TW201815896A - 單片高折射率光子裝置 - Google Patents

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Abstract

製造高折射率光子裝置包括：將可聚合組成物配置在第一基材的第一表面上，且將該可聚合組成物接觸第二基材的第一表面，藉此將該可聚合組成物散佈在該第一基材的該第一表面上。該可聚合組成物固化而產生聚合結構，該聚合結構具有第一表面、第二表面、以及選擇的殘餘層厚度，該聚合結構的該第一表面與該第一基材的該第一表面接觸，該聚合結構的該第二表面與該聚合結構的該第一表面相對且接觸該第二基材的該第一表面，該選擇的殘餘層厚度介於該聚合結構的該第二表面與該聚合結構的該第一表面之間且範圍為10μm至1cm。使該聚合結構與該第一基材及該第二基材分開，而產生折射率為至少1.6的單片光子裝置。

Description

單片高折射率光子裝置
此申請案主張2016年8月26日申請之美國申請案第62/380,093號（發明名稱為「單片高折射率光子裝置」）及2017年5月8日申請之美國申請案第62/502,973號（發明名稱為「單片高折射率光子裝置」）之權益，這兩個申請案之全文以引用形式併入本文中。
此發明大體上關於單片（monolithic）高折射率光子裝置。
光子裝置的製造一般是多步驟製程，該製程包括圖案化具有奈米及微米結構之基材。圖案化可透過微影技術達成，該微影技術諸如UV微影術、奈米轉印、或類似技術。一些實例中，透過蝕刻（例如電漿蝕刻或液體蝕刻）而將圖案轉移到薄膜或基材上。因此，光子裝置的製造經常昂貴且緩慢，涉及多個處理步驟。
第一通用態樣中，製造高折射率光子裝置包括：將可聚合組成物配置在第一基材的第一表面上，且將該可聚合組成物接觸第二基材的第一表面，藉此將該可聚合組成物散佈在該第一基材的該第一表面上（例如介於該第一基材的該第一表面與該第二基材的該第一表面之間）。該可聚合組成物固化而產生聚合結構，該聚合結構具有第一表面、第二表面、以及選擇的殘餘層厚度，該聚合結構的該第一表面與該第一基材的該第一表面接觸，該聚合結構的該第二表面與該聚合結構的該第一表面相對且接觸該第二基材的該第一表面，該選擇的殘餘層厚度介於該聚合結構的該第二表面與該聚合結構的該第一表面之間且範圍為10μm至1cm。將該聚合結構與該第一基材及該第二基材分開，而產生折射率為至少1.5或至少1.6的單片光子裝置。
第一通用態樣的實施型態可包括下述特徵之一或多者。
該第一基材與該第二基材之至少一者可為圖案化之模具，該圖案化之模具的第一表面界定突出部與凹陷部。第一通用態樣的一些實施型態包括：在將該可聚合組成物配置在該第一基材的該第一表面上之前，以脫模層塗佈該第一基材之該第一表面、該第二基材之該第一表面、或上述兩者。一個範例中，在該可聚合組成物接觸該第二基材之該第一表面之前，以脫模層塗佈該第二基材的該第一表面。
第一通用態樣的一些實施型態包括：在將該可聚合組成物配置在該第一基材的該第一表面上之前，將該第一基材加熱到至少100°C。該第一通用態樣也可包括：在將該可聚合組成物接觸該第二基材的該第一表面之前，將該第一基材、該第二基材、或上述兩者加熱到至少100°C。
第一通用態樣的一些實施型態包括：在將該可聚合組成物配置在該第一基材的該第一表面上之前，部分聚合該可聚合組成物。將該可聚合組成物接觸該第二基材可包括：在該第一基材與該第二基材之間形成銳角，以及減少該銳角的值，直到該第一基材與該第二基材平行為止。
固化該可聚合組成物可包括：將該可聚合組成物加熱至低於100°C或介於100°C至350°C之間的溫度。固化該可聚合組成物可包括：將該可聚合組成物固化達低於5分鐘的持續時間。
一些實例中，固化該可聚合組成物包括：以紫外線（UV）輻射照射該可聚合組成物。UV輻射的持續時間可低於5分鐘。在照射該可聚合組成物的整個期間UV輻射的強度可實質上恆定。一些實例中，UV輻射的強度在小於30mW/cm2 至超過110mW/cm2 的範圍，或大於50mW/cm2 。某些實例中，UV輻射的強度在5mW/cm2 至300mW/cm2 的範圍。以UV輻射照射該可聚合組成物可包括：照射該可聚合組成物的範圍為1cm2 至1000cm2 的表面積。在該可聚合組成物的受照射表面積上紫外線輻射的強度可為實質上恆定。一些實例中，在該可聚合組成物的受照射表面積上UV輻射的強度有所變化，以達成該單片光子裝置中預定的局部縐縮。該UV輻射可包括UVA、UVB、及UVC之至少一者。一些實例中，UV輻射的波長在250nm至380nm的範圍。某些實例中，UV輻射的波長在約315nm至約400nm的範圍，例如365nm±20nm。一些實例中，該UV輻射的波長包括365nm、380nm、及405nm之至少一者。
某些實例中，固化該可聚合組成物包括：將該可聚合組成物加熱至介於100°C至350°C之間的溫度，以及以UV輻射照射該可聚合組成物。
