CN113484945A - 一种基于pdms/pua相互复制的可变线密度光栅制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PDMS/PUA相互复制的可变线密度光栅制作方法，其特征在于通过拉伸PDMS光栅来改变其光栅线密度，并通过夹具固定其变形，接着通过PUA紫外固化胶对变形后的PDMS光栅图案进行复制记录。最后再以PUA为新的模板，再一次将光栅反复制到PDMS上；经过以上步骤，可以在不重新制作模板的情况下，改变光栅的线密度，并且上述过程可以重复几次，从而再次提高PDMS光栅的线密度。本发明工艺需要的设备简单，具有成本低、操作简单、生产周期短等优点。

Description

一种基于PDMS/PUA相互复制的可变线密度光栅制作方法

技术领域

本发明涉及一种基于PDMS/PUA相互复制的可变线密度光栅制作方法，属于微纳加工技术领域。

背景技术

光栅是由多条相互平行狭缝组成，利用多缝衍射原理，其广泛应用于光谱仪、光学信息处理和光学测量等领域。因此，开发高精度、低成本的光栅制造技术具有重要意义。

目前主要的光栅制作方法包括机械刻划法，掩膜版曝光法，全息光刻法，电子束光刻法，纳米压印法等。

机械划线法可以制作出具有特定槽形和高深宽比的光栅。然而，由于刀盘尺寸和步进精度的限制，这种方法不能制作出高线密度的光栅结构。掩模接触曝光方法简单，但分辨率有限。全息光刻是一种基于光干涉效应的无掩模光刻技术。这种方法可以制作大面积、高线密度的光栅，但对曝光参数和光路设计有一定的要求。EBL和FIB使用电子束或离子束将图案直接写入光刻胶。这些方法可以制作出特征尺寸小于10nm的光栅图形。因此，它们具有高分辨率、高精度的优点，同时也存在产量低、成本高等缺点。

纳米压印是一种通过模板将图案直接转移到其他基底上的方法。纳米压印技术以其高分辨率、大批量生产、低成本、高一致性等优点在工业上得到了广泛的应用。纳米压印技术的前提是模板的制备。传统的模板衬底材料是硅和玻璃。近年来，聚合物材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)，因其柔韧性和低表面能而得到广泛应用,。此外，PDMS是一种完全透明的材料，因此，它本身可以用作光栅基板材料，而无需转移到其他基板上。然而，要获得PDMS光栅，仍然需要先用接触曝光和全息光刻等传统方法制作模板，然后通过复制过程将图案转移到PDMS上。为了获得更高线密度的PDMS光栅，必须制作新的模板，这无疑增加了生产成本和周期。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，利用超弹性PDMS，以及PDMS/PUA相互复制工艺提出了一种基于PDMS/PUA相互复制的可变线密度光栅制作方法，通过拉伸PDMS光栅来改变其光栅线密度，并通过夹具固定其变形。接着通过聚氨酯丙烯酸酯紫外固化胶(PUA)对变形后的PDMS光栅图案进行复制记录。最后再以PUA为新的模板，再一次将光栅反复制到PDMS上。通过该方法，可以在不重新制作模板的情况下，改变光栅的线密度。并且上述过程可以重复几次，从而再次提高PDMS光栅的线密度。与其它技术相比，该工艺需要的设备简单，具有成本低、操作简单、生产周期短等优点。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种基于PDMS/PUA相互复制的可变线密度光栅制作方法的特点是，首先通过掩膜版曝光方式制作原始光栅模板。第二，通过PDMS将原始光栅进行复制，得到PDMS光栅结构。第三，通过精密拉伸机构将PDMS沿着光栅线条方向拉伸改变其光栅密度。将PUA倾倒在拉伸变形后的PDMS上，接着通过紫外光固化PUA。由于PUA和PDMS表面能都很低且不互溶，因此待PUA固化完全后，可以与PDMS分离，从而将变形后的PDMS光栅图案转移到PUA上，此时即得到了高线密度的PUA光栅模板。最后，再以PUA为新的模板，倾倒PDMS溶液，再一次将光栅转移到PDMS上，从而获得了高线密度的PDMS光栅模板。上述过程可以重复几次，从而进一步提高PDMS光栅的线密度。

