TWI289683B - Method for fabricating microlens arrays - Google Patents

Description

1289683 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種微透鏡陣列之製造方法，特別是關於 一種藉由轉移程序形成微透鏡陣列的製造方法。 【先前技術】 微透鏡陣列元件是在透明的基材上製作出許多曲面狀的 微結構圖樣，其具有折射光線與聚焦光束的功能，可應用於光 纖，結與光訊號定位傳輸等精密通訊裝置與影像感測器中光 ，訊號轉換與影像品質提升的光學零組件上，或者應用於顯示 器中扮演光源集中化、增強化與均勻化的重要角色。傳統的微 $鏡陣列元件的製造方法很多，目前較具代表性的有幾種製 程，包括光阻熱熔法、高能量離子束或雷射雕刻法、灰階光罩 微影法、液滴噴墨法與塑膠鍀模成型法等。茲分別說明如下： 首^，為傳統的光阻熱熔法，首先在基板上塗佈一層感 光性的高分子阻劑，經過一道光罩的曝光顯影製程後，基板1 呈現一微小圓柱陣列的光阻結構圖案，接著加溫至高分子 璃轉移’1度以上，此時高分子阻劑在熔融狀態下藉由表面 ，力作用而形成半球狀的透鏡，待基板冷卻至室溫後，可以 ^上可獲得微透鏡陣列的結構。此法結合 歹雖可製作大面積且高品質的以 半徑大㈣與曲率 早击ίί ί高能量離子束或雷射_法，此法係_聚隹錐 柘、射經由物鏡投影或直接書寫的方式在鋼^美 移動高i量材上進行微加工，經由程式控制精確ί 先束或基材，並適當調整加工能量與功率，就可以 6 1289683 ^作塑膠微透鏡_元件與其金屬模具，此法雖可精翻製作 ^各種不同輪廓尺寸的微透鏡，但製程設備昂貴，製程時間 且不易製作大面積的微透鏡陣列元件，因此無法滿足未 大面積元件之量產與低價化之市場需求。 ”、 立第一種方法為灰階光罩微影法，此法係利用灰階光罩上 f部位的穿透率不_產生灰度，因此在 =得到非常平滑，且接近連續相位的表面曲線或^^ 多次的對準曝光製程，只需要調變灰階料的灰度設計 ^曝，影的參數就可製作出不同曲率輪廓的微透鏡陣“ ★法最大的缺點在於灰階光罩的製作程序複雜且昂貴，而 且亦不適合生產大面積的微透鏡陣列結構。 第四種方法為液滴噴墨法，此法之工作原理盥一 程完全相同’_精密的喷墨頭與平台移^機構將$ ^刀子阻劑有秩序的喷印在基板上而形成微透鏡陣列，藉由 ，墨液滴的體積控制與精確的位移控制，可製作出多種大 陣列元件，此法雖具彈性化及可量產等優點，但所 率:技術門檻頗高’在製程的她 第五種綠為歸賴法，此法係彻等向性渴餘 以密=力r技術(車削、磨削…等)於矽晶圓 〜製作出塑膠微透鏡陣列元件，在=性= 步驟多、時間長，而且不易控制微透鏡的 1輪廓’而精挽機械加工技術雖可精密控制微透鏡的外型尺 精密加工設鮮貴，製作模具的_長、成本高， 且不易1作大面積與特別微小尺寸的透鏡陣列元件。 僧你iff此’仍有必要發展新的製程以符合大型量產與低 價位的*求。並藉崎低製造縣，提升生產效能，甚至提供 1289683 未來大面積尺讀性與多魏性的光電產品之應用 【發明内容】 明提二上=二=合產業上之要求’本發 在於藉由概將樹轉移至基材上，當 形成曲的制，基材上峨鹿自然 麻、漏魅：·，舶固化1程賴化基材上之曲面結構並 鏡ti/b法不僅製程簡錄速，可大幅降低ί造時 mrnt面張力特性以控制微透鏡的外型輪廊與 將月"滿足未來產品低價化、_化與多魏化之需求。 目的在於提供不闕基材設計以定位曲面 ，藉此確保所製造的微透鏡陣列之外型 Ϊ2?:ίί;定位準確。本發明揭示具有凹狀結構、 ❹、:ι、μ:平台之基材’利用毛細作肖、親和力差異與幾何 之目的。據此，本發明能符合經濟上的效益與產 根據以上所述之目的，本發明揭示了一種微透鏡陣列之 氣造方法，首先提供一具有複數個凹槽之模版、一樹脂與一基 材j其中’上述之樹脂更包含熱硬化樹脂或光硬化樹脂。其次， 進行一填料程序以填充樹脂於複數個凹槽内。接著，進行一轉 ^程序將複數個凹槽内之樹脂轉移至基材上，其中，基材上之 樹脂藉由表面張力作用形成曲面結構。然後，進行一固化製程 以固化基材上之曲面結構並形成微透鏡陣列於基材上。 1289683 【實施方式】 本發明在此所探討的方向為_種微透鏡陣列之製造方 ί驟底土也暸解本發明，將在下列的描述中提出詳盡的 其i成。顯然，’本發明的施行並未限定於微透鏡領域 中二有通吊知識者所熟習的特殊細節。另一方面，眾所周知的 組成或步驟並未描述於細節巾，㈣免造成本發明不必要之限 制。本發明的較佳實施例會詳細描述如下，然而除了這些詳細 描述之外，树日聽可以敍地雜在其他的實_中， 發明的範圍不受限定，其以之後的專利範圍為準。 參 ，考第-圖所示，本發明之—實施例揭露—種微透鏡陣 列之製造方法’首先提供-具有複數個凹槽1G2之模版觸、 -樹脂110與-基材120，其中，上述之模板1〇〇的材質 可撓性彈性材料’例如：聚二甲基妙氧mpdy(dimethyl sil_e) ; PDMS]。上述之凹槽102截面形狀包含下列族群中 之一者··圓形、橢圓形、方形與六角形。此外，樹脂11〇更包 含熱硬化樹脂或光硬化樹脂。另一方面，基材12〇的材質包含 玻璃、塑膠财晶圓。其次，進行—填料程序13G以填充樹脂 110於複數個凹槽102内。然後，進行一轉移程序14〇將複數 個凹槽102内之樹脂110轉移至基材12〇上，其中，基材12〇 上之樹脂110藉由表面張力作用形成曲面結構\'5〇。▲著，進 行一固化製程160以固化基材12〇上之曲面結構15〇並形成微 透鏡陣列180於基材120上。於本實施例之一較佳範例中，於 完成填料程序130後，可藉由一移除裝置19〇去除模版1〇〇表 面與複數個凹槽102外之樹脂110,以精確控制每一個凹槽1〇2 内的樹脂110含量，藉此確保後續形成之每個曲面結構具 有幾乎相同的曲率半徑與外型輪廓。 於本實施例中，上述之固化製程160包含加熱程序17〇 (例如：烘烤處理）或是光照程序17〇 (例如：紫外光照射） 以硬化樹脂。另一方面，上述之微透鏡陣列18〇材質的選擇最 9