一些實施型態中，該聚合結構之該第一表面與該聚合結構之該第二表面之間的該選擇的殘餘層厚度是在250μm至500μm的範圍。一些實例中，該單片光子裝置的折射率為至少1.65或至少1.7。該單片光子裝置在400nm至800nm之間的透射度可大於80%。
該可聚合組成物可包括多個第一單體與多個第二單體，每一第一單體具有至少兩個乙烯基、烯丙基、或丙烯酸酯基團，且每一第二單體具有至少兩個硫醇基團。一些實例中，該可聚合組成物包括光起始劑、熱起始劑、或上述兩者。某些實例中，該可聚合組成物包括金屬氧化物。該金屬氧化物可包括氧化鈦、氧化鋯、及氧化鋅之至少一者。
一些實施型態中，該可聚合組成物包括20重量%至90重量%的高黏度多官能成分、5重量%至40重量%的低黏度單官能或多官能成分、0.2重量%至5重量%的光起始劑、0.2重量%至2重量%的光穩定劑、及0.2重量%至2重量%的抗氧化劑，且固化該可聚合組成物包括透過單一官能性進行聚合物交聯。該可聚合組成物可包括界面活性劑。一些實例中該可聚合組成物包括無機奈米顆粒或分子層級的團簇。
一些實施型態中，該可聚合組成物包括20重量%至80重量%的具第一反應性基團的多官能成分、20重量%至80重量%的具第二反應性基團的多官能成分、0.2重量%至5重量%的光起始劑、0.2重量%至2重量%的光穩定劑、及0.2重量%至2重量%的抗氧化劑，且該第一反應性基團與該第二反應性基團不同，且固化該可聚合組成物包括透過交互反應而進行聚合物交聯，該交互反應是透過至少該第一反應性基團及該第二反應性基團進行。一些實例中，該可聚合組成物可包括界面活性劑。某些實例中，該可聚合組成物包括最大粒徑為20nm的無機奈米顆粒。
該第一基材與該第二基材可為厚度在300μm至10mm範圍的碟狀物。該第一基材與該第二基材的總厚度差異一般是在100nm至20μm的範圍。
該光子裝置可為光學透明。一些實例中，該光子裝置是透鏡。某些實例中，該光子裝置的第一表面、該光子裝置的第二表面、或上述兩者具有界定突出部與凹陷部的圖案化表面，且每一突出部與凹陷部之尺寸小於10nm、小於100nm、小於1μm、小於10μm、小於100μm、或小於1mm。
第二通用態樣中，一種光子裝置包括固化聚合物材料的單片結構，該固化聚合物材料具有至少一個圖案化表面，該圖案化表面界定多個突出部與多個凹陷部。該單片結構的折射率一般為至少1.6，且該單片結構之最小厚度一般是在10μm至1cm之範圍。
第二通用態樣的實施型態可包括下述特徵之一或多者。
該光子裝置的第一表面及該光子裝置的第二表面之至少一者是界定突出部與凹陷部的圖案化表面，且每一突出部與凹陷部之尺寸小於10nm、小於100nm、小於1μm、小於10μm、小於100μm、或小於1mm。
一些實例中，該固化聚合物材料是以硫醇-烯為基礎的聚合物。某些實例中，該固化聚合物材料包括金屬氧化物。一個範例中，該固化聚合物材料包括0.1重量%至30重量%的金屬氧化物。該金屬氧化物可包括二氧化鈦、二氧化鋯、氧化鋅、或上述金屬氧化物之組合。
該單片光子裝置的折射率一般是在1.6至1.9之範圍中。該光子裝置的視場（4:3長寬比）可為多達50°或多達70°。一些實例中，該光子裝置為光學透明。某些實例中，該光子裝置是透鏡。
在本文中描述用於本申請案中的方法與材料；也可使用此技術中已知的其他、適合的方法與材料。該等材料、方法、及範例僅為說明性質，不希望是限制性。所有本文提及的公開文件、專利申請案、專利、及其他參考文獻以其全文透過參考形式併入。如有任何衝突，則以本說明書（包括定義）為準。
從下文詳細敘述及圖式及從申請專利範圍會明瞭本申請案的其他特徵與優點。
第1圖是流程圖，描述第一示範性製程100，該製程100用於從以硫醇-烯（thiol-ene）為基礎的聚合物樹脂製造單片、光學透明、高折射率的光子裝置。如在本文所用，「光子裝置」大體上是指用於透過發射、透射、調變、訊號處理、切換（switching）、增幅（amplification）、或偵測而生成、偵測、操縱光子的裝置。光子裝置的範例包括透鏡及目鏡（eyepiece）。如在本文所用，「單片」光子裝置大體是指於模製（molding）製程中由單一可聚合組成物形成為單片的光子裝置。即，單片光子裝置是由單一材料模製而成的無接縫的結構。如在本文所用，「光學透明」大體是指使光得以通過材料而無散射的物理性質。如在本文所用，「高折射率」大體是指大於1.6之折射率（n）。一個範例中，「高折射率」是指n大於1.6且小於1.9。如在本文中所用，「以硫醇-烯為基礎的聚合物樹脂」大體是指包括「硫醇」單體及「烯」單體的可聚合組成物，且該「硫醇」單體具有至少兩個硫醇基團，該「烯」單體具有至少兩個乙烯基、烯丙基、或丙烯酸酯基團。以硫醇-烯為基礎的聚合物樹脂也可包括光起始劑、熱起始劑、無機化合物、穩定劑、或上述物質之任何組合。
