TWI482988B

TWI482988B - 微透鏡陣列的製造方法及其微透鏡陣列

Info

Publication number: TWI482988B
Application number: TW101120618A
Authority: TW
Inventors: Guo Dung Su; Hsiang Chun Wei
Original assignee: Univ Nat Taiwan
Priority date: 2012-06-08
Filing date: 2012-06-08
Publication date: 2015-05-01
Also published as: US9030746B2; US20130329300A1; TW201350896A

Description

微透鏡陣列的製造方法及其微透鏡陣列

本發明是有關於一種微透鏡陣列的製造方法及其微透鏡陣列，特別是有關於一種利用親水性及電場效應之微透鏡陣列的製造方法及其微透鏡陣列。

近年來微透鏡的應用受到高度的重視，原因是它能夠大幅改善光電元件的效能，特別是在發光元件、光偵測器、太陽能電池、光纖通訊以及微光機電系統等領域。習知技術提出在發光二極體表面上製作微透鏡，因此發光二極體的發光效率能夠提升50%。習知技術提出在光偵測器表面上製作微透鏡，因此光偵測器的光電流也能提升11%。同樣地，微透鏡也被應用在人造衛星的太陽能板，以提高太陽能板的光利用率。因此，如何以經濟而有效的方法製作微透鏡，同時能夠與光電元件相匹配，是亟需努力的目標。

目前有許多技術來製作微透鏡陣列，例如噴墨列印法、光阻熱熔法、熱壓模造法、光罩微影法與雷射光刻法等。然而，這些方法往往具有設備昂貴、製作耗時、對正不準確、或需高溫處理的缺點。

另一種製作微透鏡陣列的方法主要是利用疏水效應。這種方法允許在不加熱的聚合物微透鏡陣列準確且直接的製造。因此，使用疏水效果製作微透鏡陣列是一種較簡單的方法。但是，它仍然需要一蝕刻傳輸過程或印刷方式來定義疏水性的界限。

因此，以需求來說，發展一種快速且低成本的微透鏡陣列製造方法及其微透鏡陣列，實為目前迫切需要解決之問題。

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之目的就是在提供一種利用親水性及電場效應之微透鏡陣列的製造方法及其微透鏡陣列，以解決目前技術其製程繁複且需要較高溫度等的問題。

根據本發明之目的，提出一種微透鏡陣列的製造方法，包含：提供具有一介面親水性改質聚合物層之一基板；利用具有轉換聚合物親水性之光線、氣體或液體，使該介面親水性改質聚合物層產生一親水性區域；在該基板上塗佈一液態材料，以在該親水性區域上凝聚出多個液態微透鏡；以及固化該些液態微透鏡，以形成多個微透鏡。

根據本發明之目的，再提出一種微透鏡陣列，其適於配置於一基板上，該微透鏡陣列包含一介面親水性改質聚合物層以及多個微透鏡。該介面親水性改質聚合物層係配置於該基板上，且該介面親水性改質聚合物層在該基板上透過具有轉換聚合物親水性之光線、氣體或液體定義出一親水性區域。多個微透鏡係配置於該親水性區域上。

根據本發明之目的，又提出一種微透鏡陣列的製造方法，包含：提供具有一介面親水性改質聚合物層之一基板；覆蓋一遮罩於該介面親水性改質聚合物層上；利用紫外光/臭氧改質該介面親水性改質聚合物層，使該介面親水性改質聚合物層產生一親水性區域；移除該遮罩；將該基板浸於一液態材料後移出，以在該親水性區域上凝聚出多個液態微透鏡；以及紫外光固化該些液態微透鏡，以形成多個微透鏡。

本發明前述各方面及其它方面依據下述的非限制性具體實施例詳細說明以及參照附隨的圖式將更趨於明瞭。

為利貴審查員瞭解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍，合先敘明。

[工作機制]

