CN113696524A - 一种光学器件的微纳加工方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种光学器件的微纳加工方法，所述方法包括如下步骤：S101、对衬底基板进行预制加工，所述衬底基板包括第一表面和相背的第二表面，利用激光在所述衬底基板的第一表面上制备至少一个预制部；S102、将光学功能材料放入所述衬底基板的第一表面上制备的预制部内；S103、将放入所述预制部的光学功能材料进行热熔回流处理，冷却后得到光学器件。本申请的光学器件的微纳加工方法采用完全不同的技术路线，用激光对衬底基板进行预加工出预制部，将光学功能材料放入预制部并进行热熔回流处理，具有工艺控制过程简化、过程无污染、产品良率稳定的优点。
Description
技术领域
本申请涉及微纳加工技术领域，尤其涉及一种光学器件的微纳加工方法。
背景技术
模压成型技术是把软化的玻璃放入模具中，在加热加压和无氧的条件下，一次性直接模压成型出达到使用要求的光学器件。但是，玻璃熔点高且没有固定的熔点，玻璃软化的状态下极度粘稠、流动性差，现有的模具加工能力和模压工艺下挤压厚透镜，容易造成模具报废或者脱模后无法形成光学表面。因此，这种工艺无法生产厚透镜，一般只能生产长径比较小的薄透镜，而且只适合生产单透镜，难以生产阵列光学透镜，更无法实现特性参数差异化的阵列光学透镜的生产。
随着光通信产品的集成化程度越来越高，除了传统的集成电路之外，光路学器件也开始逐渐向光学集成化方向发展，尤其是在光波导器件领域，已经部分甚至全部采用了半导体加工工艺技术，微纳加工技术则是其中的一种。现有的光学器件的微纳加工采用刻蚀技术来完成，即使用光刻胶在被刻蚀衬底表面涂覆匀胶后，再采用掩膜板压印曝光，然后对曝光的光刻胶进行湿法刻蚀，再对被刻蚀后的光刻胶进行热熔回流成型，最后利用干法刻蚀对光刻胶及衬底进行保形刻蚀，直至在衬底上刻蚀出目标结构为止。采用湿法刻蚀，需要用到各种具有腐蚀性的化学试剂，如硝酸、氢氟酸等；而干法刻蚀同样要用到氟甲烷，六氟化硫等特殊化学物质，面临与湿法刻蚀同样的化学品使用管控问题。因此对生产操作的环境条件有较高要求，也不可避免的会产生相关的废气废液等特殊化学物质，需要有较高的环评资质等要求。另外由于湿法刻蚀对工艺条件要求也比较敏感，例如溶液的浓度、温度、空气环境的湿度等，都会影响产品的良品率。这些都造成了干法刻蚀和湿法刻蚀工艺一致性控制比较困难或者对工艺管控条件较高，使得原有的光学器件的微纳加工工艺控制复杂、环保配套要求高、产品良率不稳定。
发明内容
本申请的目的是提供一种和现有技术完全不同的技术路线，解决利用现有微纳加工技术制备光学器件工艺控制复杂、环保配套要求高、产品良率不稳定的问题。
为了达到上述目的，本申请采用下述技术方案：
本申请提供了一种光学器件的微纳加工方法，包括如下步骤：S101、对衬底基板进行预制加工，所述衬底基板包括第一表面和相背的第二表面，利用激光在所述衬底基板的第一表面上制备至少一个预制部；S102、将光学功能材料放入所述衬底基板的第一表面上制备的预制部内；S103、将放入所述预制部的光学功能材料进行热熔回流处理，冷却后得到光学器件。
在一些可选的实施例中，所述预制部包括孔、槽中的至少一种。
在一些可选的实施例中，所述预制部的长径比不小于3。
在一些可选的实施例中，步骤S101中，利用激光在所述衬底基板的第一表面上制备多个预制部，所述多个预制部以阵列排布形式形成在所述衬底基板的第一表面上。
在一些可选的实施例中，步骤S101中，所述衬底基板的材质为金属或非金属材料。
在一些可选的实施例中，步骤S102中，所述光学功能材料的材质为热熔性材料，或热固性材料。
在一些可选的实施例中，所述热熔型材料为低熔点玻璃、有机玻璃中的任一种；所述热固性材料为酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、APEL聚合物中的任一种。
在一些可选的实施例中，步骤S101中，利用激光在所述衬底基板的第一表面上制备多个预制部；在步骤S102之后，在步骤S103之前还包括步骤S104：对一个或多个所述预制部内的光学功能材料进行修整，以调整多个所述预制部内的微纳单元之间的差异。
在一些可选的实施例中，所述修整是通过激光切割、金刚石切割片、等离子切割中的至少一种实现的。