如在本文所用，總厚度差異（total thickness variation，TTV）是指遍及基材尺寸的一系列點量測上的基材厚度之最大值與最小值之間的差異。對於有圖案化表面之基材而言，TTV是指忽略圖案特徵對厚度之貢獻而評估的近似值。作為解釋，圖案化基材上一般的特徵的厚度（或高度）是約10nm至150nm。該厚度主要是由模板的溝槽深度所主宰，該深度可變化10%（例如1nm至15nm）。未圖案化基材之TTV一般超過100nm，有時是在微米的數量級。因此，由圖案特徵所引入的圖案化基材厚度的額外差異是可略去的，且可作為近似值而忽略。因此，於包括突出部的位置評估的圖案化基材的厚度可透過下述方式取近似值：從所評估的厚度減去給定特徵的厚度，而產生「調整後」的厚度；而在無突出部之位置處評估的圖案化基材的厚度並未改變。也就是，特徵區域的調整後（減少）的厚度與無圖案化區域的自然厚度會用於計算有圖案化表面的基材的TTV。本文所描述的低TTV值理解成是至少部分因為平坦光學等級玻璃模板（該模板經過研磨而符合期望平坦度）以及本文所述之方法（以最小化或減少固化期間不均勻的材料收縮）而造成。
在102，將可聚合組成物配置在第一基材的第一表面上。在將可聚合組成物配置在第一基材的第一表面上的同時，可加熱該第一基材（例如範圍為100°C至250°C）。將可聚合組成物配置在第一基材的第一表面上可包括：在該第一基材上澆鑄單一體積的該可聚合組成物。該第一基材一般是碟狀物或晶圓，厚度在300μm至10mm之範圍，且直徑在5cm至30cm的範圍。第一基材可由包括矽、石英、玻璃、或其他固體物質之材料形成，具有超過250°C的玻璃轉移溫度。第一基材之TTV一般是在100nm至20μm的範圍。所得的光子裝置的光學效能一般是透過增加第一基材之厚度及減少第一基材之TTV而增強。一個範例中，第一基材的第一表面是平坦表面。另一範例中，第一基材的第一表面是圖案化表面，且第一基材是圖案化模具。如本文所用，「圖案化表面」及「圖案化模具」大體上是指尺寸（例如長度、寬度、或高度）小於10nm、小於100nm、小於1μm、小於10μm、小於100μm、或小於1mm的突出部及凹陷部。圖案化表面或圖案化模具一般包括奈米結構（例如所有尺寸小於1μm或小於100nm的結構）、微米結構（例如所有尺寸在1μm至小於1mm、小於100μm、或小於1μm的範圍的結構）、或上述結構之組合。
在將可聚合組成物配置在第一基材的第一表面上之前，該第一基材可塗佈有脫模層。該脫模層的厚度一般是在1nm至30nm厚的範圍。脫模層可為氟矽烷塗層、金屬塗層、金屬氧化物塗層、或適合與可固化高折射率可聚合組成物一併使用的任何其他塗層。一個範例中，聚二甲基矽氧烷（PDMS）脫模層透過一製程形成在該第一基材上，該製程包括：清潔該第一基材、以PDMS薄層塗佈該第一基材、及藉由將該第一基材放置在熱板上且加熱該基材（例如於200°C達15分）而固化該PDMS。
一些實施例中，高折射率可聚合組成物包括表1及表2中所列之量的成分。表1列出可聚合組成物中的成分，其中交聯是透過單一類型的官能基而發生。適合的官能基包括丙烯酸酯與環氧官能基。示範性化合物包括：9,9-雙(4-羥苯基) 芴二氧化丙烯醚、4,4-雙(環氧丙氧基乙硫基)二苯硫醚、及苯硫基乙基縮水甘油醚。表2列出可聚合組成物中的成分，其中交聯是透過兩個或更多個不同官能基（例如硫醇及烯）之交互反應而發生。 表1 其中交聯透過單一官能基發生的可聚合組成物 表2 其中交聯透過兩個或更多個不同官能基之交互反應發生的可聚合組成物
某些實施例中，其中交聯透過兩個或更多個不同官能基的交互反應發生的可聚合成分包括烯單體（每一烯單體具有至少兩個的乙烯基、烯丙基、及丙烯酸酯基團的任何組合）與硫醇單體（每一硫醇單體具有至少兩個硫醇基團）之混合物。烯單體與硫醇單體可以化學當量比組合，可用的烯基團數目等於硫醇基團的數目，或可以有效產生獨立聚合結構形式之聚合物複合物的任何莫耳比（例如小於或大於該化學當量比）組合。適合的烯單體之一些範例顯示於下文。三乙烯基磷三烯丙基磷其中M是Si、Ge、或Sn1,3,5-三烯丙基-1,3,5-三嗪-2,4,6-三酮2,4,6-三乙烯基-1,3,5-三噻烷 硫醇單體的一些範例包括：1,2-乙二硫醇、1,5-戊二硫醇、和1,3-苯二硫醇，顯示於下文：1,2-乙二硫醇1,5-戊二硫醇1,3-苯二硫醇 該可聚合組成物可摻雜有一或多種無機成分，諸如TiO2 、ZrO2 、ZnO、及類似物，該無機成分的濃度為0.1重量%至50重量%，例如0.1重量%至10重量%或10重量%至30重量%、或10重量%至50重量%。
