專利名稱：基于柔性紫外壓模的曲面基底多相位微光學(xué)元件加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微光學(xué)元件制作方法，涉及一種基于柔性紫外壓模的曲面基底多 相位微光學(xué)元件加工的方法。
背景技術(shù)：
基于曲面基底的微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件比基于平面基底的衍射光學(xué)元件具有更好 的光學(xué)成像特性,在光學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用曲面基底微結(jié)構(gòu)光學(xué)可以更大程度的提高光 學(xué)系統(tǒng)的集成度，并且能增加光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)自由度、減小體積、壓縮成本、降 低光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度，使光學(xué)系統(tǒng)的性能實(shí)現(xiàn)最大化。傳統(tǒng)的光學(xué)光刻方法很難適用于曲面基底的微細(xì)結(jié)構(gòu)加工，目前已有的曲面 基底微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件的加工主要采用的是激光直寫的方法，如①DanielaRadtke， Uwe D. Zeitner. Laser-lithography on non-planar surfaces. Optics Express. Vol. 15: 1167 1174(2007);②Yongjun Xie， Zhenwu Lu, Fengyou Li, Jingli Zhao, ZhichengWeng. Lithographic fabrication of large dif&active optical elements on a concave lens surface. Optics Express. Vol. 10: 1043 1047(2002)等，主要是通過對 被加工件空間三維運(yùn)動(dòng)位移量的高精度控制，調(diào)整寫入光斑，以逐點(diǎn)曝光的方式， 實(shí)現(xiàn)曲面基底衍射光學(xué)元件的加工制作。該類方法依賴于極其復(fù)雜的多自由度高 精度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，成本高昂、機(jī)構(gòu)復(fù)雜，且存在加工效率低、速度慢、不適用 于批量的加工制作等缺點(diǎn)?；谌嵝詨耗５淖贤鈮河〖夹g(shù)是在軟光刻的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，在納米壓印過 程中應(yīng)用柔性材料制作壓模，可實(shí)現(xiàn)小于30nm的微細(xì)結(jié)構(gòu)的加工。柔性壓模是 一種具有彈性膠狀物質(zhì)，可根據(jù)需要彎曲成任意形狀，如柱面、球面甚至非球面， 使非平面基底的微細(xì)結(jié)構(gòu)加工成為可能。與基于剛性壓模的紫外壓印技術(shù)相比， 柔性紫外壓模具有成本低、易制作、壽命長、速度快等優(yōu)點(diǎn)，可以在150mm直徑 的基底上一次實(shí)現(xiàn)微細(xì)結(jié)構(gòu)的加工制作，無須多次重復(fù)壓印。目前已經(jīng)公開了的基于柔性壓模紫外壓印技術(shù)制作曲面基底微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件的方法，如①Younan Xia， George M Whitesides. Soft Lithography. Angew. Chem. Int. Ed. Vol 37:550 575(1998)②Xia YN, Kim E, Zhao XM， Rogers JA， Prentiss M， Whitesides GM. Complex optical surfaces formed by replica molding against elastomeric masters. SCIENCE 273 (5273): 347 349(1996)等，通過使用柔 性壓印模PDMS，在圓柱面基底的光刻膠聚合物上實(shí)現(xiàn)了閃耀光柵等微細(xì)結(jié)構(gòu)加 工，該方法不能實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)材料為石主、玻璃等硬質(zhì)光學(xué)材料的加工制作，具有很 大的材料選取局限性，應(yīng)用十分有限。