该可变线密度光栅制作方法是按如下步骤操作：

a、以玻璃片为基底，在经预处理的玻璃片的表面旋涂一层厚度为1.6微米的AZ5530光刻胶，在90℃下烘烤30分钟，接着以掩模板曝光的方式在曝光机下曝光，，再在质量百分比浓度为0.25％的NaOH溶液中显影，将掩模板上的光栅图形复刻到AZ5530光胶层上显影完成后通过去离子水冲净，并氮气吹干，至于烘箱中90摄氏度烘烤20分钟，除去水汽，防止后面PDMS复制图形时产生水气泡。至此完成光栅母版的制作。

b、将上述光刻胶光栅结构，置于模具盒内，将配置好的PDMS溶液浇铸到光栅上，烘箱内烘烤固化PDMS。由于固化的PDMS材料表面能很低，可以轻松的将PDMS从光栅模板上撕下来，从而获得PDMS光栅模板。

c、将上述的PDMS光栅切割成合适的尺寸，固定在的高精度拉伸实验台上，实验台包括光学平板底座，左位移平台、右位移平台、左PDMS夹具、右PDMS夹具、上升下降机构、支撑板。用左、右PDMS夹具夹住PDMS两端后，利用左、右平移台，将PDMS光栅沿线方向拉伸。同时在升降台上放置一块干净的玻璃片，升降平台驱动玻璃上升并接触PDMS，此玻璃作为支撑。

接着，将PUA溶液(含1.5％TOP-L紫外光引发剂)倒在PDMS光栅上。PUA完全覆盖光栅后，静置5分钟。然后，使用一块薄且干净的玻璃片覆盖PUA溶液，在覆盖过程中应避免气泡产生，这样能保证复制后的PUA基底平整，保持5分钟，直到溶液完全流入光栅槽底部。接着，使用365nm紫外热灯固化PUA，固化时间为15min。固化后的PUA很容易从PDMS中分离出来。通过这种方法，PDMS光栅图形被转移到PUA上。PUA静置和曝光固化过程最好在水平工作台上进行，以确保PUA基板背面的平整度。

d、接着将PUA光栅模板放模具盒内。然后将配置好的PDMS溶液倾倒在PUA光栅上,待PDMS完全覆盖光栅结构且液面平整后，烘箱内烘烤固化PDMS。自然冷却后，将固化的PDMS与PUA模板剥离。这样再一次将光栅转移到PDMS上，从而获得了高线密度的PDMS光栅模板。

所述步骤a中对于玻璃片的预处理是，首先将玻璃片用清水和丙酮清洗后，然后置于烘箱中，在130℃下烘烤20分钟除去水汽和残余丙酮，烘烤后进行氧气等离子体处理，所述氧气等离子体处理的真空度为10-20Pa，功率为60W，轰击时间为30分钟。本发明对1.6微米厚的AZ5530光刻胶的，曝光时间1分钟30秒，紫外波长365nm，曝光时间和光刻机的紫外功率有关。曝光时间短，则显影时很难到底，且太长的显影时间会造成光刻胶表面脱落，图形会不好看，也不利于后期的复制。但太长的曝光，会由于光的散射效应导致过曝，显影时会大面积的脱胶。这里，曝光时间长短的选取原则是保证后续显影时间控制在1分钟以内为宜。本发明显影参数是在质量百分比浓度为0.25％的NaOH溶液中显影1分钟。

