
背景技术
微纳光学是目前光电子产业的重要发展方向，在光通信、光互联、光存储、半导体器件等诸多领域，发挥了巨大作用。微纳光学元件，通常而言，是指通过光刻、电沉积或微纳米压印等手段，在材料中引入微纳光学结构从而实现新型光学功能的微纳米级别的元件。微纳光学元件例如包括DOE(衍射光学元件,Diffractive Element)、MLA(微透镜阵列，Micro Lens Array)和超表面(Metasurface)光学器件等。
在一些应用中，需要将不同的微纳光学元件集成在一起以形成具有集成功能的微纳光学器件。然而，不同的微纳光学元件的结构和尺寸特征经常具有诸多的差异，从而在加工工艺上经常也是不同的。例如，DOE的微结构表面形貌角度大致垂直(通常大于87°)，为台阶状形貌，并且微结构横向尺寸和纵向深度通常为亚微米级或几个微米的量级，用于制造DOE的模版可通过成熟的半导体光刻和刻蚀工艺在晶圆上制作；而MLA类匀光片的微结构形貌多为曲面，单个微透镜面形的横向尺寸和纵向深度一般为十几微米至几十微米，甚至上百微米，透镜面型可以通过激光直写曝光等工艺在光刻胶上曝光显影微结构，以形成用于制造MLA的模版。可以看到，单一的加工工艺不满足不同微纳光学结构的精度及尺寸范围要求，现有技术条件下中，难以在同一晶圆上同时制作两种结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种微纳光学器件制造方法，该方法能够简单高效地实现双结构甚至乃至多结构微纳光学器件的批量生产，至少部分地克服了现有技术中的不足。
根据本发明的一个方面，提供了一种微纳光学器件制造方法，该方法包括：
将形成有第一微纳结构的第一基板按照第一预定尺寸切割，得到第一拼接用基板；
将形成有第二微纳结构的第二基板按照第二预定尺寸切割，得到第二拼接用基板，第二微纳结构不同于第一微纳结构；
将第一拼接用基板与第二拼接用基板拼接并固定在一起，得到拼接模版；
利用拼接模版转印得到形成有第一微纳结构和第二微纳结构的压印模版；以及
利用压印模版通过微纳米压印制造微纳光学器件。
优选地，第一微纳结构具有台阶状形貌，第二微纳结构具有曲面形貌。更优选地，第一微纳结构为对应于衍射光学元件结构的形貌，第二微纳结构为对应于微透镜阵列结构的形貌。
在一些实施例中，所述微纳光学器件制造方法还可以包括：
利用半导体光刻和刻蚀工艺在晶圆上形成第一微纳结构，并将该第一微纳结构转印到第一基板上，得到形成有第一微纳结构的第一基板；以及
利用灰度曝光工艺在光刻胶上形成第二微纳结构，并将该第二微纳结构转印到第二基板上，得到形成有第二微纳结构的第二基板。
优选地，第一基板与第二基板包括相同的硬质基底，并且/或者第一基板和第二基板均具有长条形形状。
优选地，在拼接模版中，第一拼接用基板上的第一微纳结构与第二拼接用基板上的第二微纳结构毗邻。
优选地，第一拼接用基板包括形成有第一微纳结构的多个第一区域，第二拼接用基板包括形成有第二微纳结构的多个第二区域，并且在拼接模版中，多个第一区域分别与多个第二区域中对应的一个毗邻。
拼接模版优选包括多个第一拼接用基板和多个第二拼接用基板。
在一些实施例中，拼接模版还包括形成有不同于第一微纳结构和第二微纳结构的其它微纳结构的其它拼接用基板。
优选地，所述利用拼接模版转印得到形成有第一微纳结构和第二微纳结构的压印模版包括：利用拼接模版将第一微纳结构和第二微纳结构转印到柔性基材上，得到柔性的压印模版。柔性基材优选为PDMS材料。
根据本发明实施例，将分别形成有不同微纳结构的基板进行切割和拼接，然后转印得到一体的模版(压印模版)，并利用该一体的模版通过微纳米压印进行复制生产。这样的微纳光学器件制造方法能够简单高效地实现双结构甚至乃至多结构微纳光学器件的批量生产，而且使得对于不同的微纳结构能够采用适宜的常规工艺来制造，有利于简化制造工艺，降低成本。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为根据本发明实施例的微纳光学器件制造方法的流程图；