1289683 好能符合透明、高透光率、高解析度及高耐熱等性質，其材質 包含下列族群中之一者··環氧樹脂（ep〇Xy )、聚喊石風 (polyether-polysulfone，PES)、聚醯胺（p〇lyamide，PA)、聚醢 亞胺（polyimide，PI)、聚醚亞醯胺（polyether_p〇lyimide，pEI> 芳香族聚酯（polyarylate，PAR )、COC ( cyclic olefin copolymer)、聚碳酸酯（p〇iycarb〇nate5 pc)及其共聚物。 第二圖係為表面張力原理示意圖，用以解釋本發明如何 藉由改變表面張力特性來控制微透鏡外型輪廓與曲率半徑。根 據Young氏定律，當一固體220表面上存在一滴液體21〇時， 在液體210、固體220、氣體230界面處有三種作用力使液滴 達到平衡狀態，分別為液體210-固體220間的表面張力7ls、 液體210-空氣230間的表面張力yLA(液體的表面張力）、固體 220_空氣230間的表面張力r SA (固體的表面張力）。三 力之平衡關係如下： r sa= r ls + r LAcos θ (Θ 為接觸角） 因此只要適當的控制液體210與固體220 輪廊與曲率#。一般可利用環境= ϋ在液體21G中添加有機溶劑、鹽類或界面活性 的表面張力。此外，亦可改變固體220表面的 制耕型輪軸醉伟，如：當基材 面張力增加而增加，且厚度變小（如第三圖 材且構15G之曲率半鶴郭^表面張 另二佳#又變大（如第四圖所示)。於本實施例之 美材1 又2〇:親欠^!溫度可降低液體的表面張力，因此，若 基^ 120為親水性基材’則曲面 溫度增高而增加，轉度變小（如 1曲羊者， 材120為疏水性基材,曲一圖^斤不），反之’若基