本发明原始光栅模板通过掩膜版式曝光的方式制作完成的。这里也可以通过全息光刻/刻蚀、电子束等其他光栅加工方法制作原始光栅。

所述步骤b和d中，使用的PDMS是sylgard 184型硅橡胶，由于后期需要通过压力使得PDMS变形，因此这里需要配置超弹性的PDMS。本发明采用的主剂和固化剂比例为20:1。主剂和固化剂充分混合后，放置与真空箱内抽真空除去气泡，完成PDMS溶液的配置。PDMS复制和固化工艺是待PDMS完全覆盖光栅结构且液面平整后，至于烘箱上以45摄氏度预热30分钟，接着再以60摄氏度加热固化30分钟，最后以90摄氏度加热固化1小时。采用这种渐变的加热方式，主要是防止气泡的产生。

所述步骤b中，设计了一模具盒，该模具盒槽深比玻璃基底厚度高1mm，因此最后获得PDMS的厚度约为1mm。

所述步骤c，在实施复制步骤之前，先将PDMS通过三甲基氯硅烷(chlorotrimethylsilane)进行表面处理，这样有利于后续的脱模，处理方法是将PDMS放入玻璃皿内，在玻璃皿周边滴入几滴三甲基氯硅烷，盖上玻璃皿，自然蒸发3分钟，形成一层低表面能的膜。

所述步骤d，在实施复制过程之前，在PUA光栅模板需要继续紫外曝光1小时，这样可以消除PDMS在PUA模板上难以固化的问题。且曝光一小时后，通过三甲基氯硅烷进行表面处理，这样有利于后续的脱模。

所述步骤c，d过程可以经过几次，从而可以获得更高线密度的PDMS光栅。但此过程也不是可以无限重复的，一方面，每次复制都会有少许质量损伤，而且经过拉伸，光栅的高度也会有所缩小。

与已有技术相比，本发明的有益技术效果体现在：

1、本发明利用超弹性PDMS及紫外固化胶PUA，通过这两种材料的相互复制技术，提出了一种可以改变PDMS光栅密度的加工方法。该方法可以在不重新制作高线密度模板的情况下，提高光栅的线密度。

2、本发明提出基于PDMS/PUA相互复制的可变线密度光栅制作方法，可以重复数次，从而可以获得更高线密度的PDMS光栅。

3、本发明使用PUA紫外固化胶材料来记录拉伸后的PDMS光栅，具有稳定性好，复制效果好的优点。

4、与其它光栅制作技术相比，该工艺需要的设备简单，具有成本低、操作简单、生产周期短等优点。

附图说明

图1是原始光栅模板的制作工艺图；

图2是PDMS光栅制作工艺图；

图3高精度拉伸复制平台及PUA复制工艺示意图；

图4PDMS反复制工艺示意图；

图中标号：1为石英玻璃基底，2为光刻胶，3为掩膜版，4为紫外曝光，5为光刻胶光栅，6为PDMS溶液，7为模具盒(一)，8为PDMS光栅，9为光学平板底座，10为左位移平台，11为右位移平台，12为左PDMS夹具。13为右PDMS夹具，14为上升下降机构，15为支撑板，16为干净的玻璃片，17为薄玻璃片，18为PUA光栅模板，19为模具盒(二)，20为新的高线密度PDMS光栅。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明基于微流控技术的微透镜阵列的制作方法包括以下步骤：a、原始光栅模板的制作。b、PDMS复制原始光刻胶模板。c、拉伸PDMS并利用PUA复制光栅图案。d、以新的PUA为模板，再次复制得到新的高线密度的PDMS光栅。具体细节如下：

a、原始光栅模板的制作

工艺流程示意图如图1所示。

第一，取一片表面平整的石英玻璃基底1，将石英玻璃用清水和丙酮清洗后，置于烘箱中，在130℃下烘烤20分钟除去水汽和残余丙酮。自然冷却后，放入氧离子灰化机中灰化30分钟以增强其表面粘附力，防止后续显影过程脱胶。灰化机压强为10～20Pa，功率为60W。前处理好石英基片后，将通过掩膜版3曝光的方式制作原始光栅结构。本发明使用的光刻胶2型号是AZ5530，原光刻胶经过环戊酮以体积比2:1的方式稀释，这样旋涂的后胶层较薄，有利于后面的曝光及显影到底。将稀释后的光刻胶均匀滴在玻璃片上后，以800转/分钟的转速匀胶10秒，紧接着1500转/分钟的转速匀胶40秒，此时光刻胶厚约1.6微米；随后将其置于90℃烘箱中15分钟，以完全去除多余溶剂。