图2为形成有不同微纳结构的第一基板和第二基板的示意图；
图3为第一微纳结构和第二微纳结构的示例的示意性剖面图；
图4为图2和图3所示第一和第二拼接用基板拼接得到的拼接模版的示意图；
图5示意性地示出了保持图4所示的拼接模版的夹具；
图6示出了矩形的拼接模版及其夹具的示例；
图7示意性地示出了基板切割的另一方式；
图8示出了基于图7的切割方式得到的拼接模版及其夹具的示例；
图9示意性地示出了多种拼接用基板进行拼接的一个示例；
图10为利用拼接模版制造微纳光学器件的过程的示意图；以及
图11为利用根据本发明实施例的方法制造的微纳光学器件的示例的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1为根据本发明实施例的微纳光学器件制造方法100的流程图。如图1所示，微纳光学器件制造方法100包括以下处理：
S110：将形成有第一微纳结构的第一基板按照第一预定尺寸切割，得到第一拼接用基板；
S120：将形成有第二微纳结构的第二基板按照第二预定尺寸切割，得到第二拼接用基板，第二微纳结构不同于第一微纳结构；
S130：将第一拼接用基板与第二拼接用基板拼接并固定在一起，得到拼接模版；
S140：利用拼接模版转印得到形成有第一和第二微纳结构的压印模版；以及
S150：利用压印模版通过微纳米压印制造微纳光学器件。
在处理S110和S120中，将形成有不同微纳结构的第一基板和第二基板切割，分别得到第一拼接用基板和第二拼接用基板。应该理解，在本申请中，“第一”、“第二”及类似表述仅仅为了表示区分，而不表示任何特定的顺序。方法100中的处理S110和S120尽管示出为按照先后顺序来进行，但是它们可以并行进行或者在时间上部分重叠地进行，也可以先后顺序颠倒；本发明在此方面不受限制。
为了便于理解，首先，参照图2介绍第一基板和第二基板的示例。如图2所示，在第一基板1上形成有第一微纳结构A，在第二基板2上形成有第二微纳结构B。在图2所示示例中，第一基板1和第二基板2具有相同大小的圆形形状，并分别沿着相同的切割线CL被切割，使得切割所得到的第一拼接用基板1a和第二拼接用基板2a具有适合于拼合的预定尺寸。第一拼接用基板1a和第二拼接用基板2a可以均具有长条形形状。
图3为第一微纳结构和第二微纳结构的示例的示意性剖面图。如图3所示，第一微纳结构A可以具有台阶状形貌，第二微纳结构B可以具有曲面形貌。例如，第一微纳结构A可以为对应于衍射光学元件结构的形貌，第二微纳结构B为对应于微透镜阵列结构的形貌。
根据本发明的其它实施例，微纳光学器件制造方法100可以进一步包括制作第一基板的处理。在一些实施例中，可以优选利用半导体光刻和刻蚀工艺在晶圆上形成具有台阶状形貌的第一微纳结构A，并将形成有第一微纳结构A的晶圆用作第一基板1。在另一些实施例中，可以优选利用半导体光刻和刻蚀工艺在晶圆上形成第一微纳结构A，并将该第一微纳结构A转印到另一基板上，得到形成有第一微纳结构的第一基板1。在后一种情况下，仅作为示例，可以在形成有第一微纳结构的晶圆上利用例如电镀工艺形成镍板，该镍板具有转印的第一微纳结构A，可以用作第一基板。又例如，可以通过微纳米压印将形成在晶圆上的第一微纳结构转印到以玻璃或PET为基底的基板上，得到第一基板1。
类似地，根据本发明的其它实施例，微纳光学器件制造方法100还可以进一步包括制作第二基板的处理。在一些实施例中，可以优选利用灰度曝光工艺在光刻胶上形成具有曲面形貌的第二微纳结构B，并将形成有第二微纳结构B的光刻胶及其所附的晶圆/基板作为第二基板2。在另一些实施例中，可以优选利用灰度曝光工艺在光刻胶上形成第二微纳结构B，并将该第二微纳结构B转印到另一基板上(例如通过电镀转印到镍板上，或通过微纳米压印转印到以玻璃或PET为基底的基板上)，得到形成有第二微纳结构的第二基板2。“灰度曝光”可以通过例如激光直写曝光、灰度掩膜曝光或者双光子干涉曝光等技术来实现。