一些實例中，該可聚合組成物包括一或多種聚合起始劑，例如光起始劑、熱起始劑、或上述兩者。該聚合起始劑的濃度一般是在0.1重量%至10重量%的範圍，例如0.1重量%至2重量%或2重量%至10重量%。適合的光起始劑之範例包括：2-苄基-2-(二甲胺基)-4’-嗎啉基苯丁酮；4’-第三丁基-2’,6’-二甲基苯乙酮；2,2-二乙氧基苯乙酮；2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮; 二苯基(2,4,6-三甲基苯甲醯基)氧化膦/2-羥基-2-甲基苯丙酮；4’-乙氧基苯乙酮；3’-羥基苯乙酮；4’-羥基苯乙酮；1-羥基-環己基苯基酮；2-羥基-4’-(2-羥乙氧基)-2-甲基苯丙酮；2-羥基-2-甲基苯丙酮；2-甲基-4’–(甲硫基)-2-嗎啉基苯丙酮；1-[4-(2-羥乙氧基)-苯基]-2-羥基-2-甲基-1-丙-1-酮和4’-苯氧基-苯乙酮。適合的熱起始劑的範例包括：過氧苯甲酸第三戊酯，4,4-偶氮雙(4-氰基戊酸)，1,1-偶氮雙(環己烷腈)，2,2-偶氮雙異丁腈（AIBN），過氧化苯甲醯，2,2-雙(第三丁基過氧)丁烷，1,1-雙(第三丁基過氧)環己烷，5-雙(第三丁基過氧)2,5-二甲基-3-己炔，1,1-雙(第三丁基過氧)-3,3,5-三甲基環己烷 和2,4-戊二酮過氧化物。透過自由基形成而生成反應性物種的其他化合物也可用做聚合起始劑。
可聚合組成物可包括穩定劑或抑制劑，以增加組成物的保存壽命。適合的穩定劑包括酸性成分、自由基穩定劑、及諸如下述之單體：4-烯丙氧基-2-羥基二苯甲酮；2-第三丁基-4-乙基苯酚；2-(2H-苯並三唑-2-基)-4,6-二-第三戊基苯酚；2-(2H-苯並三唑-2-基)-6-十二烷基-4-甲基苯酚；2-[3-(2H-苯並三唑-2-基)-4-羥苯基]乙基甲基丙烯酸酯；2-(2H-苯並三唑-2-基)-4-甲基-6-(2-丙烯基)苯酚；丙烯酸2-(4-苯甲醯基-3-羥基苯氧基)乙酯；5-氯-2-羥基二苯甲酮；2,6-二-第三丁基-4-(二甲胺基甲基)苯酚；2,4-二羥基二苯甲酮；2,2’-亞乙基-雙(4,6-二第三丁基苯酚)；及類似化合物。
該可聚合組成物可包括抗氧化劑，以抑制或防止因為某些氣候條件造成聚合物降解的某些化學反應。適合的抗氧化劑包括苯并呋喃酮、受阻苯酚、及二級芳香胺。
該可聚合組成物可包括表面活性劑。該表面活性劑可具有至少一個諸如硫醇或烯的官能基以及至少一個非極性官能基（諸如烷基、芳基、及氟化物）。適合的表面活性劑的範例包括烷基硫醇，諸如辛硫醇或癸硫醇。
製造高折射率材料的製程包括：組合第一（烯）單體、第二（硫醇）單體、及視情況任選的一或多種無機成分與其他添加劑（例如聚合起始劑、穩定劑）而產生複合混合物，以及固化該複合混合物而產生聚合物複合物。一些實例中，本文所述的可聚合組成物是透過「點擊（click）」反應而形成，該反應造成存在於側氧基金屬團簇上的烯基團（例如乙烯基、烯丙基、或丙烯酸酯基團）與硫醇基團（例如硫醇基團）共價交聯。側氧基金屬團簇包括金屬側氧基(甲基)丙烯酸酯團簇（MOC），其中金屬是指鈦、鋯、鋅、及類似物。「金屬側氧基」及「側氧基金屬」在本文中可互換使用，且「金屬側氧基(甲基)丙烯酸酯團簇」包括金屬側氧基丙烯酸酯團簇、金屬側氧基甲基丙烯酸酯團簇、及上述兩者之任何組合。以MOC固化可聚合組成物包括交聯MOC與硫醇單體。適合的MOC諸如為Zr6 (OH)4 O4 (O2 C(CH3 )=CH2 )12 、Zr4 O2 (O2 C(CH3 )=CH2 )12 、Zr6 (OH)4 O4 (O2 CH=CH2 )12 、Zr4 O2 (O2 CH=CH2 )12 、及類似物，而作為烯單體
以MOC形成的聚合物複合物可包括第2A圖至第2C圖中顯示的重複單元的一或多者，其中「Oxo-M-團簇」可為Zr6 (OH)4 O4 (O2 C(CH3 )=CH2 )12 、Zr4 O2 (O2 C(CH3 )=CH2 )12 、Zr6 (OH)4 O4 (O2 CH=CH2 )12 、Zr4 O2 (O2 CH=CH2 )12 、具其他金屬的相對應單元、或類似物之一或多者，且n是整數。MOC提供烯的官能性以透過與硫醇單體交聯而形成聚合物。不像其中包括無機成分作為摻質的聚合物複合物，這些聚合物複合物形成具有呈MOC之形式的烯反應物之主要部分。
MOC可提供該複合物混合物中1-100重量%的烯單體（例如，5-100 重量%、10-100 重量%、15-100 重量%、20-100 重量%、25-100 重量%、50-100 重量%、75-100 重量%、或90-100 重量%）。某些實例中，MOC提供複合物混合物中烯單體的主要部分。該烯單體可基本上由MOC組成。也就是，MOC可提供該複合物混合物中所有或實質上所有的烯官能性。
該可聚合組成物可在設置至第一基材上之前先部分聚合。部分聚合（例如範圍是30%至50%）可例如透過加熱、以UV光照射、或上述兩者至一定程度而達成，該程度使得該部分聚合的可聚合組成物呈液體形式，從而可倒至第一基材上。一個範例中，在混合之後及該可聚合組成物配置在第一基材的第一表面上之前，該可聚合組成物加熱至100°C至125°C的範圍達5至15分鐘。