1289683 另一方面，改變基材表面的親疏水特性可使用化學或物 理表面改質技術，其中，化學表面改質技術包含將基材浸泡在 化學溶液中，利用基材本身之官能基進行化學接枝，或利用電 漿蝕刻及電漿接枝等技術進行表面修飾改質。此外，物理表面 改質技術包括表面塗佈技術，電漿沈積，或是藉由蒸鍍儀器進 行表面金屬沈積處理。 、 口 於本實施例中，當上述之樹脂11〇與基材12〇表面之親 &水性質接近，則曲面結構150傾向侧邊擴散，若不控制其擴 散範圍，容易造成微透鏡陣列18〇之外型輪廂與曲率半徑不 一；反之，當上述之樹脂110與基材120表面之^疏水性^明 顯差異，則曲面結構150傾向内部收縮，並容易在基材12〇表 面亡滾動，常造成定位上的誤差。為解決上述問題，本發明提 供三種不同的基材設計·· 1·參考第五Α圖所示，基材12〇包 含複數個凹狀結構122A，且複數個凹狀結構122A係分別對 應於複數個凹槽102 ,其中，凹狀結構122A的截面積小於凹 槽102的截面積，以便於藉由毛細作用將樹脂11〇由模版 的凹槽102轉移至凹狀結構122A中。此外，參考第五B圖所 示，當凹狀結構122A穿透基材120時，應用相似的原理可形 成雙凸透鏡或雙凹透鏡（未顯示於圖中）。在本情形中，可以 於基材120遠離模版1〇〇的一面施加一吸引力（例如··抽真空） 以幫助樹脂110進入凹狀結構122A内2•參考第六圖所示， 基材120包含複數個接觸區122B，且複數個接觸區122B係分 別對應於模版1〇〇上複數個凹槽102，其中，接觸區i22B 樹脂110之親和力大於基材！2〇對樹脂11〇之親和力，藉此定 位曲面結構15〇與控制其擴散範圍丄參考第七圖所示，基材 120包含複數個凸起平台122C，且複數個凸起平台係分 別對應於模版100上複數個凹槽1〇2，其中，凸起平台 凹槽1G2的截面積，#此定㈣祕構15G"與控制 1 1289683 上 ，本發明藉由模版將樹脂轉移至基材 r自^成二二^由於表面張力的作用，基材上的樹

始:成微S =與: Ϊ:古ίΐί未來低價化、薄型化與多功能化之需求。 其擴w ifi本*同的基材設計以定㈣面結構與控制 巧„二藉此確保所製造的微透鏡陣列之外型輪廓與曲率 起ΐ a i美:位ίΐ:本發明揭示具有凹狀結構、接觸區或凸 it作用、親和力差異與幾何形狀達成上 ^之力i 〇據此，本發概符合經濟上的效益與產業上的利用 綜合以上所述，本發明揭示了一種微透鏡陣列之製造方 法，首先提供一具有複數個凹槽之模版、一樹脂與一基材，其 中，上述之樹脂更包含熱硬化樹脂或光硬化樹脂。其次，進g 填料程序以填充樹脂於複數個凹槽内。接著，進一 序將複數__之_轉移至基材上，其Ϊ，^上^^ 藉由表面張力作用形成曲面結構。然後，進行一固化製程以固 化基材上之曲面結構並形成微透鏡陣列於基材上。 顯然地，依照上面實施例中的描述，本發明可能有許多 的修正與差異。因此需要在其附加的權利要求項之範圍内^以 理解，除了上述詳細的描述外，本發明還可以廣泛地在其他的 實施例中施行。上述僅為本發明之較佳實施例而已，並^用以 限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精 神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在下述申請專利範^ 内 固 1289683 【圖式簡單說明】 種微透鏡陣列之製 第一圖係根據本發明之實施例中 造流程圖； 第二圖係為表面張力原理示意圖； 第三圖係根據本發明之實施例中，曲面結構之 增加，且厚度變小之示意圖； 仏 第四圖係根據本發明之實施例中，曲面結構之曲 減少，且厚度變大之示意圖； 1 第五A圖係根據本發明之實施例中，基材包含複數個凹 狀結構所對應之微透鏡陣列的製造流程圖； 第五B圖係根據本發明之實施例中，凹狀結構穿透基材 所對應之微透鏡陣列的製造流程圖； 第六圖係根據本發明之實施例中，基材包含複數個接觸 區所對應之微透鏡陣列的製造流程圖；與 第七圖係根據本發明之實施例中，基材包含複數個凸起 平台所對應之徼透鏡陣列的製造流程圖。 【主要元件符號說明】 102凹槽 120基材 140轉移程序 160固化製程 180微透鏡陣列 220固體 100模版 110樹脂 130填料程序 150曲面結構 170加熱程序或是光照程序 190移除骏置 210液體 230氣體 13