SU(8)光阻微透鏡陣列係在具有一SU(8)光阻基本層的氧化銦錫(Indium-Tin Oxide，ITO)玻璃基板上製作。 SU(8)是一種著名的光阻，其具有良好的機械強度和紫外光固化特性。它的表面係可利用紫外光(UV)/臭氧(ozone)改質，使其較具親水性。它在酚基上產生O-H，在SU(8)光阻表面上產生C=O和O-C=O的親水性功能。這造成SU(8)聚合物的親水性表面。改質後表面上的液體接觸角取決於處理時間、紫外光功率和臭氧的濃度。SU(8)光阻材料的極性分子使SU(8)光阻結構可以很容易地透過外部電場加以變形。越大的電場導致越大的曲率的微透鏡。SU(8)光阻基本層透過外部電場使微透鏡保持為一球形輪廓。基本層係擔任SU(8)透鏡以及氧化銦錫導電層之間的介電中間層。

請參閱第一A圖至第一D圖，其係為本發明SU(8)微透鏡陣列一實施例之製造流程示意圖。圖中示意地說明了透過紫外光/臭氧改質的親水性效應和外部電場拉動之SU(8)光阻微透鏡陣列的運作原理。如第一A圖所示，由下而上分別為氧化銦錫玻璃基板11、SU(8)光阻基本層12以及遮罩(Mask)13。10微米厚的圓形開孔SU(8)光阻遮罩13係用來定義上SU(8)光阻基本層上紫外光/臭氧改質的區域。其中，如第一B圖所示，暴露的區域相對於被遮蔽的區域在紫外光/臭氧改質後變得更加親水，即親水區/親水表面14。就表面改質來說，越多的處理時間就會有更加親水的表面14。換句話說，在較長的紫外光/臭氧改質時間下即會形成一較小的接觸角。接著，如第一C圖所示，在創造了更多的親水區14且SU(8)光阻遮罩13被移開之後，該基板11以一緩慢且恆定的速度(約0.3毫米/秒)浸於稀釋後之SU(8)光阻溶液15，而後再以相同之速度移出。最後，如第一D圖所示，在實施一外部電場和紫外光固化的過程後，SU(8)光阻微透鏡陣列16係在基板11上形成。

所提出的自組裝技術係利用了SU(8)透鏡和SU(8)基本層12之間的交聯；彼此之間的交聯非常強，不容易被破壞。SU(8)光阻的濃度必須足夠稀釋，以自動留在更加親水性特性的區域14。在紫外光固化過程後由於溶劑15蒸發，稀釋SU(8)光阻液態透鏡的體積將會萎縮。因此，接觸角相較於原始的較小，而且液態透鏡的底面積會比遮罩13開口底面積較小。在一般情況下，較高表面能量的SU(8)基本層12將會導致一個較大的底面積。換句話說，較長的紫外光/臭氧改質時間和較大的遮罩13開口將會導致較大的表面能量。另一方面，外部電場將會減少SU(8)基本層12的表面能量。它增加了SU(8)透鏡的接觸角，從而降低了曲率半徑以及保持了球形輪廓。在這些方面，可藉由紫外光/臭氧改質時間、遮罩13開口以及外加電壓的調整來控制該形狀和尺寸。

[製作程序]

為了定義親水區14，首先製作一個SU(8)光阻遮罩13。SU(8)光阻遮罩13具有良好的機械強度和化學耐性，因此，它為可拆卸且可重複使用。它以微機械加工的過程製作。首先，SU(8)光阻以5秒500轉以及30秒1000轉的速度在玻璃基板11上旋轉塗布。然後，它以 95℃ 3分鐘軟烤。接著使用405微米的波長和直徑50、100和200微米的光學遮罩，以3.2焦耳/平方厘米曝光。曝光後以65℃ 2分鐘及95℃ 1分鐘進行曝後烤。而硬烤為150℃ 3分鐘。最後，圓形開孔的SU(8)光阻遮罩13以等向性蝕刻在一個緩衝氧化層蝕刻劑(即稀釋氫氟酸)中被釋開。遮罩13厚度約為10微米。