再次參考第1圖，在104，該可聚合組成物接觸第二基材的第一表面。該第二基材可為處於環境溫度或可在該可聚合組成物接觸該第二基材之第一表面之前或同時加熱。一個範例中，該第二基材加熱至一溫度，該溫度超過該第一基材之溫度25°C至50°C，比該可聚合組成物配置在該第一基材之第一表面上時的該第一基材溫度還高。該第二基材一般是碟狀物或晶圓，厚度在300µm至10mm之範圍，且直徑是5cm至30cm。該第二基材可由諸如石英、玻璃、或氧化矽之類的材料製成。第二基材的TTV一般是在100nm至20µm之範圍。所得的光子裝置的光學效能一般是透過增加第二基材之厚度與減少第二基材之TTV而增強。一個範例中，第二基材之第一表面是平坦表面。另一範例中，第二基材之第一表面是圖案化表面，且該第二基材是圖案化模具，如本文中針對第一基材所描述。一般而言，第一基材與第二基材之至少一者是圖案化模具。
在可聚合組成物接觸第二基材的第一表面之前，該第二基材可塗佈有脫模層。該脫模層的厚度一般是1nm至30nm厚的範圍。脫模層可為氟矽烷塗層、金屬塗層、金屬氧化物塗層、或是適合與以硫醇-烯為基礎的聚合物樹脂一併使用的任何其他塗層。一個範例中，PDMS脫模層透過一製程形成在該第二基材上，該製程包括：清潔該第二基材、以PDMS薄層塗佈該第二基材、及藉由將該第二基材放置在熱板上且加熱該基材（例如於200°C達15分）而固化該PDMS。
該可聚合組成物可以一方式接觸第二基材之第一表面，該方式使得由於第一基材與第二基材之間氣體捕捉而造成的缺陷形成減至最小。一個範例中，使該可聚合組成物接觸基材包括在該第一基材與該第二基材之間形成銳角，以及減少該銳角的值，直到該第一基材與該第二基材平行且分開預定的距離為止，該預定距離是經選擇而產生範圍10µm至1cm的厚度的光子裝置。分開預定的距離可透過間隔件達成，該間隔件定位在第一基材之第一表面與第二基材之第一表面之間。一個範例中，兩個或更多個間隔件耦接第一基材之第一表面、第二基材之第一表面、或上述兩者。
在106，可聚合組成物固化而產生聚合結構，該聚合結構有第一表面及第二表面，該聚合結構的該第一表面與該第一基材的該第一表面接觸，該聚合結構的該第二表面與該聚合結構的該第一表面相對且接觸該第二基材的該第一表面。可選擇例如僅透過加熱、僅透過以UV輻射照射、或透過加熱及以UV輻射照射之組合而固化該可聚合組成物，以調整所得之光子裝置的機械與光學性質。一些實例中，透過UV照射之部分固化之後接著加熱（例如，在範圍為100°C至350°C之溫度達5分鐘至24小時），以完全固化該可聚合組成物，從而在第一基材之第一表面與第二基材之第一表面之間產生聚合結構。
一些實施例中，固化該可聚合組成物是透過以可控制、高強度、均勻的UV照射對該可聚合組成物進行照射而達成。如在此所用，均勻的UV照射大體是指在整個照射可聚合組成物期間強度實質上恆定的UV照射。如在本文中所用，「實質上恆定」的UV照射強度通常是指在整個照射期間UV強度的差異小於20%的峰強度。使用包括UVA、UVB、UVC、或上述UV之組合以形成均勻、大面積、及準直來源且具有至少10mW/cm2 的功率密度的UV輻射有效促進高折射率聚合物基材的聚合及固化，而不會造成有些區域中聚合物鏈彼此有差異地固化。功率密度通常是低於20,000mW/cm2 。固化的差異可包括不同的聚合物鏈排列、聚合物鏈排列的不均勻、及類似情況。當UV強度並非均勻及良好準直，或者散射發生（諸如反向散射或來自待固化的可聚合組成物附近的表面的散射），則該聚合物可能歷經主體層級（bulk level）的扭曲，而使TTV增加、所得之聚合物整體透射度減少、或上述兩者情況。高強度、均勻的UV源也可均勻地將該聚合物加熱至低於100°C的溫度，而也可助於進一步固化聚合物及改善其化學穩定性。
對厚度從約200μm至約500μm的聚合結構而言，此UV原位聚合及固化製程產生低TTV與低弓形/翹曲。這些聚合結構可經製造成兀立（獨立）的基材或有波導件浮雕（relief）圖案形成在至少一個表面上。再者，一些例子中，無熱固化存在下的聚合可於小於5分鐘內達成，且因此適合用在快速、節省成本、大規模的生產。
在108，聚合結構與第一基材與第二基材分開，而產生單片光子裝置。通常允許該聚合結構冷卻至室溫，之後再從第一基材與第二基材分開。從第一基材與第二基材分開該聚合結構可包括：從該第一或第二基材脫模或剝離該聚合結構。該單片光子裝置為光學透明，且具有範圍為1.6至1.9或1.7至1.9的折射率。一個範例中，光子裝置的視場（4:3長寬比）多達50°。光子裝置具有範圍為10μm至1cm的殘餘層厚度。如本文所用，「殘餘層厚度」是指光子裝置的第一表面與光子裝置的第二表面之間的最小距離。
一些實例中，製程100中的一或多個操作與另一操作組合或由另一操作取代，該等操作之一或多者的順序互換，兩個或更多個操作同時或連續發生，或為上述情況之任何組合。某些情況中，製程100可包括本文所述之一或多個額外操作。
第3圖是描述第二示範性製程300的流程圖，該第二示範性製程300用於從可固化高折射率可聚合組成物製造單片、光學透明、高折射率的光子裝置。關於針對製程100描述的基材、可聚合組成物、及製造製程的細節也適用於製程300，除非另有描述。