第三，对上述基片进行掩膜版式曝光。其中掩膜版是定制的镀铬掩膜版3，本发明制作的光栅为100线/毫米(即周期为10微米)，占空比为1:1。将掩膜版镀铬面贴紧光刻胶后，进行紫外曝光4，曝光时间1.5分钟，波长365nm。曝光时间和光刻机的紫外功率有关。曝光时间短，则显影时很难到底，且太长的显影时间会造成光刻胶表面脱落，图形会不好看，也不利于后期的复制。但太长的曝光，会由于光的散射效应导致过曝，显影时会大面积的脱胶。这里，曝光时间长短的选取原则是保证后续显影时间控制在1分钟以内为宜。

第四，曝光后，将基片至于质量百分比为2.5‰NaOH溶液中显影，显影时长约为1分钟；此处不能用太高浓度的氢氧化钠溶液，否则容易显影太快而脱胶。显影完成后将制得原始光刻胶光栅5。本发明制作的原始光栅周期为10微米、占空比为1:1、深度约为1.6微米。

第五，显影完成后通过去离子水冲净，并氮气吹干，至于烘箱中90摄氏度烘烤20分钟，除去水汽，防止后面PDMS复制图形时产生水气泡。

b、PDMS复制原始光刻胶模板，工艺流程示意图如图2所示。

首先是配置PDMS溶液6，本发明PDMS选用是sylgard 184型硅橡胶，其需要将主剂与固化剂按照一定比例搅拌混合后使用。由于后期需要拉伸PDMS，因此这里需要配置超弹性的PDMS。本发明采用的主剂和固化剂比例为20:1。主剂和固化剂充分混合后，放置与真空箱内抽真空除去气泡，自此完成PDMS溶液的配置。

第二是PDMS复制光栅图案。为了获得厚度一致的PDMS，本发明设计了一模具盒(一)7。将上述光刻胶光栅模板5放在模具盒(一)内。将PDMS溶液6倾倒在上述光刻胶光栅模板上。待PDMS完全覆盖光栅结构并待液面平整后，至于烘箱上以45摄氏度预热30分钟，接着再以60摄氏度加热固化30分钟，最后以90摄氏度加热固化1小时。采用这种渐变的加热方式，主要是防止气泡的产生。待PDMS完全固化后自然冷却到室温。由于固化的PDMS材料表面能很低，可以轻松的将PDMS从光栅模板上撕下来，从而获得带有光栅结构的PDMS光栅8模板。本发明的所用的模具盒槽深比玻璃基底厚度高1mm，因此最后获得PDMS的厚度约为1mm。

c、拉伸PDMS并利用PUA复制光栅图案

在实施复制步骤之前，先将PDMS光栅通过三甲基氯硅烷(chlorotrimethylsilane)进行表面处理，这样有利于后续的脱模，处理方法是将PDMS放入玻璃皿内，在玻璃皿周边滴入几滴三甲基氯硅烷，盖上玻璃皿，自然蒸发3分钟，形成一层低表面能的膜。

将上述的PDMS光栅8切割成合适的尺寸，固定在的高精度拉伸实验台上，如图3所示。实验台包括光学平板底座9，左位移平台10、右位移平台11、左PDMS夹具12、右PDMS夹具13、上升下降机构14、支撑板15。

用左、右PDMS夹具夹住PDMS两端后，利用左、右平移台，将PDMS光栅沿线方向拉伸。左右平移具有刻度值，可以精确的控制拉伸的比例。同时在升降台上放置一块干净的玻璃片16，升降平台驱动玻璃上升并接触PDMS，此玻璃作为支撑。