在本實施例中，玻璃厚度為1.1毫米的氧化銦錫玻璃(LT-G001，Lumtek公司，台灣)，具有1600 Å厚度的氧化銦錫，此玻璃被切為尺寸為25毫米×25毫米的切片。它被用來作為基板。氧化銦錫電阻為15 Ω/sq且氧化銦錫在波長550奈米的可見光之透明度大於84%。市面上可得的SU(8)3035負型光阻、SU(8)2000稀釋劑和SU(8)顯影劑(MicroChem公司，麻州，美國)皆被使用於製造。為了清洗基板，氧化銦錫玻璃先以丙酮、異丙醇和去離子水清洗，然後在一加熱板以100℃ 10分鐘脫水。

作為示例說明，請參閱第二A圖至第二G圖，其係為本發明SU(8)微透鏡陣列再一實施例之製造流程示意圖。

SU(8)光阻基本層

在本實施例中，氧化銦錫玻璃被選擇作為基板11，因其親水性表面產生SU(8)光阻之一平坦被覆且氧化銦錫作為一導電層。在本實施例中，採用了旋轉塗佈法(NWC-W-1102，Laurell Technologies公司，美國)來塗佈氧化銦錫玻璃上的SU(8)光阻。轉速為5秒500轉和30秒4000轉。為了生產更薄的SU(8)光阻層，以重量比為10：8的SU(8)3035負型光阻及SU(8)2000薄光阻來做混合。其中，跳過烘烤過程以控制其過程皆在室溫。它最終曝光在9.6焦耳/平方厘米紫外光固化。一個厚度為5微米的SU(8)光阻基本層12被形成，如第二A圖所示。

紫外光/臭氧改質

如前所述，透過紫外光/臭氧改質後的SU(8)光阻較具親水性。這取決於處理時間，紫外光功率和臭氧的濃度。紫外光/臭氧清潔機的光源(型號：UV-1，Samco)在254和182奈米之間的波長為110瓦。氧氣流率為0.5公升/分鐘。為了定義透鏡的底部區域，50、100和200微米直徑開口的SU(8)遮罩13係被應用於SU(8)光阻基本層12，如第二B圖所示。隨後，1至4分鐘的紫外光/臭氧21改質係實施於不同尺寸的遮罩13，如第二C圖所示。在紫外光/臭氧改質後，SU(8)光阻遮罩13將可移除，供未來有需要時再使用，如第二D圖所示。因此，具有較高親水性圓形區域14之SU(8)光阻基本層12被形成，如第二E圖所示。

在稀釋的SU(8)光阻浸泡且移出

在創造了更加親水性區域14且SU(8)光阻遮罩13被移開之後，該基板11以一緩慢且恆定的速度(約0.3毫米/秒)浸於稀釋後之SU(8)光阻溶液15，而後再以相同之速度移出，如第二F圖所示。稀釋SU(8)光阻溶液15的體積比率為SU(8)3035負型光阻及SU(8)2000稀釋劑以1：6的比率混和。混合物應被稀釋使粘度夠低，以確保在SU(8)光阻基本層12不同區域上的SU(8)溶劑15因表面能量差異的分離。從SU(8)光阻溶劑15中移出後，微透鏡陣列16將會被產生。請注意，在這段時間內，微透鏡陣列16仍然是液態。

施加電場和紫外光固化

最後，具有液態微透鏡陣列16的銦錫氧化物玻璃基板11被施以一外部電場22以將液態微透鏡陣列16拉至理想的曲率。電場分別為1.7和3.4伏特/微米。所製作的SU(8)光阻微透鏡陣列16接著暴露在7.2焦耳/平方厘米、405微米波長的紫外線光輻射23，使交聯的SU(8)微透鏡陣列具有高機械強度，如第二G圖所示。與沒有外部電場牽引的微透鏡陣列相比，產生較短焦距的微透鏡陣列。