在302，可聚合組成物配置在第一基材之第一表面與第二基材之第一表面之間。第一基材之第一表面與第二基材之第一表面分開（例如透過間隔件）而達成光子裝置之期望厚度。在第一基材與第二基材之間配置可聚合組成物可包括在兩個基材之間注入可聚合組成物。在該可聚合組成物配置於第一基材與第二基材之間的同時，可加熱第一基材、第二基材、或上述兩者（例如，加熱至100°C至250°C之範圍的溫度）。
在304，可聚合組成物固化而產生聚合結構，該聚合結構有第一表面及第二表面，該聚合結構的該第一表面與該第一基材的該第一表面接觸，該聚合結構的該第二表面與該聚合結構的該第一表面相對且接觸該第二基材的該第一表面。固化可僅透過加熱、僅透過UV照射、或透過加熱及UV照射之組合而達成，諸如針對第1圖所述。在306，該聚合結構從該第一基材及第二基材分開而產生單片光子裝置。
一些實例中，製程300中的一或多個操作與另一操作組合或由另一操作取代，該等操作之一或多者的順序互換，兩個或更多個操作同時或連續發生，或為上述情況之任何組合。某些情況中，製程300可包括本文所述之一或多個額外操作。
第4圖描繪用於製造示範性光子裝置的製程400。可針對製程100而理解製程400的細節，除非另有描述。第一基材402是圖案化模具，具有第一表面404，該第一表面404具有突出部及凹陷部的圖案406，以及耦合光柵（in-coupling grating）408。第一基材402塗佈有脫模層210。第二基材412具有第一表面414，該第一表面414塗佈有脫模層416。在可聚合組成物418配置在第一基材的第一表面404上之前，先加熱第一基材402與第二基材412兩者。可聚合組成物418是本文所述之可固化的高折射率可聚合組成物。第二基材412朝第一基材402前進，直到第二基材接觸間隔件420為止，從而將該可聚合組成物418散佈在第一基材與第二基材之間，而填充圖案406。諸如針對第1圖所述，可聚合組成物418為僅透過UV照射、僅透過加熱、或透過UV照射與加熱之組合而固化，而產生聚合結構422。聚合結構422冷卻至室溫，接著從第一基材402與第二基材412分開，而產生單片光子裝置424。單片光子裝置424之第一表面426具有圖案428以及耦合光柵430，該圖案428具有突出部與凹陷部。單片光子裝置424為光學透明且具有範圍為1.6至1.9的折射率。單片光子裝置426的視場（4:3）為多達50°。
在製程400中，可聚合組成物418可以一方式接觸第二基材412之第一表面414，該方式使得所得的光子裝置中的缺陷形成減至最小，該缺陷的形成是由於第一基材402與第二基材之間氣體捕捉而造成。一個範例中，如第5A圖所描繪，使該可聚合組成物418接觸第二基材412包括在該第一基材402與該第二基材之間形成銳角α。如箭號所指，第二基材412朝第一基材402旋轉，而減少該銳角α的值，如第5B圖所描繪。如第5C圖所描繪，持續旋轉第二基材412，直到該第一基材402與該第二基材412平行且由間隔件420分開為止，該等間隔件420界定一距離，該距離是經選擇而產生最大厚度範圍為10µm至1cm的光子裝置。
另一範例中，如第6A圖所描繪，第二基材412在接觸可聚合組成物418之前彎折，且第二基材的凸出的第一表面接觸該可聚合組成物。在接觸可聚合組成物418之後，第二基材412的端部朝第一基材402前進，如第6B圖中所描繪，而減少角度α的值。如第6C圖所描繪，第一基材402與第二基材412平行且由間隔件420分開。
尚有另一範例中，如第7A圖所描繪，第一基材402與第二基材412在該第二基材接觸可聚合組成物418時彎折，且該第一基材之凸出第一表面上的可聚合組成物接觸該第二基材的凸出第一表面。接觸可聚合組成物418之後，第二基材412的端部朝第一基材402前進，如第7B圖中所描繪，而減少角度α的值。如第7C圖所描繪，第一基材402與第二基材412平行且由間隔件420分開。
移除第一基材與第二基材之間所捕捉的氣體也可在起始可聚合組成物之聚合之前透過下述方式達成：於氦氣環境中將可聚合組成物配置在第一基材上，或是將其中執行轉印製程的環境的壓力減少至低於大氣壓。以氦氣取代捕捉的空氣通常減少所得的聚合結構中的缺陷，因此氦氣比空氣更易於從溶液逃逸。減少環境的壓力可迫使捕捉的氣體朝向第一基材與第二基材之邊緣。將捕捉的空氣從可聚合組成物移除之後，如需要可引入含有氧之氣體（例如空氣）以用於可聚合組成物的固化。
第8A圖描繪示範性單片、光學透明光子裝置800，該光子裝置800具有圖案化第一表面802與平坦第二表面804。圖案化第一表面802具有突起部806與凹陷部808。突起部806與凹陷部808可在尺寸上均勻或有差異。突起部806是奈米結構、微米結構、或上述結構之組合，如本文所述。光子裝置800具有殘餘層厚度r，範圍為10µm至1cm。如在本文所用，「殘餘層厚度」是指光子裝置的第一表面與光子裝置的第二表面之間的最小距離。
