CN1358617A - 光学器件、模具和制作模具的方法 - Google Patents

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堀雅宏
中村浩一郎
仲间健一
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Abstract

本发明提出一种模具,所述模具由一种具有预定的表面形状的导电薄板和一种绝缘增强材料构成,其中应用阳极接合方法将导电薄板与绝缘增强材料相互结合在一起。特别是导电薄板优选由单晶硅构成并且绝缘增强材料优选是氧化物玻璃。

Description

光学器件、模具和制作模具的方法
技术领域
本发明涉及一种诸如显微光学器件、一种信息记录媒体基片等物品，所述物品在基片的表面上具有预定的表面微皱的凹凸形状，和用于在加压的情况下制作所述物品的模具。
背景技术
采用对模具进行加压的方式进行的成型工艺广泛地用于大批量生产诸如CD-ROM和其它信息记录媒体、平面显微透镜(透镜阵列，其中有大量的显微透镜一维或两维排列在基片上)、菲涅耳透镜、衍射光栅件、光波导件等光学器件。通常采用树脂作为模压材料。但如果采用所谓的溶胶-凝胶方法生产玻璃材料，将受到诸如对耐热、耐气候变化等严格的限制。在采用这种溶胶-凝胶方法时，一个具有预定的表面形状的模具将对溶胶-凝胶材料进行挤压，所述溶胶-凝胶材料在特定时间加热的情况下被涂敷在预定的具有预定厚度的基片上。接着，将对溶胶-凝胶材料脱模并接着再对溶胶-凝胶材料进行烧结或固化，从而即可获得一具有所需表面和预定厚度的物品。
但在采用上述的溶胶-凝胶方法时，为了以极高的精度将模具的形状传递给物品，必须同时进行加压和加热。
另一方面，例如可以采用硅作为模具材料。作为形成有待传递的形状的方法，对单晶硅基片的表面涂敷一层光刻胶并采用光刻工艺成形，从而通过湿法腐蚀形成V-形槽。由于应用了晶体的腐蚀速度的各向异性，所以硅的优点在于，可以以高度的可再现性实现形状控制。
但通常采用的硅基片的厚度很薄，从大约0.5mm至大约1mm。出于此原因，当将模具压在物品上时，将有可能出现如下情况，在物品凝固之前，负荷被非均匀地加在模具上。在这种情况下，薄的硅基片有可能破裂和受损。为此可以采用厚度较大的硅基片加以替代。然而即使增大了基片的厚度，但基于晶体的特性，得到改进的抗破裂的强度仍不能另人满意。同时还增加了材料费用。所以采用粘结剂将具有特殊强度的模具诸如玻璃板等粘附在具有模压形状的薄的硅基片的背面。采用此方式既可实现高精度的模压形状，又可以实现耐压的强度。另外，对单晶硅进行处理使之在表面上具有作为衍射光栅的衍射光栅形状的工艺已经公知(参见日本专利申请公开说明书10-26707)。
在采用溶胶-凝胶材料作为原料的情况下，如上所述必须对模具进行加热。所以当采用粘合剂、胶带等将硅基片和玻璃基片相互粘合在一起时，粘合剂、胶带等必须耐得住在加压时刻的高温。加热的温度不低于150℃。而大多数粘合剂或胶带不能用于在上述高温下生产所述物品。另外，即使可以使用粘合剂或胶带，随着时间的推移粘合力也会降低。因此，存在着可靠性的问题。
下面将对本发明的发明人实践过的特殊例子加以说明。
如下所述制作一种模具。采用由Sin-Etsu Silicon有限公司出品的粘合剂SE5080将在其表面上具有衍射光栅形状的1mm厚的硅板(25×25mm)与具有与硅板相同形状的7mm厚的玻璃片(Corning公司出品硼硅酸盐玻璃#7740)粘合在一起。利用该模具对溶胶-凝胶溶剂在200℃的情况下模压30分钟(有关的详细的条件将在下面加以说明)。此后，准备对溶胶-凝胶溶剂脱模，但硅板和玻璃片将相互分离，并且在200℃的高温下不再能保持耐热的粘合剂强度。然后，为了实施脱模，将一个楔件插入硅片和物品之间。然而实施该作业非常困难并且硅板和物品都会因此而受到损伤。