為求清楚起見，以下將本發明微透鏡陣列的製造方法以步驟說明。請參閱第三圖，其係為本發明之微透鏡陣列製造方法一實施例之流程圖，包含下列步驟：(S31)提供具有一光阻層之一基板；(S32)覆蓋一遮罩於該光阻層上；(S33)利用紫外光/臭氧改質該光阻層，使該光阻層產生一親水性區域；(S34)移除該遮罩； (S35)將該基板浸於一液態材料後移出，以在該親水性區域上凝聚出多個液態微透鏡；(S36)利用一外部電場將該些液態微透鏡的曲率拉至一所需角度；以及(S37)紫外光固化該些液態微透鏡，以形成多個微透鏡。

此外，本發明微透鏡陣列的製造方法可再具有另一種實施例，請參閱第四圖，其係為本發明之微透鏡陣列製造方法另一實施例之流程圖，包含下列步驟：(S41)提供具有一聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)層之一基板；(S42)覆蓋一遮罩於該聚二甲基矽氧烷層上；(S43)利用紫外光/臭氧或氧電漿改質該聚二甲基矽氧烷層，使該光阻層產生一親水性區域；(S44)移除該遮罩；(S45)將該基板浸於一液態材料後移出，以在該親水性區域上凝聚出多個液態微透鏡；以及(S46)加熱固化或自然風乾該些液態微透鏡，以形成多個微透鏡。

其中液態材料為聚二甲基矽氧烷A劑(SYLGARD 184A)加B硬化劑(SYLGARD 184B)與其稀釋劑(Dow Corning Fluid 200)混和。

在本實施例之步驟流程中，僅描述與前述實施例較具差異點之部分，其餘微透鏡陣列的製造方法及其微透鏡陣列的詳細說明以及實施方式皆類同於前面之敘述，在此為了簡略說明便不再敘述。

值得一提的是，在本發明所屬領域中具有通常知識者應當明瞭，SU(8)光阻基本層及聚二甲基矽氧烷層皆屬於介面親水性改質聚合物層；實施例中所使用之液態材料可為稀釋的光阻液態材料或稀釋的聚二甲基矽氧烷材料；用以改質的紫外光/臭氧及氧電漿，具有通常知識者可輕易以其他具有轉換聚合物親水性之光線、氣體或液體來替換。實施例中所揭露之實施態樣僅為舉例而非限制，於本發明所屬技術領域具有通常知識者應可輕易置換相關材料，在此先行敘明。

綜上所述，本發明所提出之微透鏡陣列的製造方法及其微透鏡陣列提供了一種快速、低成本和無刻蝕轉移的過程。整個過程在室溫下完成以預防熱殘餘應力及材料問題。另外，微透鏡的曲率半徑可以透過遮罩開孔、紫外光/臭氧改質時間和外部電場的設計來做控制。