第8B圖描繪示範性單片、光學透明光子裝置810，該光子裝置800具有圖案化第一表面812與圖案化第二表面814。圖案化第一表面812與圖案化第二表面814具有突起部806與凹陷部808。突起部806與凹陷部808可在尺寸上均勻或有差異。突起部806是奈米結構、微米結構、或上述結構之組合，如本文所述。光子裝置810具有殘餘層厚度r，範圍為10µm至1cm。
對於高體積或高量澆鑄聚合結構而言，使用設計成達成適當間隔的可互換的UV透射澆鑄板或晶圓可包括凹槽或抬高表面，從而避免需要分開的間隔件。這樣的澆鑄板或晶圓可由熔融氧化矽或高品質石英製造，該熔融氧化矽或高品質石英具有在大於200nm波長處的高UV透射度。使間隔件厚度整合（例如，機械切削（machine）、溼/乾蝕刻等）至澆鑄板中有助於在施加適當的力將兩個板推在一起時確保堆疊的聚合結構之間維持適當間隙距離，其中間隙距離是由整合的間隔件所維持，該間隙對由於生產工具操作期間澆鑄工具振動造成的差異不敏感。澆鑄期間澆鑄工具振動或其他不規則會產生非期望的TTV差異而導致不良影像品質。
第9A圖至第9D圖描繪示範性澆鑄板，該示範性澆鑄板適合用於生產工具中的可交換插入件，且具有用於澆鑄毛坯的預先機械切削的凹槽，或具有選定厚度的圖案化聚合結構或膜。第9A圖至第9D圖中描繪的每一特徵具有小於±1μm的TTV。第9A圖是圓筒狀澆鑄板900的透視圖。一個範例中，圓筒狀澆鑄板900具有75mm之半徑及10mm之厚度。第9B圖是圓筒狀澆鑄板910的透視圖與剖面圖，在其周邊環繞有凸耳912。一個範例中，圓筒狀澆鑄板910的半徑是75mm，凸耳912沿著該圓筒狀澆鑄板的半徑的長度是15mm。圓筒狀澆鑄板910的厚度在該澆鑄板之中心處為10mm，且該凸耳的厚度是200μm至500μm（例如350μm）。第9C圖是圓筒狀澆鑄板920的透視圖與剖面圖，具有凸耳922環繞在其周邊的多個部分。一個範例中，圓筒狀澆鑄板920的半徑是75mm，凸耳922沿著該圓筒狀澆鑄板的半徑的長度是15mm。圓筒狀澆鑄板920的厚度在該澆鑄板之中心處為10mm，且每一凸耳的厚度是200μm至500μm（例如350μm）。第9D圖是矩形澆鑄板930的透視圖與剖面圖，該澆鑄板930在其轉角有間隔件932。一些例子中矩形澆鑄板930是方形。一個範例中，矩形澆鑄板930是側邊長150mm且厚度10mm的方形。一個實例中，間隔件932是側邊長15mm且厚度是300μm至500μm（例如350μm）的方形。 範例
可聚合組成物是透過分別以1:2的莫耳比混合四乙烯基矽烷及1,3-苯二硫醇而製備。將1%（重量/重量）的光起始劑（2-羥基-2-甲基苯丙酮）添加至此單體混合物，以在UV暴露期間產生自由基。混合後一分鐘內使用硫醇-醚「點擊」組成物。該組成物均勻分散在圖案化石英550μm板中心處且直徑為約2”。隨後將頂部1mm板接觸保持在兩板之間邊緣處的300μm間隔件。該兩板與位在該兩板之間的未固化材料是以非均勻的UVA源固化。該UVA源具有2”直徑的高強度區（~110mW/cm2 ），使用5”擴散片將該高強度區延伸而完全固化多達5”的面積，而將朝向邊緣的強度減少至約~30mW/cm2 或更低。第10A圖是所得的完全圖案化UV固化膜（直徑為5”）1000的影像，其中中心部分1002在固化後自我脫層。膜1000固化期間的UV源強度描繪於第10B圖中，其中可固化組成物1004顯示為在澆鑄板1006之間。澆鑄板1004的直徑上UV強度1008造成聚合膜1000的中心部分1002的自我脫層。
第11圖是圖表，顯示通過聚合基材的波長從380nm至800nm的光的平均透射度。該透射度是使用光譜儀及白光源所量測，該白光源的相對於所製造的聚合基材之表面的光源入射角為0度。所量測的光班尺寸為直徑約3mm至約5mm。量測多點。
已描述許多實施例。然而，會瞭解可不背離本發明之精神與範疇而作各種修改。
100‧‧‧製程
102-108‧‧‧操作
300‧‧‧製程
302-306‧‧‧操作
400‧‧‧製程
402‧‧‧第一基材
406‧‧‧圖案
410‧‧‧脫模層
412‧‧‧第二基材
414‧‧‧第一表面
416‧‧‧脫模層
418‧‧‧可聚合組成物
420‧‧‧間隔件
800‧‧‧光子裝置
802‧‧‧第一表面
804‧‧‧第二表面
806‧‧‧突出部
808‧‧‧凹陷部
810‧‧‧光子裝置
812‧‧‧第一表面
814‧‧‧第二表面
900‧‧‧圓筒狀澆鑄板
910‧‧‧圓筒狀澆鑄板
912‧‧‧凸耳
920‧‧‧圓筒狀澆鑄板
922‧‧‧凸耳
930‧‧‧矩形澆鑄板
932‧‧‧間隔件
1000‧‧‧膜
1002‧‧‧中心部分
1004‧‧‧可固化組成物
1006‧‧‧澆鑄板
1008‧‧‧UV強度
第1圖是用於光子裝置製造的第一示範性製程的流程圖。
第2A圖至第2C圖描繪側氧基（oxo）金屬團簇。
第3圖是用於光子裝置製造的第二示範性製程的流程圖。
