專利名稱：一種平凸形微透鏡及其陣列的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微細(xì)制造技術(shù)和微光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及ー種平凸形微透鏡及其陣列制造方法。
背景技術(shù)：
據(jù)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社2010年出版的《微機(jī)電系統(tǒng)工程基礎(chǔ)》一書(shū)第3-16頁(yè)介紹，微型機(jī)電系統(tǒng)自20世紀(jì)80年代以來(lái)得到了世界科學(xué)和技術(shù)界、エ業(yè)產(chǎn)業(yè)界的廣泛重視，其中的微細(xì)制造技術(shù)作為其核心技術(shù)更是研究和創(chuàng)新的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。該書(shū)在第21 —92針對(duì)微細(xì)加工エ藝技術(shù)，分別介紹了基于硅材料的ICエ藝的原理和方法，基于傳統(tǒng)加工方法和特種加工方法的非硅材料制造的原理和方法。但是，相關(guān)微細(xì)制造技術(shù)在微光學(xué)元件制造技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用沒(méi)有予以說(shuō)明，同時(shí)，未見(jiàn)對(duì)相關(guān)微細(xì)制造技術(shù)是否可應(yīng)用于微透鏡及其陣列制造領(lǐng)域的介紹。 據(jù)中國(guó)的科學(xué)出版社2001年出版的《先進(jìn)光學(xué)制造技木》ー書(shū)第139-168頁(yè)介紹，微光學(xué)元件有衍射型和折射型兩種，其中微透鏡及其陣列有著廣泛的應(yīng)用前景，主要エ藝技術(shù)為激光直寫(xiě)光刻、刻蝕技術(shù)。但是，相關(guān)的微透鏡的面形控制和陣列制造技術(shù)未有分析和探討。據(jù)國(guó)際光學(xué)工程學(xué)會(huì)(TheInternational Society for Optical Engineering,SPIE)2004 年出版的“Proc. of SPIE”(Vol. 5523，pp300_310)介紹，J. T. Sheridan 等通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)合，利用光刻膠熱熔法研究了球面形輪廓微透鏡及其陣列的制造技術(shù)，但是，該方法是利用光刻膠在熱熔融過(guò)程中表面張カ的作用，基于表面最小自由能原理而成為“球面形”輪廓的微透鏡陣列，難以進(jìn)行面形的調(diào)控；同時(shí)，也不能實(shí)現(xiàn)微透鏡及其陣列的多件復(fù)制制造。據(jù)2006 年英國(guó)出版的期刊《JOURNAL OF MICROMECHANICS ANDMICROENGINEERING)) Vol. 16，January, 2006, pp368 — 374)介紹，Mao-Kuo Wei 等光刻膠熱熔法和LIGAエ藝技術(shù)結(jié)合，利用LIGAエ藝的微細(xì)電鑄エ藝和熱模壓エ藝來(lái)實(shí)現(xiàn)微透鏡及其陣列的多件復(fù)制。但是，該方法只能獲得“球面”面形的微透鏡及其陣列，不能實(shí)現(xiàn)“非球面”面形微透鏡及其陣列的制造。據(jù)美國(guó)“Optical Society of America” 2010 年出版的《OPTICS EXPRESS》(Vol. 18, No. 18 August, 2010, ppl9114 — 19119)介紹，Shu-Ming Kuo 等給出了一種基于SU8光刻膠沖壓和靜電場(chǎng)聯(lián)合作用制作“非球面”微透鏡及其陣列的方法，雖然該方法能實(shí)現(xiàn)“非球面”面形微透鏡及其陣列的制作，但是，不能實(shí)現(xiàn)微透鏡及其陣列的多件復(fù)制制造。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明技術(shù)解決問(wèn)題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種平凸形微透鏡及其陣列的制造方法，能實(shí)現(xiàn)折射型的球面面形微透鏡及其陣列和非球面面形微透鏡及其陣列的成型以及多件復(fù)制制造，以滿足微光學(xué)領(lǐng)域?qū)Σ煌嫘挝⑼哥R及其陣列的應(yīng)用需求。