为了便于拼接，优选地，第一基板1与第二基板2包括相同的硬质基底，例如相同规格的晶圆。
如图4所示，在处理S130中将第一拼接用基板1a与第二拼接用基板2a拼接并固定在一起，得到拼接模版10。拼接模版10可以包括多个第一拼接用基板1a和多个第二拼接用基板2a。图4中图形(4a)和(4b)示出圆形的第一基板1和第二基板2切割后得到的第一和第二拼接用基板1a、2a可以拼接得到两个拼接模版10、10’。然而，应该理解，这仅仅是示例性的，而非限制性的。
在处理S130中可以采用专用的夹具来保持拼接模版。图5示意性地示出了保持图4所示的拼接模版10的夹具H。夹具H可以包括能够移动以相对于彼此远离或靠近的两个以上的夹臂。在图5所示示例中，夹具H的各个夹臂的与拼接模版10接触的表面具有圆弧廓形。
在拼接模版10中，第一拼接用基板1a上的第一微纳结构A与第二拼接用基板2a上的第二微纳结构B彼此邻近，优选彼此毗邻(见图6)。这样，基于拼接模版10制造得到的微纳光学器件中，对应于第一微纳结构A和第二微纳结构B的微纳光学元件之间可以彼此毗邻地集成在一起，有利于减小器件尺寸以及/或者提高器件的光学性能，例如减少由于微纳光学元件之间的间隙区域的漏光而造成的杂散光。
如图4和图5所示，第一拼接用基板1a可以包括形成有第一微纳结构A的多个第一区域，第二拼接用基板2a可以包括形成有第二微纳结构B的多个第二区域。优选在拼接模版10中，多个第一区域分别与多个第二区域中对应的一个毗邻。
应该理解，以上结合图2、图4和图5介绍的由圆形的第一基板1和第二基板2经过处理S110～S130得到圆形拼接模版10仅仅是示例性的。第一和第二基板以及拼接模版可以具有其他适合的形状和尺寸。例如，圆形的第一基板和第二基板中可以切割得到相同长度的长方形拼接用基板，并且拼接得到矩形的拼接模版。图6示出了长方形的拼接模版以及用于保持其的夹具的一个示例，其中拼接模版10包括多个第一拼接用基板1a和多个第二拼接用基板2a，第一拼接用基板1a与第二拼接用基板2a间隔摆放，并且第一拼接用基板1a上的第一微纳结构A与第二拼接用基板2a上的第二微纳结构B彼此毗邻/邻接。
在优选实施例中，为了实现拼接模版中第一微纳结构A与第二微纳结构B的毗邻布置，在处理S110和/或处理S120中，除了沿着第一微纳结构A和第二微纳结构B的边缘进行切割的情形之外，也可以使切割线穿过形成有第一/第二微纳结构的区域，以进一步更好地消除第一/第二拼接用基板的切割边缘与微纳结构之间的间隙。例如，如图7所示，切割线CL可以对称地穿过形成有微纳结构A/B的多个区域。图8进一步示出了基于图7的切割方式得到的拼接模版及其夹具的示例。
此外，应该理解，根据本发明实施例的微纳光学器件制造方法100中拼接得到的拼接模版中可以进一步包括形成有不同于第一微纳结构和第二微纳结构的其它微纳结构的其它拼接用基板。图9示意性地示出了这样的一个示例，其中拼接模板10进一步包括第三拼接用基板3a和第四拼接用基板4a。然而图9所示仅为示例性的，拼接模版中所包括的不同基板的数量和排布方式可以根据需要而变化。
以上结合图2至图9介绍了根据本发明实施例的微纳光学器件制造方法100得到拼接模版的处理过程。接下来将结合图10介绍利用拼接模版制造微纳光学器件的处理，即图1所示处理S140和S150。
图10所示仅为利用拼接模版10制造微纳光学器件的过程的一个示例。在该示例中，在处理S140中，利用拼接模版10将第一微纳结构A和第二微纳结构B转印到柔性基材上，得到柔性的压印模版20，如图10中图形(10a)所示。柔性基材例如可以为PDMS(聚二甲基硅氧烷，Polydimethylsiloxane)、PUA(聚氨酯丙烯酸酯，polyurethaneacrylate)以及类似材料。
