專利名稱：應用熱壓印技術制作微光學元件的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微光學元件制作方法，涉及一種應用熱壓印技術制作具有多臺階 或連續(xù)浮雕結構特征微光學元件的方法。
背景技術：
微光學元件因其在實現(xiàn)光波變換上所具有的許多卓越的、傳統(tǒng)光學難以具備 的功能，而有利于促進光學系統(tǒng)實現(xiàn)微型化、陣列化和集成化，開辟了光學領域 的新視野。
微光學元件的制作方法很多，按照所用掩模版及加工表面浮雕結構的特點可 分成三種方法。
首先用于加工多階相位型微光學元件的主要制作方法是由二元掩模版經(jīng)多 次基于紫外光刻技術的套刻形成臺階式浮雕表面。然而為了提高成像分辨率，在 設計時必須設法提高相對孔徑D/f。相對孔徑的提高會使得透鏡邊緣處的特征尺 寸急劇減小。此外，短波長器件也對應著更小的特征尺寸。當特征尺寸小至納米 量級時，此類制作方法就很難滿足加工要求了。
其次是用于獲得連續(xù)浮雕輪廓的直寫技術，主要包括激光直寫和電子束直 寫。然而，雖然直寫技術具有較高的加工精度且避免了套刻技術的對準誤差，但 是由于其工藝復雜且加工效率太低而難以達到低成本批量生產(chǎn)的要求。
最后是灰階掩模圖形轉(zhuǎn)印法，通過制作透過率連續(xù)變化或臺階式變化的掩模 版，實現(xiàn)變劑量曝光，進而獲得連續(xù)或臺階式浮雕輪廓。該工藝一次成形，價格 低廉，也避免了對準誤差。但是掩模版透過率的控制精度不高，因此其加工結果 的Z向精度較低，很難得到理想的加工結果。
大部分微光學元件母版制作成本較高，發(fā)展復制技術是降低微光學元件成本， 推廣應用的關鍵。
目前已有的微光學元件復制技術大多利用熱壓、模壓或鑄造等復制技術將面
浮雕結構復制到一種諸如熱塑性塑料和可固化聚合物等易成形的材料上。而這些 材料的強度和硬度都較低，透射光譜范圍也比較窄，因此該類技術在復制材料方 面有著很大的局限性。
新興的熔膠凝膠(sol-gel)技術可以將表面輪廓復制到Si02基底材料中，這 極大的拓寬了復制技術的材料局限。但是因為Si02母體在凝膠中會不可避免的 收縮，而實際收縮量的補償很難精確控制，因此難以實現(xiàn)高精度的復制。
納米壓印術是軟刻印術的發(fā)展，主要包括熱壓印和紫外壓印，它可以大批量 重復性地在大面積上制備納米圖形結構，并且所制出的高分辨率圖案具有相當好 的均勻性和重復性。
納米壓印技術與傳統(tǒng)微細加工技術的最大區(qū)別在于以壓印技術取代光刻工
藝，突破了光刻工藝的衍射極限。實驗研究結果表明，利用納米壓印技術具有加
工特征尺寸在10nm以下的圖形能力，目前報道的最小特征尺寸為6nm，可以在 200mm直徑范圍內(nèi)一次性構造復雜圖案。此外該技術還有制作成本極低、簡單 易行、效率高等優(yōu)點。因此相較于其他工藝技術，納米壓印技術制作微光學元件 具有更大的優(yōu)勢與市場前景。
然而目前應用納米壓印制作具有多臺階或連續(xù)浮雕結構特征且材料為石英 和單晶硅的微光學元件尚未見報導。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于設計一種應用熱壓印技術制作具有多臺階或連續(xù)浮雕結構 特征微光學元件的方法，通過應用單次或者多次熱壓印，可實現(xiàn)具有多臺階或連 續(xù)浮雕結構特征微光學元件的高精度、低成本、大批量制備。