接着，将PUA溶液(含1.5％TOP-L紫外光引发剂)倒在PDMS光栅上。PUA完全覆盖光栅后，静置5分钟。然后，将另一块干净的薄玻璃片17覆盖PUA溶液，在覆盖过程中应避免气泡产生，这样能保证复制后的PUA基底平整，保持5分钟，直到溶液完全流入光栅槽底部。接着，使用365nm紫外热灯固化PUA，固化时间为15min。固化后的PUA很容易从PDMS中分离出来。通过这种方法，PDMS光栅图形被转移到PUA上18。PUA静置和曝光固化过程在水平工作台上进行，以确保PUA基板背面的平整度。

d、以新的PUA为模板，再次复制得到新的高线密度的光栅

在实施复制过程之前，在PUA光栅模板18需要继续紫外曝光1小时，这样可以消除PDMS在PUA模板上难以固化的问题。曝光一小时后，通过三甲基氯硅烷进行表面处理，这样有利于后续的脱模。接着将PUA光栅模板18放入另一模具盒(二)19内。然后将配置好并除去气泡的PDMS溶液(主剂与固化剂以20:1配比混合)倾倒在PUA光栅上。待PDMS完全覆盖光栅结构且液面平整后，至于烘箱内以45摄氏度预热30分钟，接着再以60摄氏度加热固化30分钟，最后以90摄氏度加热固化1小时。自然冷却后，将固化的PDMS与PUA模板剥离。这样再一次将光栅转移到PDMS上，从而获得了新的高线密度PDMS光栅20。工艺流程示意图如4图所示。

上述过程c，d可以经过几次，从而可以获得更高线密度的PDMS光栅。但此过程也不是可以无限重复的，一方面，每次复制都会有少许质量损伤，而且经过拉伸，光栅的高度也会有所缩小。

Claims (7)

1.一种基于PDMS/PUA相互复制的可变线密度光栅制作方法，其特征是首先通过掩膜版曝光方式制作原始光栅模板；第二，通过PDMS将原始光栅进行复制，得到PDMS光栅结构；第三，通过精密拉伸机构将PDMS沿着光栅线条方向拉伸改变其光栅密度；将PUA倾倒在拉伸变形后的PDMS上，接着通过紫外光固化PUA；由于PUA和PDMS表面能都很低且不互溶，因此待PUA固化完全后，可以实现PUA和PDMS的分离，从而将变形后的PDMS光栅图案转移到PUA上，此时即得到了高线密度的PUA光栅模板；最后，再以PUA为新的模板，倾倒PDMS溶液，再一次将光栅转移到PDMS上，从而获得了高线密度的PDMS光栅模板；上述过程重复几次，从而进一步提高PDMS光栅的线密度；

所述可变线密度光栅制作方法是按如下步骤操作：

a、以玻璃片为基底，在经预处理的玻璃片的表面旋涂一层厚度为1.6微米的AZ5530光刻胶，在90℃下烘烤30分钟，接着以掩模板曝光的方式在曝光机下曝光，再在质量百分比浓度为0.25％的NaOH溶液中显影，将掩模板上的光栅图形复刻到AZ5530光胶层上显影完成后通过去离子水冲净，并氮气吹干，至于烘箱中90摄氏度烘烤20分钟，除去水汽，防止后面PDMS复制图形时产生水气泡；至此完成光栅母版的制作；

b、将上述光刻胶光栅结构，置于模具盒内，将配置好的PDMS溶液浇铸到光栅上，烘箱内烘烤固化PDMS；由于固化的PDMS材料表面能低，能将PDMS从光栅模板上撕下来，从而获得PDMS光栅模板；

c、将上述的PDMS光栅切割成合适的尺寸，固定在的高精度拉伸实验台上，实验台包括光学平板底座，左位移平台、右位移平台、左PDMS夹具、右PDMS夹具、上升下降机构、支撑板；用左、右PDMS夹具夹住PDMS两端后，利用左、右平移台，将PDMS光栅沿线方向拉伸；同时在升降台上放置一块干净的玻璃片，升降平台驱动玻璃上升并接触PDMS，此玻璃作为支撑；