在一些可选的实施例中，对一个或多个所述预制部内的光学功能材料进行修整包括：通过激光对一个或多个所述预制部内的光学功能材料进行切割，差异化地去除部分光学功能材料。
在一些可选的实施例中，在步骤S103之后还包括步骤S105：移除所述衬底基板的第二表面上的部分衬底基板，以露出部分或全部的所述预制部的光学功能材料。
本申请还提供了一种光学器件的微纳加工方法，包括如下步骤：S201、衬底基板包括第一表面和相背的第二表面，将光学功能材料放置在所述衬底基板的第一表面上；S202、将光学功能材料进行热熔回流处理，冷却后得到光学器件。
在一些可选的实施例中，步骤S201中，所述光学功能材料放置在所述衬底基板的第一表面上的阵列排布形式的多个区域。
在一些可选的实施例中，步骤S201中，所述衬底基板的材质为光学功能材料。
在一些可选的实施例中，步骤S201中，所述光学功能材料的材质为热熔性材料，或热固性材料。
在一些可选的实施例中，步骤S201中，将光学功能材料放置在所述衬底基板的第一表面上间隔分布的多个区域；在步骤S201之后，在步骤S202之前还包括步骤S203：对所述衬底基板的第一表面上一个或多个区域的光学功能材料进行修整，以调整多个区域的所述光学功能材料之间的差异。
与现有技术相比，本申请的有益效果至少包括：
本申请的光学器件的微纳加工方法采用完全不同的技术路线，用激光对衬底基板进行预加工出预制部，将光学功能材料放入预制部并进行热熔回流处理。上述方法具有工艺控制过程简化、过程无污染、产品良率稳定的优点。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种光学器件的微纳加工方法的流程示意图；
图2为本申请实施例提供的一种光学器件的微纳加工方法的步骤S101中的加工件的截面示意图；
图3为本申请实施例提供的一种光学器件的微纳加工方法的步骤S102中的加工件的截面示意图；
图4为本申请实施例提供的一种光学器件的微纳加工方法的步骤S103中的加工件的截面示意图；
图5为本申请实施例提供的又一种光学器件的微纳加工方法的流程示意图；
图6为本申请实施例提供的又一种光学器件的微纳加工方法的流程示意图；
图7为本申请实施例提供的一种光学器件的微纳加工方法的步骤S105中的加工件的截面示意图；
图8为本申请实施例提供的一种光学耦合阵列透镜的结构示意图；
图9为本申请实施例提供的又一种光学器件的微纳加工方法的流程示意图；
图10为本申请实施例提供的一种光学器件的微纳加工方法的步骤S201中的加工件的截面示意图；
图11为本申请实施例提供的一种光学器件的微纳加工方法的步骤S202中的加工件的截面示意图；
图12为本申请实施例提供的又一种光学器件的微纳加工方法的流程示意图；
图示：100、衬底基板；200、预制部；300、光学功能材料。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本申请做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
参见图1至图4，本申请实施例提供了一种光学器件的微纳加工方法，所述光学器件可以为光波导器件，也可以为其它光学器件。所述方法包括步骤S101～S103。
步骤S101：对衬底基板100进行预制加工，所述衬底基板100包括第一表面和相背的第二表面，利用激光在所述衬底基板100的第一表面上制备至少一个预制部200。在对衬底基板100进行与之加工时，可以通过激光切割机提供稳定的激光以制备预制部200。激光切割机的功率可选范围大，因此可以根据光学器件加工尺寸的要求不同、加工形状的不同、加工深度不同等选择合适的激光切割机，以提供适合波长和脉冲特性的激光。
步骤S102：将光学功能材料300放入所述衬底基板100的第一表面上制备的预制部200内。
步骤S103：将放入所述预制部200的光学功能材料300进行热熔回流处理，冷却后得到光学器件。其中，热熔回流指的是高温状态下将光学功能材料300熔化，熔化后的光学功能材料300通过液体流动的方式回流形成我们所需的表面状态的过程。
在光学器件的微纳加工方法过程中，省去了干法和湿法刻蚀工艺，不需要各种具有腐蚀性的化学试剂，不会受溶液的浓度、温度、空气环境的湿度等对工艺造成影响。由此，上述光学器件的微纳加工方法具有工艺控制过程简化、过程无污染、产品良率稳定的优点。