目前未見有應(yīng)用柔性壓模紫外壓印技術(shù)制作結(jié)構(gòu)材料為硅、石^"等可見光或 紅外波段硬質(zhì)光學(xué)材料的曲面基底微光學(xué)元件的研究報(bào)導(dǎo)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種基于柔性紫外壓模的曲面基底多相位微光學(xué)元 件加工的方法，應(yīng)用柔性紫外壓模壓印技術(shù)，通過彎曲柔性壓模至所需的形面， 如柱面、球面以及非球面，可實(shí)現(xiàn)曲面基底微光學(xué)元件的加工與制作。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是 一種基于柔性紫外模的曲面基底多相位微光學(xué)元 件加工的方法，具體包括以下步驟①應(yīng)用微細(xì)加工技術(shù)制備用于加工曲面基底 多相位或連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)微光學(xué)元件所需的微細(xì)結(jié)構(gòu)壓模母板；②應(yīng)用注塑復(fù)制技 術(shù)將母板表面浮雕結(jié)構(gòu)復(fù)制到軟壓印模表面上；③應(yīng)用紫外壓印技術(shù)將軟壓模上 的浮雕結(jié)構(gòu)壓印到曲面基板表面的聚合物上；其特征在于，該方法還包括以下步 驟，④以聚合物結(jié)構(gòu)為掩模，應(yīng)用干法刻蝕技術(shù)在基片上獲得浮雕結(jié)構(gòu)，完成微 細(xì)結(jié)構(gòu)向硬質(zhì)基板表面的圖形傳遞，并且在步驟③中，軟壓印模在壓印過程所外 加的預(yù)壓力作用下發(fā)生彈性形變而彎曲成與被加工表面相近的形狀，且變形量的 大小可通過有限元仿真的方法計(jì)算得到，步驟①中的壓模母板表面微細(xì)結(jié)構(gòu)的形 貌與尺寸需要針對改形變量的大小對進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)，應(yīng)用該方法可以實(shí)現(xiàn)單一材 料曲面基底非聚合物硬質(zhì)光學(xué)材料微光學(xué)元件的加工制作。所述的基于柔性紫外壓模的曲面基底多相位微光學(xué)元件加工的方法，其特征 是，被加工的基片表面為諸如球面、非球面、柱面的曲面結(jié)構(gòu)。所述的基于柔性紫外壓模的曲面基底多相位微光學(xué)元件加工的方法，其特征 是，壓模材料為可透射紫外光的柔性壓模材料，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)。所述的基于柔性紫外壓模的曲面基底多相位微光學(xué)元件加工的方法，其特征 是，微細(xì)加工技術(shù)包括套刻技術(shù)、激光直寫技術(shù)、電子束直寫技術(shù)。所述的基于柔性紫外壓模的曲面基底多相位微光學(xué)元件加工的方法，其特征是，微光學(xué)元件材料包括玻璃、石英(SiO》、銜Si)、鍺(Ge)、藍(lán)寶石(Al203)、砷 化鎵(GaAs)、氟化鎂(MgF2)、氟化鋰(LiF)、氟化鋇(BaF2)、方解石(CaC03)、硫 化鋅(ZnS)。本發(fā)明的創(chuàng)新性在于本發(fā)明提出了一種基于柔性紫外壓模的曲面基底多相位微光學(xué)元件加工方 法。-該方法的基本思想是利用柔性壓模的彈性形變，實(shí)現(xiàn)微細(xì)結(jié)構(gòu)由平面基底向 曲面基底的壓印復(fù)制，彈性形變量可由壓模材料的楊氏模量計(jì)算仿真得出，通過 仿真試驗(yàn)還可對平面基的硬質(zhì)壓模母板進(jìn)行關(guān)于彈性形變量的補(bǔ)償設(shè)計(jì)。應(yīng)用該方法^r避免傳統(tǒng)加工方法對于多自由度、高精度快速運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的依賴。該方 法通過制作壓模母板、生成柔性壓模、柔性壓模壓印，并結(jié)合干法刻蝕等步驟， 實(shí)現(xiàn)了曲面基底硬質(zhì)光學(xué)材料微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件的加工制作，與其他方法相比，工 藝步驟更加簡單、制作更容易、加工成本更低、更易于實(shí)現(xiàn)批量快速加工制作。本發(fā)明的優(yōu)越性在于1、 本發(fā)明能夠加工特征尺寸在10nm以下的微細(xì)結(jié)構(gòu)，可以滿足多尺度、不 同分辨力的浮雕結(jié)構(gòu)加工要求，并且能實(shí)現(xiàn)各種曲面基底上的表面浮雕結(jié)構(gòu)的加 工制作。