另一种情况是，采用3M公司出品的一种双面胶带#4390(厚度：0.13mm)将如上所述的相同的硅板和Corning公司出品的相同的玻璃板#7740相互粘合在一起。以如上所述的相同的方式利用模具对溶胶-凝胶溶剂进行模压并接着对溶胶-凝胶溶剂进行脱模。在硅板表面上形成的衍射光栅形状在粘合前的测量出的峰-谷(PV)值为0.17μm，而物品上的PV值为0.45μm，此点表明由于在模压时刻双面胶带的变形也会在硅板上出现变形。
事实上，当将单晶硅制成的衍射光栅安装在一个有待使用的设备上，出于对成本的考虑经处理的具有精密的表面凹凸形状的硅板必须很薄。但在此情况下，如果在基片不变形的条件下是很难实现衍射光栅的固定的。如果采用厚硅板又会导致如上所述的成本的增加。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题并提出一种用于模制溶胶-凝胶材料的模具，和一种制作该模具的方法。本发明的另一目的在于提出一种光学器件和制作光学器件的方法。
根据本发明的一个方面，提出一种模具，该模具由导电的薄板和绝缘的增强材料构成，其中对导电的薄板和绝缘的增强材料采用阳极接合(anodic bonding)技术结合在一起。尤其是导电的薄板由单晶硅制成并且绝缘的增强材料优选是氧化物玻璃。
根据本发明的另一个方面，提出一种制作模具的方法，该方法包括下述步骤：将导电薄板的正面加工成预定的形状；对所述导电薄板的背面进行研磨；和使所述导电薄板的背面与绝缘增强材料的正面接触，对所述导电薄板和所述绝缘增强材料进行加热并同时将一直流电压加在所述导电薄板和所述绝缘增强材料之间，其中所述导电薄板作为阳极。当导电薄板由单晶硅构成时，采用各向异性蚀刻的方式将所述导电薄板的正面加工成预定的形状。绝缘材料优选是氧化物玻璃。
根据本发明的第三个方面，提出一种光学器件，由一种导电薄板和一种绝缘材料构成，其中该薄板具有一预定的表面形状，应用阳极接合(anodic bonding)方法将所述导电薄板与所述绝缘增强材料结合在一起。导电薄板优选由单晶硅构成，而绝缘增强材料是氧化物玻璃。
根据本发明的第四个方面，提出一种制作模具的方法，包括如下步骤：将导电薄板的正面加工成预定的形状；对所述导电薄板的背面进行研磨；和使所述导电薄板的背面与绝缘增强材料的正面接触，对所述导电薄板和所述绝缘增强材料进行加热并同时将一直流电压加在所述导电薄板和所述绝缘增强材料之间，其中所述导电薄板作为阳极。当导电薄板由单晶硅构成时，可以采用各向异性蚀刻方式形成预定的表面形状。绝缘增强材料优选是氧化物玻璃。
本申请涉及包含在日本专利申请2000-368286的内容(申请日：2000年12月4日)和日本专利申请2001-363197(申请日：2001年11月28日)的全部内容。
附图说明
图1为根据本发明的阳极接合设备示意图；和
图2为根据本发明的模具的剖视示意图。
具体实施方式
在根据本发明的模具中，作为原形的被传递的具有预定形状的部分由导电材料构成并与具有特定强度的绝缘增强材料结合在一起。虽然硅是通常的导电材料，但也可以采用诸如镍、铜、铝等任何金属材料。在采用单晶硅时，可以采用单晶的各向异性蚀刻实现凹槽的加工。单晶具有的特征是，利用高度的可再现性可以制成由晶体方向决定的截面为V-形的凹槽。另外，由于金属易于机械精密加工，所以诸如镍、铜、铝等金属适用于制成预定的模压形状。
用于生产光学器件的模具通常具有在其表面上形成的凸、凹部分。例如每个凸部分可以是圆形、锥形或角锥形等。在模具的脱模覆层的全部或局部表面上具有所需数量的凸部分。另一方面，在具有作为下凹部分的一个槽时，则此槽可以是直线的或曲线的。在具有作为下凹部分多个槽时，则这些槽部分可以是同心对齐的或成栅格状的。与这些预定的形状相符，形成诸如表面-凹凸衍射光栅、V-形槽形状、显微透镜阵列、菲涅耳透镜等光学器件的形状，从而可以实现的形状的周期约在亚微米到几百微米的范围内。
在生产具有预定表面形状的光学器件的加工过程中，形成物品的材料与支撑物紧密地接触并位于支撑物与模具之间，所以以薄膜的形式进行设置。接着对材料进行加压和加热，从而使模具的表面形状传递给材料。此时，有些材料需要加高压和加高温。在此情况下，导电的模具本身是不能承受如此大的压力的。作为对这种模具进行增强的方法，可以将增强材料粘结在模具的背面。