接着，将PUA溶液倒在PDMS光栅上；PUA完全覆盖光栅后，静置5分钟；然后，使用一块薄且干净的玻璃片覆盖PUA溶液，在覆盖过程中应避免气泡产生，这样能保证复制后的PUA基底平整，保持5分钟，直到溶液完全流入光栅槽底部；接着，使用365nm紫外热灯固化PUA，固化时间为15min；将固化后的PUA从PDMS中分离出来；通过这种方法，PDMS光栅图形被转移到PUA上；PUA静置和曝光固化过程在水平工作台上进行，以确保PUA基板背面的平整度；

d、接着将PUA光栅模板放模具盒内；然后将配置好的PDMS溶液倾倒在PUA光栅上，待PDMS完全覆盖光栅结构且液面平整后，烘箱内烘烤固化PDMS；自然冷却后，将固化的PDMS与PUA模板剥离；这样再一次将光栅转移到PDMS上，从而获得了高线密度的PDMS光栅模板。

2.根据权利要求1所述的基于PDMS/PUA相互复制的可变线密度光栅制作方法，其特征是，所述步骤a中对于玻璃片的预处理是，首先将玻璃片用清水和丙酮清洗后，然后置于烘箱中，在130℃下烘烤20分钟除去水汽和残余丙酮，烘烤后进行氧气等离子体处理，所述氧气等离子体处理的真空度为10-20Pa，功率为60W，轰击时间为30分钟；对1.6微米厚的AZ5530光刻胶的，曝光时间1分钟30秒，紫外波长365nm，曝光时间和光刻机的紫外功率有关；曝光时间长短的选取原则是保证后续显影时间控制在1分钟以内为宜；显影参数是在质量百分比浓度为0.25％的NaOH溶液中显影1分钟；

原始光栅模板通过掩膜版式曝光的方式制作完成的；也可以通过全息光刻/刻蚀、电子束的其他光栅加工方法制作原始光栅。

3.根据权利要求1所述的基于微流控技术的微透镜阵列制作方法，其特征是，所述步骤b和d中，使用sylgard 184型硅橡胶，由于后期要通过压力使得PDMS变形，故要配置超弹性的PDMS；采用的主剂和固化剂比例为20:1；主剂和固化剂充分混合后，放置与真空箱内抽真空除去气泡，完成PDMS溶液的配置；PDMS复制和固化工艺是待PDMS完全覆盖光栅结构且液面平整后，至于烘箱上以45摄氏度预热30分钟，接着再以60摄氏度加热固化30分钟，最后以90摄氏度加热固化1小时；采用这种渐变的加热方式，以防止气泡的产生。

4.根据权利要求1所述的基于微流控技术的微透镜阵列制作方法，其特征是，所述步骤b中，设计一模具盒，该模具盒槽深比玻璃基底厚度高1mm，从而获得PDMS的厚度约为1mm。

5.根据权利要求1所述的基于微流控技术的微透镜阵列制作方法，其特征是，所述步骤c中，在实施复制步骤之前，先将PDMS通过三甲基氯硅烷进行表面处理，有利于后续的脱模，处理方法是将PDMS放入玻璃皿内，在玻璃皿周边滴入几滴三甲基氯硅烷，盖上玻璃皿，自然蒸发3分钟，形成一层低表面能的膜。

6.根据权利要求1所述的基于微流控技术的微透镜阵列制作方法，其特征是，在所述步骤d中，在实施复制过程之前，在PUA光栅模板要继续紫外曝光1小时，以消除PDMS在PUA模板上难以固化的问题；曝光一小时后，通过三甲基氯硅烷进行表面处理，有利于后续的脱模。

7.根据权利要求1所述的基于微流控技术的微透镜阵列制作方法，其特征是，在所述步骤c，d过程重复几次后，以获得更高线密度的PDMS光栅。

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