然后，在处理S150中，利用压印模版20通过微纳米压印技术制造微纳光学器件。如图10中图形(10b)和图形(10c)所示，可以利用压印模板20在待加工材料30上压印形成与第一微纳结构和第二微纳结构对应的微纳结构，得到转印结构40。待加工材料30可以为形成在例如玻璃基底或者PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯，polyethyleneterephthalate)基底上的聚合物材料，例如UV胶。然后，例如，对转印结构40切割、装配、封装等处理，得到微纳光学器件50。上述切割、装配、封装等处理可以通过已有的技术来实现，在此不再赘述。
最后，仅作为示例，在图11中示出了利用根据本发明实施例的微纳光学器件制造方法100制造得到的微纳光学器件的一个示例。如图11所示，微纳光学器件50包括基底50a和形成在基底50a上的第一微纳光学元件51和第二微纳光学元件52。基底50a例如可以由转印结构40中的基底构成，也可以进一步结合了其他基底结构。第一微纳光学元件51和第二微纳光学元件52分别由转印结构40中与第一微纳结构A和第二微纳结构B对应的部分构成。仅作为示例，第一微纳光学元件51和第二微纳光学元件52可以分别为DOE和MLA元件。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (11)
1.一种微纳光学器件制造方法，包括：
将形成有第一微纳结构的第一基板按照第一预定尺寸切割，得到第一拼接用基板；
将形成有第二微纳结构的第二基板按照第二预定尺寸切割，得到第二拼接用基板，所述第二微纳结构不同于所述第一微纳结构；
将所述第一拼接用基板与所述第二拼接用基板拼接并固定在一起，得到拼接模版；
利用所述拼接模版转印得到形成有所述第一微纳结构和第二微纳结构的压印模版；以及
利用所述压印模版通过微纳米压印制造微纳光学器件。
2.如权利要求1所述的微纳光学器件制造方法，其中，所述第一微纳结构具有台阶状形貌，所述第二微纳结构具有曲面形貌。
3.如权利要求1所述的微纳光学器件制造方法，其中，所述第一微纳结构为对应于衍射光学元件结构的形貌，所述第二微纳结构为对应于微透镜阵列结构的形貌。
4.如权利要求1-3中任一项所述的微纳光学器件制造方法，还包括：
利用半导体光刻和刻蚀工艺在晶圆上形成所述第一微纳结构，并将该第一微纳结构转印到所述第一基板上，得到所述形成有第一微纳结构的第一基板；以及
利用灰度曝光工艺在光刻胶上形成所述第二微纳结构，并将该第二微纳结构转印到所述第二基板上，得到所述形成有第二微纳结构的第二基板。
5.如权利要求1-4所述的微纳光学器件制造方法，其中，所述第一基板与所述第二基板包括相同的硬质基底，并且/或者所述第一基板和所述第二基板均具有长条形形状。
6.如权利要求1所述的微纳光学器件制造方法，其中，在所述拼接模版中，所述第一拼接用基板上的第一微纳结构与所述第二拼接用基板上的第二微纳结构毗邻。
7.如权利要求6所述的微纳光学器件制造方法，其中，所述第一拼接用基板包括形成有所述第一微纳结构的多个第一区域，所述第二拼接用基板包括形成有所述第二微纳结构的多个第二区域，并且在所述拼接模版中，所述多个第一区域分别与所述多个第二区域中对应的一个毗邻。
8.如权利要求1、6或7所述的微纳光学器件制造方法，其中，所述拼接模版包括多个所述第一拼接用基板和多个所述第二拼接用基板。
9.如权利要求8所述的微纳光学器件制造方法，其中，所述拼接模版还包括形成有不同于所述第一微纳结构和第二微纳结构的其它微纳结构的其它拼接用基板。
10.如权利要求1所述的微纳光学器件制造方法，其中，所述利用所述拼接模版转印得到形成有所述第一微纳结构和第二微纳结构的压印模版包括：
利用所述拼接模版将所述第一微纳结构和第二微纳结构转印到柔性基材上，得到柔性的压印模版。
11.如权利要求10所述的微纳光学器件制造方法，其中，所述柔性基材为PDMS材料。
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