在一些实施例中，所述预制部200包括孔、槽中的至少一种。也就是说预制部200可以根据加工的光学器件的结构和设计形式进行选择，预制部200可以是孔，孔例如是圆孔或方孔等，预制部200还可以是槽，槽例如是圆形槽、方形槽等，预制部200还可以是孔和槽的结合体。
在一个具体实施方式中，预制部的长径比不小于3。例如，预制部200为圆孔状，圆孔状的预置部200的直径为100μm，圆孔状的预置部200的深度为600μm，预制部的长径比可以达到6；预制部200为槽状，槽状的预置部200的长边为80μm，槽状的预置部200的深度为480μm，预制部的长径比可以达到6。由此，相比现有技术中模压工艺无法挤压成型厚透镜的缺陷，可以满足各种厚透镜生产的需求。
在一个具体实施方式中，衬底基板100的第一表面上制备两个预制部200，所制备的预制部200分别是孔状预制部200和槽状预制部200。将光学功能材料300放入两个预制部200，对放入两个预制部200的光学材料进行热熔回流处理，冷却后得到两个不同形状的预制部200的光学器件。由此，预制部200可选择的多样性，可以满足光学器件的更多结构需求。
在步骤S101中，利用激光在所述衬底基板100的第一表面上制备多个预制部200，所述多个预制部200以阵列排布形式形成在所述衬底基板100的第一表面上。预制部200的阵列排布可以是单列的阵列排布，也可以是正方形阵列排布、长方形阵列排布、菱形阵列排布、波浪形阵列排布等，可以根据所加工的光学器件的需求进行选择。由此，可以实现多种阵列排列形式的光学器件加工。
在步骤S101中，所述衬底基板100的材质可以是金属或非金属材料。衬底基板100除了起到支撑作用之外，还可以作为功能部件使用。所述金属材料可以是光通信常用的金属材料，包括但不仅限于钨铜合金、可伐合金、不锈钢中的至少一种；所述非金属材料包括但不仅限于石英玻璃或氮化铝陶瓷中的至少一种。
在一具体的应用场景中，通过本微纳加工方法进行双胶合透镜的加工，衬底基板100由石英玻璃制备而成，光学功能材料300选用低熔点玻璃，衬底基板100除了起到支撑作用，还可以作为功能部件的一部分和低熔点玻璃构成双胶合透镜。
在一具体的应用场景中，通过本微纳加工方法进行光入射光学元件的加工，衬底基板100由不锈钢制备而成，光学功能材料300选用低熔点玻璃，衬底基板100除了起到支撑作用，还可以作为功能部件的一部分在光入射光学元件中起到光反射功能。
由此，可以基于衬底基板100的不同选择，加工出具有不同功能的光学器件。
在步骤S102中，所述光学功能材料300的材质为热熔性材料，或热固性材料。其中，所述热熔型材料可以为低熔点玻璃、有机玻璃中的任一种；所述热固性材料可以为酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、APEL聚合物中的任一种。
在一具体的应用场景中，光学功能材料300的材质为低熔点玻璃，低熔点玻璃在200℃～800℃低温熔化后，由于表面张力和重力作用，通过液体流动的方式回流形成我们所需的表面状态。相对于其他光学功能材料300，低熔点玻璃具有透光性好、化学性能稳定、硬度高、熔融温度容易实现的优点。
在一具体的应用场景中，光学功能材料300的材质为APEL聚合物，APEL聚合物具有优异的熔融流动性与加工成型性，在不用过多考虑寿命的快速消费品领域提供新的选择。
由此，可以基于光学功能材料300的不同选择，加工出具有不同功能的光学器件。
在步骤S101中，利用激光在所述衬底基板100的第一表面上制备多个预制部200。参见图5，在步骤S102之后，在步骤S103之前还包括步骤S104：对一个或多个所述预制部200内的光学功能材料300进行修整，以调整多个所述预制部200内的微纳单元之间的差异。
其中，所述修整可以是通过激光切割、金刚石切割片、等离子切割中的至少一种实现的。由此，通过修整，可以差异化地切除部分光学功能材料，从而使成型后形成的阵列中的每个个体单元的面型都做到差异化，满足更多样化的生产需求，这是现有刻蚀技术难以实现的结构。