根据本发明，应用阳极接合方法(anodic bongding)将诸如具有采用上述方法实现的预定的形状的金属等导电材料与诸如玻璃等增强材料接合在一起。由于基于阳极接合的接合不需要粘合剂，因此可以明显地改善模具的耐热性能，并且可以延长模具的使用寿命。
如果采用单晶硅作为衍射光栅，而不是模具，则可以通过用固定在其上的绝缘的增强材料对单晶硅进行增强而获得衍射光栅。可以对这种衍射光栅加以应用，在将光栅安装在设备上时可以保持其表面的平面度。而且有待保持的表面的平面度将视设备的用途而异，通常等于或小于2.0μm，优选等于或小于1.0μm，并且更为优选的是等于或小于0.4μm。
下面将对将金属和氧化物玻璃相互接合的阳极接合原理加以简要说明。
在将金属与氧化物玻璃接触后，将一正的直流电压加在金属上，同时将一负的直流电压加在氧化物玻璃上。通常，在高温的情况下在玻璃上产生空间电荷，从而金属和玻璃被静电吸引力相互紧密地接合在一起。另外，在氧化物玻璃上的氧离子迁移到氧化物玻璃与金属之间的界面上，从而在氧离子与金属离子之间形成共价键。这些共价键将产生很大的粘合力。鉴于这种结合是基于上述原理的，因此只要是导电的并且可以在材料与氧化物之间形成共价键的任何一种材料都可以应用。即，所述材料并不限于金属。但不能应用在电场存在的情况下一种包含有易于进入玻璃的元素的材料。
在本发明中，鉴于模具的形状由导电材料构成，选用的增强的材料是氧化物玻璃。任何材料都可以作为增强材料加以应用，不存在上述限制，只要这种材料在加有电场的情况下可以在材料的表面产生氧离子空间电荷。鉴于增强材料被室温加热，所以优选采用其热膨胀系数接近于导电材料的材料作为增强材料。
在例如导电材料是硅，由Corning公司出品的硼硅酸盐玻璃#7740满足上述条件要求，该种玻璃的热膨胀系数基本上与硅相同，并包含有碱金属。玻璃#7740主要由80％(重量)的SiO2、12％(重量)的B2O3、2％(重量)的Al2O3、0.3％(重量)的CaO、4％(重量)的Na2O和0.2％(重量)的K2O。由于Corning公司出品的玻璃#7740含有Na等碱金属，所以当温度达到300℃至400℃时，碱金属将会迁移到玻璃内。当将约为几百伏的正的直流电压加到硅上，同时将约为几百伏的负的直流电压加到玻璃上时，由于产生的电场使碱金属离子迁移，从而在接近硅和玻璃之间的界面处形成负电荷的空间电荷层。采用此方式可产生静电吸引力，从而实现玻璃和硅的相互吸引。最后，硅基片的背面和玻璃基片的正面相互紧密地粘合在一起，并且由于强化的电场，在空间电荷层内的部分氧离子迁移到界面附近并在硅和氧离子之间形成共价键。由于Corning公司出品的玻璃#7740的热膨胀系数为32.5×10-7/℃，该值基本上与硅的热膨胀系数(24×10-7/℃)相同，因而可以避免因热膨胀造成的硅基片的破裂。
就阳极结合和对预定的表面形状加工的顺序而言，在导电基片上形成预定的形状之后，可以将导电的基片阳极结合在绝缘增强材料上，或者在将导电基片阳极结合在绝缘的增强材料上之后，可以在导电的基片上形成预定的形状。
下面将对本发明的制作模具的方法做进一步的说明。
对其厚度大约为1mm的硅基片的背面进行磨削。通过将硅基片置放在温度为1000℃的含氧的大气中而形成一层氧化膜。将一种光刻胶涂敷在硅基片的两相对面中的一个面上，并且接着利用一个类条纹的光掩膜在光刻胶上形成图形。在对显影成条纹形状的光刻胶作为掩膜加以应用的同时，应用含有氨水的氟化氢水溶液在氧化硅薄膜上形成图形。利用该氧化硅薄膜图形作为掩膜，用KOH水-异丙醇溶液对基片表面进行腐蚀。接着去掉氧化硅膜。采用该加工过程，在硅基片的表面上形成大约1000线的V-形槽。选定的每个槽的尺寸应使槽宽为25μm，槽深为15μm，和两个相邻槽之间的间隔(两个槽中心之间的测量值)大约为25μm。作为23×23mm的正方形形成被处理成具有三角形截面的衍射光栅表面形状的部分并将基片切割成25×25mm大小。即正方形硅板的每个边去掉2mm，形成光滑的表面，以便在进行阳极接合时实现硅与电极的接触。具有衍射光栅表面形状的硅板的零级光波象差根据PV值为0.17μm。