本發(fā)明的技術(shù)方案一種平凸形微透鏡及其陣列的制造方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下第一歩，在濺射有金屬導(dǎo)電層的硅片上，利用光刻エ藝，得到開(kāi)ロ為圓形的盲孔或具有不同的孔間間距和排列方式的盲孔，通過(guò)微細(xì)電鑄エ藝在所述盲孔中電沉積金屬，在沉積至盲孔孔ロ所在平面的過(guò)電鑄(Over-plating)過(guò)程中，得到輪廓形狀為球面面形或非球面面形的不同直徑和矢高的金屬質(zhì)微結(jié)構(gòu)，或得到輪廓形狀為球面面形或非球面面形的不同直徑和矢高的金屬質(zhì)微結(jié)構(gòu)構(gòu)成的陣列充填因子可控調(diào)節(jié)的金屬微結(jié)構(gòu)陣列；第二步，以所得的球面面形或非球面面形的金屬微結(jié)構(gòu)或金屬微結(jié)構(gòu)陣列作為模具，將聚ニ甲基硅氧烷(PDMS)澆注在所述模具上，加熱固化獲得凹面結(jié)構(gòu)的PDMS材質(zhì)的球面面形或非球面面形的微結(jié)構(gòu)及其陣列；第三步，以所得的roMS材質(zhì)凹腔微結(jié)構(gòu)為模具，澆注紫外光固化的光刻膠，利用控制速度的旋轉(zhuǎn)來(lái)均勻光刻膠后用紫外光固化，獲得平凸結(jié)構(gòu)的球面面形或非球面面形的微透鏡及其陣列；所述紫外光固化的光刻膠是在紫外光照射下，能發(fā)生自由基聚合固化和陽(yáng)離子聚合固化的液態(tài)的負(fù)性光刻膠；第四步，以第一步微細(xì)電鑄エ藝中的Over-platingエ藝所得金屬質(zhì)微結(jié)構(gòu)為模具，重復(fù)第二步和第三步的熱固化和紫外光固化的兩次翻轉(zhuǎn)エ藝，實(shí)現(xiàn)球面面形或非球面面形的微透鏡及其陣列的多件復(fù)制制造。所述第一歩中，所述盲孔是具有不同深寬比的圓柱形孔或者是不同形狀的非圓柱形孔；所述圓柱形孔的直徑為10 1000 μ m,圓柱形孔的深寬比為O. I 5 ;所述非圓柱形孔的形狀是正圓錐形，倒圓錐形。
所述第一歩中，所述盲孔中電沉積金屬為鎳或銅。所述第一歩中，光刻エ藝中采用的模板設(shè)計(jì)的孔與孔之間的中心距離為20 2000 μ m。所述第一歩中，所述盲孔排列方式為平行對(duì)齊方式或正六邊形方式。所述金屬微結(jié)構(gòu)陣列的陣列充填因子可控調(diào)節(jié)方式是在光刻エ藝的模板設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)了不同的孔與孔之間的中心距離和不同的排列方式來(lái)實(shí)現(xiàn)；或是控制在盲孔ロ平面的Over-plating過(guò)程的電沉積時(shí)間,通過(guò)陣列金屬微結(jié)構(gòu)在盲孔ロ平面內(nèi)的持續(xù)沉積，在盲孔ロ平面內(nèi)形成具有不同間距的金屬微結(jié)構(gòu)陣列。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(I)本發(fā)明利用微細(xì)電鑄エ藝的Over-plating過(guò)程中，不同深寬比和不同孔形中金屬沉積，在孔ロ平面上形成的微結(jié)構(gòu)的輪廓為球面形或非球面形，且通過(guò)時(shí)間的調(diào)節(jié)可以控制金屬沉積微結(jié)構(gòu)在孔ロ平面的直徑和高度，井能結(jié)合孔的中心距和分布的設(shè)計(jì)來(lái)控制沉積金屬微結(jié)構(gòu)之間的充填因子，進(jìn)而利用該金屬微結(jié)構(gòu)作為模具，利用二次翻轉(zhuǎn)方法即可獲得所需的球面或非球面微透鏡及其陣列。具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)①本發(fā)明的利用細(xì)電鑄エ藝的Over-plating過(guò)程中的金屬沉積特性,獲得球面形狀或非球面形狀的微結(jié)構(gòu)，使得球面或非球面面形的微透鏡的金屬質(zhì)模具更加方便?、谕ㄟ^(guò)對(duì)Over-plating過(guò)程中的金屬沉積時(shí)間的控制，便于直接控制球面形狀或非球面形狀的微結(jié)構(gòu)的直徑和矢高，使得獲得不同直徑和矢高的球面或非球面面形的微透鏡更加方便；③根據(jù)不同時(shí)間下Over-plating過(guò)程中沉積金屬微結(jié)構(gòu)的直徑，結(jié)合光刻模板的孔間的中心距和孔分布的設(shè)計(jì)，可以直接控制沉積金屬微結(jié)構(gòu)之間的充填因子利用電沉積所得的金屬質(zhì)微結(jié)構(gòu)作為模具，利用熱固化工藝和光固化エ藝集成的二次翻轉(zhuǎn)方法，直接得到球面或非球面微透鏡及其陣列，并便于多次的復(fù)制。(2)利用本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)不同面形、不同直徑和矢高的平凸微透鏡及其陣列的成形和多件復(fù)制，具有面形可控、尺度可控、充填因子可控、エ藝集成可操作性好以及批量化的多件復(fù)制等優(yōu)點(diǎn)，將大大促進(jìn)非硅エ藝的微細(xì)制造技術(shù)在微光學(xué)元件制造技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。