参见图6和图7，在步骤S103之后还可以包括步骤S105：移除所述衬底基板100的第二表面上的部分衬底基板100，以露出部分或全部的所述预制部200的光学功能材料300。由此，当只考虑光学功能材料300熔融后的光学特性时，可以在得到冷却的光学器件后移除部分衬底基板100，达到预期的设计效果。
为更好的理解本申请的技术方案，下面进行举例说明：
利用本申请的光学器件的微纳加工方法，加工如图8所示的10×10的光学耦合阵列透镜。首先，所使用的衬底基板100是石英玻璃，在衬底基板100的一个表面上制备多个预制部200，所制备的预制部200是孔状，孔状预制部200的直径为100μm，孔与孔之间为10×10的阵列排列，孔与孔之间间隔为125μm，每个孔的深度为500μm，使用皮秒激光器制备孔状预制部200，该皮秒激光器的波长为1064nm，功率为100W。
将熔点在450℃的低熔点玻璃放入每个预制部200，使450℃～550℃的高温作用于低熔点玻璃使其热熔回流，低熔点玻璃熔化后填充每个孔状的预制部200，同时熔融状态的低熔点玻璃在衬底表面形成阵列光学透镜表面。
低熔点玻璃冷却后，将石英玻璃衬底的底面打磨直至漏出低熔点光学功能材料300，制成10×10的光学耦合阵列透镜，其中每个光学耦合透镜的长径比都大于3。
上述光学器件的微纳加工方法，与现有技术的光刻热熔后保形干刻的方法相比使用完全不同的技术路线，工艺控制过程简化、过程无污染、产品良率稳定；微纳加工方法还可以通过调整放入功能材料体积进行差异化控制阵列光学透镜中每个透镜的个体参数，这是现有技术无法做到的。
相比模压成型技术，上述光学器件的微纳加工方法使用激光在所述衬底基板100的第一表面上制备预制部200，光学功能材料300可以使用低熔点玻璃，能够生产出厚透镜和参数差异化的阵列光学透镜。
参见图9至图11，本申请实施例提供了另一种光学器件的微纳加工方法，所述光学器件可以为光波导器件，也可以为其它光学器件。所述方法包括步骤S201～S202。
步骤S201：衬底基板100包括第一表面和相背的第二表面，将光学功能材料300放置在所述衬底基板100的第一表面上。
步骤S202：将光学功能材料300进行热熔回流处理，冷却后得到光学器件。
其中，热熔回流指的是高温状态下将光学功能材料300熔化，熔化后的光学功能材料300通过液体流动的方式回流形成我们所需的表面状态的过程。
在光学器件的微纳加工方法过程中，省去了干法和湿法刻蚀工艺，不需要各种具有腐蚀性的化学试剂，不会受溶液的浓度、温度、空气环境的湿度等对工艺造成影响。由此，上述光学器件的微纳加工方法具有工艺控制过程简化、过程无污染、产品良率稳定的优点。
在步骤S201中，光学功能材料300可以放置在所述衬底基板100的第一表面上的阵列排布形式的多个区域。阵列排布可以是单列的阵列排布，也可以是正方形阵列排布、长方形阵列排布、菱形阵列排布、波浪形阵列排布等，可以根据所加工的光学器件的需求进行选择。由此，可以实现多种阵列排列形式的光学器件加工。
在步骤S201中，所述衬底基板100的材质可以为光学功能材料，也可以为非光学功能材料。由此，可以根据客户需求进行放置，可以满足生产的更多需求。
在步骤S201中，所述光学功能材料300的材质为热熔性材料，或热固性材料。其中，所述热熔型材料可以为低熔点玻璃、有机玻璃中的任一种；所述热固性材料可以为酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、APEL聚合物中的任一种。
在一具体的应用场景中，光学功能材料300的材质为低熔点玻璃，低熔点玻璃在200℃～800℃低温可以熔化，由于表面张力和重力作用，通过液体流动的方式回流形成我们所需的表面状态。相对于其他光学功能材料300，低熔点玻璃具有透光性好、化学性能稳定、硬度高、熔融温度容易实现的优点。
在一具体的应用场景中，光学功能材料300的材质为APEL聚合物，APEL聚合物具有优异的熔融流动性与加工成型性，在不用过多考虑寿命的快速消费品领域提供新的选择。
由此，可以基于光学功能材料300的不同选择，加工出具有不同功能的光学器件。
参见图12，在步骤S201中，将光学功能材料300放置在所述衬底基板100的第一表面上间隔分布的多个区域。在步骤S201之后，在步骤S202之前还包括步骤S203：对所述衬底基板100的第一表面上一个或多个区域的光学功能材料300进行修整，以调整多个区域的所述光学功能材料300之间的差异。