2、 m匕于傳統(tǒng)的激光直寫加工技術(shù)，本發(fā)明具有加工工藝簡單、加工速度 快、可實(shí)現(xiàn)性好、精度高、加工成本低等優(yōu)點(diǎn)。3、 本發(fā)明沒有復(fù)制材料的局限，可以將表面輪廓復(fù)制到諸如石英、單晶硅 和藍(lán)寶石等材料中。相較于聚合物此類材料具有高強(qiáng)度、高硬度、高抗輻射損傷 閾值、高化學(xué)穩(wěn)定性、寬透射光譜范圍等優(yōu)點(diǎn)。4、 本發(fā)明具有工藝簡單、速度快、重復(fù)性好、費(fèi)用低、壽命長、產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。


圖l為制作壓模母板以及軟壓印模的工藝流程示意圖。 (a)電子束直寫曝光；(b) 顯影；(c) 干法刻蝕(d) 注塑復(fù)制。圖2為制作球面基底多臺(tái)階二元光學(xué)'透鏡的工藝流程示意圖。(a) 注塑復(fù)制；(b) 球而涂膠；(c) 球面紫外壓?。?d) 脫模；(e) 干法刻蝕。圖3為制作柱面基底多臺(tái)階的二元光學(xué)元件的工藝流程示意圖。(a) 注塑復(fù)制；(b) 柱面涂膠；(C)柱面紫外壓印；(d) 脫模；(e) 干法刻蝕。圖4為制作非球面基底連續(xù)浮雕菲涅爾透鏡的工藝流程示意圖。(a) 注塑復(fù)制；(b) 非球面涂膠；(C)非球面紫外壓印；(d) 脫模；(e) 干法刻蝕。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例l:如圖2所示，制作球面基多臺(tái)階微浮雕結(jié)構(gòu)的衍射光學(xué)透鏡，元件材料為玻 璃，壓模材料為PDMS，紫外壓印所需聚合物為紫外固化膠OG154，具體工藝流 程如下-1 、如圖l所示，應(yīng)用激光直寫技術(shù)制作具有與目標(biāo)結(jié)構(gòu)相同的表面浮雕石英 母板。2、如圖2(a)所示，應(yīng)用微結(jié)構(gòu)注塑復(fù)制技術(shù)，將母板的微細(xì)結(jié)構(gòu)復(fù)制到PDMS材料表面。3、 如圖2(b)、 2(c)所示，應(yīng)用PDMS壓模在球面基片h實(shí)施紫外壓印，PDMS 壓模在外力的作用下彎曲成與被加工球面表面相似的曲面形貌。4、 如圖2(d)所示，為經(jīng)過脫模后的球M"基聚合物微浮雕結(jié)構(gòu)。5、 如圖2(e)所示，應(yīng)用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，在玻璃基片上獲得多臺(tái)階微浮 雕結(jié)構(gòu)。實(shí)施例2:如圖3所示，制作柱面基底多臺(tái)階結(jié)構(gòu)的二元光學(xué)元件，元件材料為單晶硅， 壓模的材料為PDMS，聚合物選用紫外有機(jī)感光溶劑PAKOl。具體工藝流程如下1、 如圖l所示，應(yīng)用電子束直寫技術(shù)制作具有與目標(biāo)結(jié)構(gòu)相同的石英母板。2、 如圖3(a)所示，應(yīng)用微結(jié)構(gòu)注塑復(fù)制技術(shù)，將母板的微細(xì)結(jié)構(gòu)復(fù)制到 PDMS材料表面。3、 如圖3(b)、 3(c)所示，應(yīng)用PDMS壓模在柱面基片上實(shí)施紫外壓印,，PDMS 壓模在外力的作用下彎曲成與被加工柱面表面相似的曲面形貌。4、 如圖3(d)所示，為經(jīng)過脫模后的柱面基聚合物微浮雕結(jié)構(gòu)。5、 如圖3(e)所示，應(yīng)用干法刻蝕技術(shù)，在石英基片上獲得多臺(tái)階微浮雕結(jié)構(gòu)。 實(shí)施例3:如圖4所示，制作具有連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)的菲涅爾透鏡，元件材料為藍(lán)寶石，壓 模材料為PDMS，聚合物選用紫外有機(jī)感光溶劑PAKOl，具體工藝流程如下1 、如圖l所示，應(yīng)用電子束直寫技術(shù)制作與目標(biāo)結(jié)構(gòu)相同的連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)石 英母板。2、 如圖4(a)所示，應(yīng)用微結(jié)構(gòu)注塑復(fù)制技術(shù)，將母板的微細(xì)結(jié)構(gòu)復(fù)制到 PDMS材料表面。