接着用阳极接合的方式将硅板与Corning公司出品的尺寸为25×25×7mm的玻璃#7740进行接合。如图1所示，将具有加热器20的电极板30设置在一个真空罐10内。在电极板30的中央设置有一个边长为23.5mm正方形的下凹40。对硅板50进行设置，使带有槽的硅板50表面在电极板侧。此时，为实现对加工好的部分52的保护，将加工好的部分对准在电极板30上的下凹40部分。为了实现对准，优选在电极板上具有一个两阶的下凹42。将玻璃基片60(Corning公司出品的玻璃#7740)叠加在硅板的背面。将一个电极探头70与玻璃基片60的正面接触。
在将真空罐10密封和抽真空后，用加热器20将电极板30加热到400℃的温度。由一设在真空罐10外面的高压直流电源将一600伏的直流电压加在电极之间。这样就制成一其尺寸为25×25×8mm并且在硅板表面具有衍射光栅形状的模具。根据PV值，模具的光波象差为0.17μm。该值与在阳极接合前的值相同。
接着在模具表面形成脱模覆层。将模具置放在一个真空蒸发器内。在衍射光栅表面形成作为内衬层的80nm厚的钛膜。接着在其上形成一作为保护层的170nm厚的铂层。另外，将获得的模具置放在一真空溅射器内，采用溅涉方法在铂层上形成一作为脱模覆层的53nm厚的金膜。
这样就制成一个具有如图2所示的在硅板50表面上的衍射光栅形状90的模具100。在衍射光栅表面具有一脱模覆层92，同时在硅板50的背面形成一采用阳极接合方法与玻璃基片60结合在一起的表面，从而使模具被增强，具有充分的强度。接着采用溶胶-凝胶方法利用模具进行模压实验。
将作为模压物品的材料的0.19摩尔的苯基三乙氧基硅烷、0.04摩尔的二甲基二乙氧基硅烷和0.04摩尔的(3，3，3-三氟丙基)三甲氧基硅烷加入到粉碎机中并进行搅拌，并接着再加入液体的0.25摩尔的乙醇并进行搅拌，接着把甲酸溶解在1.75摩尔(31.5克)的水中，从而使甲酸占0.01重量％，将制备好的水溶液加入并搅拌两个小时。在搅拌的初始阶段，液体被分离成两层。但在经过两个小时的搅拌后，液体变成透明的均匀的溶液。在将该溶液在一个锅炉内在80℃的情况下加热12小时时，通过缩聚反应生成的乙醇、甲酸的水溶液和水被挥发掉。其结果是初始重量大约为103.3g，并且初始容积大约为100cm3被相应大约减少到30％，并使最后的重量大约为27g，容积为大约30cm3。这样获得的溶液为溶胶-凝胶溶液。
将溶胶-凝胶溶液涂敷在模具的表面，形成一厚度大约为60μm的层。对该层在140℃的温度下加热7分钟。通过此热处理过程，在模具上形成一可塑变形的凝胶膜(粘稠度：104至108泊)。接着将厚度为3.0mm和边长为2.5mm见方的石英玻璃基片安放在被涂敷的表面(凝胶膜)。在此情况下，将石英玻璃基片和涂敷的表面在200℃的情况下加热30分钟，同时将石英玻璃基片以2公斤/cm2的压力对涂敷的表面加压。结果导致涂敷的表面与石英玻璃结合在一起。在涂敷膜充分凝固后，对涂敷膜进行空气自然冷却。模具的Corning公司出品的#7740玻璃部分与石英玻璃基片相互分离，因为这两部分是固定的。这样进行脱模。作为结果获得了衍射光栅模压物品，该物品具有一个薄膜(平均薄膜厚度：30μm)，模具的形状被传递到该薄膜上并且薄膜设置在石英玻璃基片上。为对衍射光栅模压物品的衍射效率进行测量，采用溅射工艺在衍射光栅模压物品的表面上形成一其反射率为60％的金覆层。
在这样获得的衍射光栅模压物品上对衍射效率进行测量并进行显微观察。对衍射效率的测量过程如下。将来自波长可变的激光光源的波长为1550nm的激光光束入射到衍射光栅上，用一光检测器对被衍射的光的强度进行测量并用一个相同的光检测器对入射到衍射光栅上的光的量度进行测量。通过对这两个测量值的比较即可计算出衍射效率。