本發(fā)明的技術解決方案是 一種應用熱壓印技術制作微光學元件的方法，該 方法制作具有多臺階或連續(xù)浮雕結構特征的微光學元件包括以下四個步驟① 應用微細加工技術制備具有表面浮雕結構的壓模；②應用熱壓印將壓模上的浮 雕結構壓印到基片上的聚合物上；③以聚合物結構為掩模，應用反應離子刻蝕 技術在基片上獲得浮雕結構； 根據(jù)制作需要按上述① ③步驟進行一次或者重 復① ③步驟，直至加工完成最終的微光學元件。
所述的應用熱壓印技術制作微光學元件的方法，在復制微光學元件時，其復 制步驟僅包括壓印和刻蝕，根據(jù)制作要求按上述② ③步驟進行一次或者重復②
(D步驟，直至加工完成最終的微光學元件。
所述的應用熱壓印技術制作微光學元件的方法，微細加工技術包括激光直寫 技術、電子束直寫技術與套刻技術。
所述的應用熱壓印技術制作微光學元件的方法，微光學元件材料包括玻璃、 石英(Si02)、硅(Si)、鍺(Ge)、藍寶石(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)明的優(yōu)越性在于
1、 本發(fā)明的用途廣泛，可以制作具有臺階式浮雕結構和連續(xù)浮雕結構特征 的微光學器件。
2、 本發(fā)明能夠加工特征尺寸在10nm以下的微細結構，可以滿足大相對孔徑、 高衍射效率和短波長器件的加工要求。對復雜的臺階式浮雕結構和連續(xù)浮雕結構
可以實現(xiàn)一次成形，避免對準誤差。
3、 相較于灰階掩模圖形轉(zhuǎn)印法和熔膠凝膠(sol-gel)技術，本發(fā)明具有良好 的加工精度和工藝實現(xiàn)性。
4、 本發(fā)明沒有復制材料的局限，可以將表面輪廓復制到諸如石英、單晶硅 和藍寶石等材料中。相較于聚合物此類材料具有高強度、高硬度、高抗輻射損傷 閾值、高化學穩(wěn)定性、寬透射光譜范圍等優(yōu)點。
5、 本發(fā)明具有工藝簡單、速度快、重復性好、費用低、產(chǎn)率高等優(yōu)點，可 以實現(xiàn)批量生產(chǎn)。


圖l為應用直寫技術獲得壓模的工藝流程示意圖。
(a) 對基片上的抗蝕劑進行掃描式逐點變劑量曝光；
(b) 顯影后在其表面形成臺階式的浮雕結構； (C)應用各向異性反應離子刻蝕得到壓模。
圖2為制作具有多臺階浮雕結構的二元光學透鏡的工藝流程示意圖。
(a) 壓模結構示意(b) 熱壓?。?br> Cc)反應離子刻蝕。
圖3為具有連續(xù)浮雕結構的二元光學透鏡結構示意圖。
圖4為制作具有連續(xù)浮雕結構的二元光學透鏡工藝流程示意圖。
(a) 壓模結構示意(b) 熱壓??；
(c) 反應離子刻蝕。
圖5為復制具有連續(xù)浮雕結構的微透鏡陣列的第一次壓印工藝流程示意圖。
(a) 原微透鏡陣列結構示意(b) 第一次熱壓??；
(c) 第一次反應離子刻蝕。
圖6為復制具有連續(xù)浮雕結構的微透鏡陣列的第二次壓印工藝流程示意圖。
(a) 用于復制的過渡件結構示意(b) 第二次熱壓印；
(c) 第二次反應離子刻蝕。
具體實施方式
實施例l
制作具有多臺階浮雕結構的二元光學透鏡，元件材料與壓模材料均為石英，
熱壓印所需聚合物為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，具體工藝流程如下
1、 按照如圖l所示的工藝流程，使用激光直寫技術制作具有與目標結構互補
的表面浮雕壓模，如圖2(a)。
2、 應用熱壓印將壓模上的結構反向復制到基片上的PMMA上，如圖2(b)。
3、 以PMMA圖案為掩模，應用反應離子刻蝕技術，在石英基片上獲得多臺 階浮雕結構，如圖2(c)。