其中，所述修整可以是通过激光切割、金刚石切割片、等离子切割中的至少一种实现的。由此，通过修整，可以差异化地切除部分光学功能材料300，从而使成型后形成的阵列中的每个个体单元的面型都做到差异化，满足更多样化的生产需求，这是现有刻蚀技术难以实现的结构。
本申请从使用目的上，效能上，进步及新颖性等观点进行阐述，已符合专利法所强调的功能增进及使用要件，本申请以上的说明书及说明书附图，仅为本申请的较佳实施例而已，并非以此局限本申请，因此，凡一切与本申请构造，装置，特征等近似、雷同的，即凡依本申请专利申请范围所作的等同替换或修饰等，皆应属本申请的专利申请保护的范围之内。
Claims (16)
1.一种光学器件的微纳加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
S101、对衬底基板进行预制加工，所述衬底基板包括第一表面和相背的第二表面，利用激光在所述衬底基板的第一表面上制备至少一个预制部；
S102、将光学功能材料放入所述衬底基板的第一表面上制备的预制部内；
S103、将放入所述预制部的光学功能材料进行热熔回流处理，冷却后得到光学器件。
2.如权利要求1所述的微纳加工方法，其特征在于，所述预制部包括孔、槽中的至少一种。
3.如权利要求2所述的微纳加工方法，其特征在于，所述预制部的长径比不小于3。
4.如权利要求1所述的微纳加工方法，其特征在于，步骤S101中，利用激光在所述衬底基板的第一表面上制备多个预制部，所述多个预制部以阵列排布形式形成在所述衬底基板的第一表面上。
5.如权利要求1所述的微纳加工方法，其特征在于，步骤S101中，所述衬底基板的材质为金属或非金属材料。
6.如权利要求1所述的微纳加工方法，其特征在于，步骤S102中，所述光学功能材料的材质为热熔性材料，或热固性材料。
7.如权利要求6所述的微纳加工方法，其特征在于，所述热熔型材料为低熔点玻璃、有机玻璃中的任一种；
所述热固性材料为酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、APEL聚合物中的任一种。
8.如权利要求1所述的微纳加工方法，其特征在于，步骤S101中，利用激光在所述衬底基板的第一表面上制备多个预制部；
在步骤S102之后，在步骤S103之前还包括步骤S104：对一个或多个所述预制部内的光学功能材料进行修整，以调整多个所述预制部内的微纳单元之间的差异。
9.如权利要求8所述的微纳加工方法，其特征在于，所述修整是通过激光切割、金刚石切割片、等离子切割中的至少一种实现的。
10.如权利要求8所述的微纳加工方法，其特征在于，对一个或多个所述预制部内的光学功能材料进行修整包括：通过激光对一个或多个所述预制部内的光学功能材料进行切割，差异化地去除部分光学功能材料。
11.如权利要求1-10任意一项所述的微纳加工方法，其特征在于，在步骤S103之后还包括步骤S105：移除所述衬底基板的第二表面上的部分衬底基板，以露出部分或全部的所述预制部的光学功能材料。
12.一种光学器件的微纳加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
S201、衬底基板包括第一表面和相背的第二表面，将光学功能材料放置在所述衬底基板的第一表面上；
S202、将光学功能材料进行热熔回流处理，冷却后得到光学器件。
13.如权利要求12所述的微纳加工方法，其特征在于，步骤S201中，所述光学功能材料放置在所述衬底基板的第一表面上的阵列排布形式的多个区域。
14.如权利要求12所述的微纳加工方法，其特征在于，步骤S201中，所述衬底基板的材质为光学功能材料。
15.如权利要求12所述的微纳加工方法，其特征在于，步骤S201中，所述光学功能材料的材质为热熔性材料，或热固性材料，或热塑性材料。
16.如权利要求12所述的微纳加工方法，其特征在于，步骤S201中，将光学功能材料放置在所述衬底基板的第一表面上间隔分布的多个区域；
在步骤S201之后，在步骤S202之前还包括步骤S203：对所述衬底基板的第一表面上一个或多个区域的光学功能材料进行修整，以调整多个区域的所述光学功能材料之间的差异。
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