第4圖描繪示範性光子裝置的製造。
第5A圖至第5C圖、第6A圖至第6C圖、及第7A圖至第7C圖描繪將可聚合組成物接觸基材以減少光子裝置中缺陷形成。
第8A圖與第8B圖描繪示範性單片光子裝置。
第9A圖至第9D圖描繪示範性澆鑄板。
第10A圖是以非均勻UV強度照射的聚合物膜的影像。第10B圖描繪以非均勻UV強度照射聚合組成物。
第11圖是顯示通過聚合基材的光的透射度的圖表。
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Claims (21)

  1. 一種製造高折射率光子裝置之方法，該方法包括下述步驟： 將一可聚合組成物配置在一第一基材的一第一表面上；將該可聚合組成物接觸一第二基材的一第一表面，藉此將該可聚合組成物散佈在該第一基材的該第一表面上；使該可聚合組成物固化而產生一聚合結構，該聚合結構具有一第一表面、一第二表面、以及一選擇的殘餘層厚度，該聚合結構的該第一表面與該第一基材的該第一表面接觸，該聚合結構的該第二表面與該聚合結構的該第一表面相對且接觸該第二基材的該第一表面，該選擇的殘餘層厚度介於該聚合結構的該第二表面與該聚合結構的該第一表面之間且範圍為10μm至1cm；以及將該聚合結構從該第一基材及該第二基材分開，而產生一單片（monolithic）光子裝置，其中該單片光子裝置的折射率為至少1.6。
  2. 如請求項1所述之方法，進一步包括下述步驟：在將該可聚合組成物配置在該第一基材的該第一表面上之前，以一脫模層塗佈該第一基材之該第一表面。
  3. 如請求項1所述之方法，其中使該可聚合組成物固化包括下述步驟：將該可聚合組成物加熱到低於100°C之溫度。
  4. 如請求項1所述之方法，其中該聚合結構之該第一表面與該聚合結構之該第二表面之間的該選擇的殘餘層厚度是在250μm至500μm的範圍。
  5. 如請求項1所述之方法，其中該單片光子裝置在400nm至800nm之間的透射度大於80%。
  6. 如請求項1所述之方法，進一步包括下述步驟：將該可聚合組成物配置在該第一基材的該第一表面上之前，將該第一基材加熱到至少100°C。
  7. 如請求項1所述之方法，進一步包括下述步驟：在將該可聚合組成物接觸該第二基材的該第一表面之前，以一脫模層塗佈該第二基材之該第一表面。
  8. 如請求項1所述之方法，進一步包括下述步驟：在將該可聚合組成物接觸該第二基材的該第一表面之前，將該第一基材、該第二基材、或上述兩者加熱到至少100°C。
  9. 如請求項1所述之方法，進一步包括下述步驟：在將該可聚合組成物配置在該第一基材的該第一表面上之前，部分聚合該可聚合組成物。
  10. 如請求項1所述之方法，其中該可聚合組成物包括： 多個第一單體，每一第一單體具有至少兩個乙烯基、烯丙基、或丙烯酸酯基團；以及多個第二單體，每一第二單體具有至少兩個硫醇基團。
  11. 如請求項10所述之方法，其中該可聚合組成物包括一光起始劑、一熱起始劑、或上述兩者。
  12. 如請求項10所述之方法，其中該可聚合組成物包括一金屬氧化物。
  13. 如請求項12所述之方法，其中該金屬氧化物包括氧化鈦、氧化鋯、及氧化鋅之至少一者。
  14. 如請求項10所述之方法，其中該可聚合組成物包括一界面活性劑。
  15. 如請求項1所述之方法，其中該單片光子裝置為光學透明。
  16. 如請求項1所述之方法，其中該可聚合組成物包括： 20重量%至90重量%的一高黏度多官能成分；5重量%至40重量%的一低黏度單官能或多官能成分；0.2重量%至5重量%的一光起始劑；0.2重量%至2重量%的一光穩定劑；及0.2重量%至2重量%的一抗氧化劑，且其中固化該可聚合組成物包括透過單一官能性進行聚合物交聯。
  17. 如請求項16所述之方法，其中該可聚合組成物包括無機奈米顆粒或分子層級的團簇。
  18. 如請求項1所述之方法，其中該可聚合組成物包括： 20重量%至80重量%的具一第一反應性基團的一多官能成分；20重量%至80重量%的具一第二反應性基團的一多官能成分；0.2重量%至5重量%的一光起始劑；0.2重量%至2重量%的一光穩定劑、及0.2重量%至2重量%的一抗氧化劑；且其中該第一反應性基團與該第二反應性基團不同，且固化該可聚合組成物包括透過交互反應而進行聚合物交聯，該交互反應是透過至少該第一反應性基團及該第二反應性基團進行。
  19. 如請求項18所述之方法，其中該可聚合組成物包括最大粒徑為20nm的無機奈米顆粒。
  20. 如請求項1所述之方法，其中該單片光子裝置是一透鏡。
  21. 一種光子裝置，包括： 一單片結構，包括一固化聚合物材料且具有至少一個圖案化表面，該圖案化表面界定多個突出部與多個凹陷部，其中該單片結構的折射率為至少1.6，且該單片結構之最小厚度一般是在10μm至1cm之範圍。
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