雖然本發明已以上述較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

11‧‧‧氧化銦錫玻璃基板

12‧‧‧SU(8)光阻基本層

13‧‧‧遮罩

14‧‧‧親水區/親水表面

15‧‧‧SU(8)光阻溶劑

16‧‧‧微透鏡陣列

21‧‧‧紫外光/臭氧

22‧‧‧外部電場

23‧‧‧紫外線光輻射

S31~S37、S41~S46‧‧‧步驟流程

第一A圖至第一D圖係為本發明SU(8)微透鏡陣列一實施例之製造流程示意圖。

第二A圖至第二G圖係為本發明SU(8)微透鏡陣列再一實施例之製造流程示意圖。

第三圖係為本發明之微透鏡陣列製造方法一實施例之流程圖。

第四圖係為本發明之微透鏡陣列製造方法另一實施例之流程圖。

S31~S37‧‧‧步驟流程

Claims

一種微透鏡陣列的製造方法，包含：提供塗佈有一介面親水性改質聚合物層之一基板；利用具有轉換聚合物親水性之光線、氣體及液體之其中之一或其組合者，使該介面親水性改質聚合物層改質並於其表面產生一親水性區域；在該基板上塗佈一液態材料，以在該親水性區域上凝聚出多個液態微透鏡；以及固化該些液態微透鏡，以形成多個微透鏡。
如申請專利範圍第1項所述之微透鏡陣列的製造方法，其中利用具有轉換聚合物親水性之光線、氣體或液體，使該介面親水性改質聚合物層產生一親水性區域之方法更包含：透過一遮罩，使該介面親水性改質聚合物層產生之該親水性區域為週期性排列。
如申請專利範圍第1項所述之微透鏡陣列的製造方法，其中在該基板上塗佈該液態材料之方法更包含：將該基板以一定速浸於該液態材料，再將該基板以該定速自該液態材料移出。
如申請專利範圍第1項所述之微透鏡陣列的製造方法，其中該液態材料係為稀釋的光阻液態材料或稀釋的聚二甲基矽氧烷材料。
如申請專利範圍第1項所述之微透鏡陣列的製造方法，其中固化該些液態微透鏡之方法更包含：利用一外部電場將該些液態微透鏡的曲率拉至一所需角度；以及紫外光固化該些液態微透鏡。
如申請專利範圍第1項所述之微透鏡陣列的製造方法，其中該介面親水性改質聚合物層以及該液態材料係包含SU-8光阻材料或聚二甲基矽氧烷材料。
如申請專利範圍第1項所述之微透鏡陣列的製造方法，其中該光線係包含紫外光，該氣體係包含臭氧或氧電漿。
如申請專利範圍第1項所述之微透鏡陣列的製造方法，其中該些方法皆在室溫中進行。
一種微透鏡陣列，適於配置於一基板上，該微透鏡陣列包含：一介面親水性改質聚合物層，塗佈於該基板上，且該介面親水性改質聚合物層在該基板上透過具有轉換聚合物親水性之光線、氣體及液體之其中之一或其組合者改質並於其表面定義出一親水性區域；以及多個微透鏡，配置於該親水性區域上。
如申請專利範圍第9項所述之微透鏡陣列，其中該親水性區域係為週期性排列。
如申請專利範圍第9項所述之微透鏡陣列，其中該些微透鏡之曲率係透過一外部電場調整。
如申請專利範圍第9項所述之微透鏡陣列，其中該些微透鏡係透過紫外光固化於該親水性區域上。
如申請專利範圍第9項所述之微透鏡陣列，其中該介面親水性改質聚合物層以及該些微透鏡係包含SU-8光阻材料或聚二甲基矽氧烷材料。
如申請專利範圍第9項所述之微透鏡陣列，其中該光線係包含紫外光，該氣體係包含臭氧或氧電漿。
一種微透鏡陣列的製造方法，包含：提供塗佈有一介面親水性改質聚合物層之一基板；覆蓋一遮罩於該介面親水性改質聚合物層上；利用紫外光/臭氧改質該介面親水性改質聚合物層，使該介面親水性改質聚合物層於其表面產生一親水性區域；移除該遮罩；將該基板浸於一液態材料後移出，以在該親水性區域上凝聚出多個液態微透鏡；以及紫外光固化該些液態微透鏡，以形成多個微透鏡。
如申請專利範圍第15項所述之微透鏡陣列的製造方法，其中該介面親水性改質聚合物層產生之該親水性區域係為週期性排列。
如申請專利範圍第15項所述之微透鏡陣列的製造方法，其中該基板係以一定速浸於該液態材料，並以該定速自該液態材料移出。
如申請專利範圍第15項所述之微透鏡陣列的製造方法，其中該液態材料係為稀釋的光阻液態材料或稀釋的聚二甲基矽氧烷材料。
如申請專利範圍第15項所述之微透鏡陣列的製造方法，其中該介面親水性改質聚合物層以及該液態材料係包含SU-8光阻材料或聚二甲基矽氧烷材料。
如申請專利範圍第15項所述之微透鏡陣列的製造方法，其中該些方法皆在室溫中進行。