作为测量结果发现，就26级衍射的光而言所实现的模具的衍射效率为波长为1550nm的光的60％，同时就26级衍射的光而言所实现的衍射光栅的衍射效率也为60％，所以可以以很高的可再现性实现形状的传递。
另一方面，作为显微观察的结果发现，衍射光栅模压物品的深度为14.7μm至15.3μm并且衍射光栅模压物品的间距为24.2至25.1μm，同时如上所述模具的深度为15μm并且模具的间距为25μm，因而可以以高精度实现形状的传递。
另外，根据PV值衍射光栅模压物品的波象差为0.17μm。该值与模具的值相同。
上述描述是针对模具的。下面将对在模具本身作为衍射光栅的情况进行讨论。采用如图2所示在硅板50的表面具有衍射光栅形状90的并以上述方式制作的模具作为衍射光栅时，通过粘接将一个玻璃基片与具有衍射光栅形状的面的相对面结合。在此情况下，在粘合前衍射光栅的零级光波象差根据PV值为0.16μm，并且在粘合后为0.17μm，这表明没有很大的变化。与此相比，在不用玻璃基片对硅板衍射光栅增强的情况下，0.16μm的PV值将增大到1.62μm，这表明不能保持平面度。
上述实验结果表明，本发明的模具在需要对模压物品在高温下加热并加压的情况下，是非常有效的，因而这种模具特别适用于溶胶-凝胶材料。另外还表明，本发明的光学器件适用于作为具有预定的表面形状的诸如衍射光栅等光学器件。
如上所述，根据本发明，具有预定形状的模具并且利用该模具很容易实施脱模作业。因此，采用这种模具可以加快生产速度，降低废品率并与具有预定表面形状的传统的物品或模具相比大大改善了尺寸精度。另外，采用增强材料实现了其强度被提高的光学器件。

Claims (15)

1.一种模具，包括：
一种导电薄板，该薄板具有预定的表面形状；和
一种绝缘的增强材料；
其中应用阳极接合方法将所述的导电的薄板和所述的绝缘增强材料相互结合在一起。
2.按照权利要求1所述的模具，其中所述导电的薄板由单晶硅构成。
3.按照权利要求1所述模具，其中所述的绝缘增强材料由氧化物玻璃构成。
4.一种制作模具的方法，包括如下步骤：
将导电薄板的正面加工成预定的形状；
对所述导电薄板的背面进行研磨；和
使所述导电薄板的背面与绝缘增强材料的正面接触，对所述导电薄板和所述绝缘增强材料进行加热并同时将一直流电压加在所述导电薄板和所述绝缘增强材料之间，其中所述导电薄板作为阳极。
5.按照权利要求4所述的制作模具的方法，其中导电薄板由单晶硅构成。
6.按照权利要求5所述的制作模具的方法，其中采用各向异性蚀刻的方式将所述导电薄板的正面加工成预定形状。
7.按照权利要求4所述的制作模具的方法，其中绝缘增强材料是氧化物玻璃。
8.一种光学器件，包括：
一种导电薄板，该薄板具有一预定的表面形状；和
一种绝缘增强材料；
其中应用阳极接合方法将所述导电薄板与所述绝缘增强材料结合在一起。
9.按照权利要求8所述的光学器件，其中所述导电薄板由单晶硅构成，所述绝缘增强材料是氧化物玻璃，和在单晶硅上形成作为预定的表面形状的衍射光栅。
10.按照权利要求9所述的光学器件，其中在其上形成衍射光栅的单晶硅的表面的平面度用峰谷值表示等于或小于2.0μm。
11.一种制作光学器件的方法，包括如下步骤：
将导电薄板的正面加工成预定的形状；
对所述导电薄板的背面进行研磨；和
使所述导电薄板的背面与绝缘增强材料的正面接触，对所述导电薄板和所述绝缘增强材料进行加热并同时将一直流电压加在所述导电薄板和所述绝缘增强材料之间，其中所述导电薄板作为阳极。
12.按照权利要求4所述的方法，其中在所述接触、加热和加电之前进行所述的加工步骤。
13.按照权利要求4所述的方法，其中在所述接触、加热和加电之后进行所述的加工步骤。
14.按照权利要求11所述的方法，其中在所述接触、加热和加电之前进行所述的加工步骤。
15.按照权利要求11所述的方法，其中在所述接触、加热和加电之后进行所述的加工步骤。
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