Claims (1)

1289683 十、申請專利範圍： 1·一種彳$透鏡陣列之製造方法，該微透鏡陣列之製造方法包含： 提供一具有複數個凹槽之模版、一樹脂與一基材； 進行一填料程序以填充該樹脂於複數個該凹槽内； 進行一轉移程序將複數個該凹槽内之該樹脂轉移至該基材 上’其中，該基材上之該樹脂藉由表面張力作用形成曲面結構； 與 進行一固化製程以固化該基材上之曲面結構並形成該微透 鏡陣列於該基材上。 2·如申請專利範圍第i項之微透鏡陣列之製造方法，其中上述之凹 槽截面形狀包含下列族群中之一者：圓形、橢圓形、方形與六 角形。 一 3·如申請專利範圍第1項之微透鏡陣列之製造方法，其中上述之模 板的材質包含可撓性彈性材料。 、 4·如申請專利範圍第3項之微透鏡陣列之製造方法，其中上述之模 板的材貝為聚二甲基發氧院[p〇ly(dimethyl siloxane) ; PDMSJ。、 5.如申請專利範圍第丨項之微透鏡陣列之製造方法，其 脂包含熱硬化樹脂。 6·如申請專利範圍第1項之微透鏡陣列之製造方法，其 脂包含光硬化樹脂。 八 对 7·如申請專利範圍第1項之微透鏡陣列之製造方法，其中上述之美 材的材質包含玻璃、塑膠與矽晶圓。 土 &如申請專娜圍第1項之微透辦狀製造紐，攸成該 私序後，藉由一移除裝置去除該模版表面與複數個該凹槽外之 該樹脂。 曰 9·如申>請專利範圍第1項之微透鏡陣列之製造方法，其中上 =係為親水性，制面結構之醇半彳靖著魏溫度增高而$ 1〇·如申請專利範圍第〗項之微透鏡陣列之製造方法，其t上述之 1 4 1289683 =係為疏水性，該曲面賴之轉半靖著環境溫度增高而 曲面結構係處:!二1方法，其中上述之 之曲率半徑與外型輪廓。劑糾脂中以調整該曲面結構 ^助劑包含下顺群中之—者：有機溶劑、麵與界面活性 13·如申請專利範圍第1項之微透鏡陣 甘士 ’、、 親水性，該曲面結構之曲率半徑隨著樹脂:面張= 14·ί^請ί利範圍第1項之微透鏡陣列之製造方法，其中上述之 疏振，制面、轉之曲轉觸著樹絲面張ί增 15.，申請專利範圍第1項之微透鏡陣列之製造方法，j：中上述之 基材包含魏_狀結構，且減_崎結 ^ j數個該凹槽，其中，該凹狀結構的截面積小 16·如申明專利範圍第15項之微透鏡陣列之製造方法，1 凹狀結構係穿透該基材。 〒上述之 17.如申請專，圍第1項之微透鏡_之製造方法，其中上述之 基材包含複數個接觸區，且複數個該接觸區係分別對應於複數 凹槽’其中，該接觸區對該樹脂之親和力大於該£材對該 樹脂之親和力。 18·如申請專利範圍第1項之微透鏡陣列之製造方法，其中上述之 基材包含複數個凸起平台，且複數個該凸起平台係分 複數個該凹槽，其中，該凸起平台的面積大於該凹槽的截面I: 19·如申請專利範圍第丨項之微透鏡陣列之製造方法，其中上述之 固化製程包含加熱程序以硬化該樹脂。 、 1289683 20·如申請專利範圍第1項之微透鏡陣列之製造方法，其中上 固化製程包含光照程序以硬化該樹脂。 、 K 21·如申請專利範圍第1項之微透鏡陣列之製造方法，其中上述之 微透鏡陣列的材質包含下列族群中之一者：環氧樹脂'(ep〇xy)、 聚醚砜（polyether-polysulfone，PES)、聚醯胺（p〇iyamide，PA)、 聚醯亞胺（polyimide，PI)、聚醚亞醯胺（polyether-polyimide， PEI )、芳香族聚酯（polyajylate，PAR )、COC ( cyclic olefin copolymer)、聚碳酸酯（polycarbonate, PC)及其共聚物。