3、 如圖4(b)、4(c)所示，應(yīng)用PDMS壓模在非球面基片上實(shí)施紫外壓印,PDMS 壓模在外力的作用下彎曲成與被加工非球面表面相似的曲面形貌。4、 如圖4(d)所示，為經(jīng)過脫模后的非球面基聚合物微浮雕結(jié)構(gòu)。5、 如圖4(e)所示，應(yīng)用干法刻蝕技術(shù)，在藍(lán)寶石基片上獲得多臺(tái)階微浮雕 結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1、一種基于柔性紫外模的曲面基底多相位微光學(xué)元件加工的方法，具體包括以下步驟①應(yīng)用微細(xì)加工技術(shù)制備用于加工曲面基底多相位或連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)微光學(xué)元件所需的微細(xì)結(jié)構(gòu)壓模母板；②應(yīng)用注塑復(fù)制技術(shù)將母板表面浮雕結(jié)構(gòu)復(fù)制到軟壓印模表面上；③應(yīng)用紫外壓印技術(shù)將軟壓模上的浮雕結(jié)構(gòu)壓印到曲面基板表面的聚合物上；其特征在于，該方法還包括以下步驟，④以聚合物結(jié)構(gòu)為掩模，應(yīng)用干法刻蝕技術(shù)在基片上獲得浮雕結(jié)構(gòu)，完成微細(xì)結(jié)構(gòu)向硬質(zhì)基板表面的圖形傳遞，并且在步驟③中，軟壓印模在壓印過程所外加的預(yù)壓力作用下發(fā)生彈性形變而彎曲成與被加工表面相近的形狀，且變形量的大小可通過有限元仿真的方法計(jì)算得到，步驟①中的壓模母板表面微細(xì)結(jié)構(gòu)的形貌與尺寸需要針對該形變量的大小對進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)，應(yīng)用該方法實(shí)現(xiàn)單一材料曲面基底非聚合物硬質(zhì)光學(xué)材料微光學(xué)元件的加工制作。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于柔性紫外壓模的曲面基底多相位微光學(xué)元件 加工的方法，其特征在于，被加工的基片表面為諸如球面、非球面、柱面的曲面 結(jié)構(gòu)。 '
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于柔性紫外壓模的曲面基底多相位微光學(xué)元件 加工的方法，其特征在于紫外壓印壓模材料為柔性壓模材料，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于柔性紫外壓模的曲面基底多相位微光學(xué)元件 加工的方法，其特征在于微細(xì)加工技術(shù)包括套刻技術(shù)、激光直寫技術(shù)、電子束直 寫技術(shù)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于柔性紫外壓模的曲面基底多相位微光學(xué)元件 加工的方法，其特征在于，微光學(xué)元件材料包括玻璃、石英(Si02)、硅(Si)、鍺(Ge)、 藍(lán)寶石^1203)、砷化鎵(GaAs)、氟化鎂(MgF2)、氟化鋰(LiF)、氟化鋇(BaF2)、方 解石(CaC03)、硫化鋅(ZnS)。
全文摘要
基于柔性紫外壓模的曲面基底多相位微光學(xué)元件加工方法涉及微光學(xué)元件制作技術(shù)；該方法增加了以聚合物結(jié)構(gòu)為掩模，應(yīng)用干法刻蝕技術(shù)在基片上獲得浮雕結(jié)構(gòu)步驟，完成微細(xì)結(jié)構(gòu)向硬質(zhì)基板表面的圖形傳遞，并且在壓印步驟中，軟壓印模在壓印過程所外加的預(yù)壓力作用下發(fā)生彈性形變而彎曲成與被加工表面相近的形狀，且變形量的大小可通過有限元仿真的方法計(jì)算得到，母板制作步驟中的壓模母板表面微細(xì)結(jié)構(gòu)的形貌與尺寸需要針對該形變量的大小對進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)，應(yīng)用該方法可以實(shí)現(xiàn)單一材料曲面基底非聚合物硬質(zhì)光學(xué)材料微光學(xué)元件的加工制作。
文檔編號(hào)G03F7/00GK101221358SQ20081006398
公開日2008年7月16日 申請日期2008年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月4日
發(fā)明者楠 劉, 鵬 朱, 譚久彬, 鵬 金 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)