實施例2:
制作如圖3所示具有連續(xù)浮雕結構的二元光學透鏡，元件材料為石英，壓模的
材料為單晶硅，聚合物選用芳香環(huán)聚合物PPM。具體工藝流程如下
1、 按照如圖l所示的工藝流程，使用電子束直寫技術制作具有與目標結構互
補的連續(xù)浮雕壓模，如圖4(a)。
2、 應用熱壓印將壓模上的浮雕結構反向復制到基片上的PPM上，如圖4(b)。
3、 以PPM圖案為掩櫝，應用反應離子刻蝕技術，在石英基片上獲得連續(xù)浮 雕結構，如圖4(c)。
實施例3:
復制如圖5(a)所示具有連續(xù)浮雕結構的微透鏡陣列，元件材料為玻璃，聚合 物選用PMMA。首先以原微透鏡陣列作為壓模，獲得具有與之互補的表面浮雕 結構的過渡件，其材料為石英，如圖6(a)所示。再以過渡件為壓模，獲得與原透 鏡浮雕結構一致的微透鏡陣列。具體工藝流程如下
1、 第一次壓印
a) 應用熱壓印將原微透鏡陣列的浮雕結構反向復制到基片上的PMMA上， 如圖5(b)。
b) 以PMMA圖案為掩模，應用反應離子刻蝕技術，在石英基片上獲得連續(xù) 浮雕結構，作為用于復制的過渡件，如圖5(c)。
2、 第二次壓印
c) 應用熱壓印將過渡件上的浮雕結構反向復制到基片上的PMMA上，如圖 6(b)。
d) 以PMMA圖案為掩模，應用反應離子刻蝕技術，在玻璃基片上獲得連續(xù) 浮雕結構，即與原透鏡浮雕結構一致的微透鏡陣列，如圖6(c)。
權利要求
1、一種應用熱壓印技術制作微光學元件的方法，該方法制作具有多臺階或連續(xù)浮雕結構特征的微光學元件包括以下步驟①應用微細加工技術制備具有表面浮雕結構的壓模；②應用熱壓印將壓模上的浮雕結構壓印到基片上的聚合物上；其特征在于該方法還包括以下兩個步驟③以聚合物結構為掩模，應用反應離子刻蝕技術在基片上獲得浮雕結構；④根據(jù)制作需要按上述①～③步驟進行一次或者重復①～③步驟，直至加工完成最終的微光學元件。
2、 根據(jù)權利要求1所述的應用熱壓印技術制作微光學元件的方法，其特征 在于，在復制微光學元件時，其復制步驟僅包括壓印和刻蝕，根據(jù)制作要求按上 述② ③步驟進行一次或者重復② ③步驟，直至加工完成最終的微光學元件。
3、 根據(jù)權利要求1所述的應用熱壓印技術制作微光學元件的方法，其特征在 于微細加工技術包括激光直寫技術、電子束直寫技術與套刻技術。
4、 根據(jù)權利要求1所述的應用熱壓印技術制作微光學元件的方法，其特征在 于，微光學元件材料包括玻璃、石英(SiCh)、硅(Si)、鍺(Ge)、藍寶石(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)。
全文摘要
應用熱壓印技術制作微光學元件的方法，涉及光學元件制作技術；該方法制作具有多臺階或連續(xù)浮雕結構特征的微光學元件包括以下四個步驟①應用微細加工技術制備具有表面浮雕結構的壓模；②應用熱壓印將壓模上的浮雕結構壓印到基片上的聚合物上；③以聚合物結構為掩模，應用反應離子刻蝕技術在基片上獲得浮雕結構；④根據(jù)制作需要按上述①～③步驟進行一次或者重復①～③步驟，直至加工完成最終的微光學元件；本方法具有工藝簡單、精度高、速度快、重復性好、費用低、產(chǎn)率高的特點。
文檔編號G02B5/00GK101131538SQ20071014439
公開日2008年2月27日 申請日期2007年9月29日 優(yōu)先權日2007年9月29日
發(fā)明者楠 劉, 譚久彬, 鵬 金, 高育龍 申請人:哈爾濱工業(yè)大學