圖I為本發(fā)明中不冋深覽比圓柱孔和正、倒直圓維孔中金屬沉積，在孔ロ平面形成的輪廓形狀為球面形或非球面形金屬微結(jié)構(gòu)原理圖； 圖2為本發(fā)明中不同深寬比圓柱孔中電沉積形成的球面形或非球面形的金屬鎳微結(jié)構(gòu)模具和二次翻轉(zhuǎn)方法得到的球面微透鏡圖；圖3為本發(fā)明中控制充填因子的孔間的中心距和分布的設(shè)計(jì)圖；圖4為本發(fā)明中微細(xì)電鑄Over-plating過(guò)程形成的不同充填因子的金屬微結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例詳細(xì)介紹本發(fā)明。但以下的實(shí)施例僅限于解釋本發(fā)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)包括權(quán)利要求的全部?jī)?nèi)容，不僅僅限于本實(shí)施例。實(shí)施例I如圖I、圖2所示,根據(jù)微細(xì)電鑄エ藝的原理,利用其Over-plating過(guò)程制造球面形或非球面形微透鏡金屬模具的實(shí)施方法步驟如下如圖I為以硅片為基底1，在硅片上濺射ー層金屬導(dǎo)電層2，再涂附光刻膠3，井利用光刻エ藝得到開(kāi)ロ為圓形的不同深寬比(h/d)的圓柱形孔4，以及非圓柱形孔5，根據(jù)微細(xì)電鑄エ在沉積至孔ロ平面的Over-plating過(guò)程中，控制在孔ロ平面Over-plating過(guò)程的電沉積的時(shí)間，可以得到不同直徑D和對(duì)應(yīng)不同矢高H，如附圖I所示的不同直徑D (D1、D2、D3、D4)及其對(duì)應(yīng)不同矢高H (HI、H2、H3、H4)，沉積所得的金屬質(zhì)微結(jié)構(gòu)的輪廓形狀可以是球面面形6和7，或非球面面形8和9所示，該金屬質(zhì)微結(jié)構(gòu)就是球面面形或非球面面形微透鏡的成型模具。如附圖2所示的I、2、3是深寬比(h/d)分別為O. I，O. 15，O. 3的圓柱形孔，微細(xì)電鑄至孔ロ平面Over-plating過(guò)程中，控制電沉積時(shí)間4個(gè)小時(shí),得到的材質(zhì)為金屬鎳、輪廓形狀為球面面形或非球面面形的金屬質(zhì)微結(jié)構(gòu)；如圖2所示，以微細(xì)電鑄的Over-plating過(guò)程所得金屬質(zhì)微結(jié)構(gòu)為模具,集成熱固化和紫外光固化的兩次翻轉(zhuǎn)エ藝，制造輪廓形狀為球面形微透鏡的實(shí)施方法步驟如下
以圖2中4所示的金屬鎳的球面面形微結(jié)構(gòu)為微透鏡模具，其直徑D為950 μ m，矢高H為420 μ m，澆注定量的聚ニ甲基硅氧烷(PDMS)，加熱到60°C后固化150分鐘后，得到圖中5所示的一次翻轉(zhuǎn)的PDMS材質(zhì)的球面面形的凹面結(jié)構(gòu)，再在PDMS材質(zhì)凹腔微結(jié)構(gòu)5上澆注具有高透明度的120-5型負(fù)性光刻膠后，用旋轉(zhuǎn)勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)/分，旋轉(zhuǎn)3分鐘后，用紫外光固化，得到圖中6所示的二次翻轉(zhuǎn)的具有平凸結(jié)構(gòu)的球面面形的微透鏡。實(shí)施例2如圖3所示，用光刻エ藝的模板中設(shè)計(jì)的控制的微透鏡陣列的充填因子的實(shí)施方法步驟如下根據(jù)陣列中所需球面面形或非球面面形的微透鏡的個(gè)數(shù)和直徑D以及矢高H的要求，在光刻エ藝的模板中設(shè)計(jì)不同的孔間中心距離(L)和排列方式，圖中的I是孔徑d為200 μ m,行、列間距分別為B為260 μ m，L為250 μ m,平行對(duì)齊的行排列方式的陣列設(shè)計(jì)；圖中的2、3是孔徑d為200 μ m，圖中3的行、列間距分別B為216. 5 μ m、L為250 μ m，圖中4的行、列間距分別是BI為260 μ m、LI為300 μ m,正六方形排列方式的陣列設(shè)計(jì)；如圖4所示,利用微細(xì)電鑄的Over-plating過(guò)程,控制電沉積的時(shí)間,在孔ロ平面內(nèi)控制金屬微結(jié)構(gòu)陣列的充填因子的實(shí)施方法步驟如下·
圖中I為平行對(duì)齊排列方式下，孔徑d為400 μ m，行、列間距分別為B為1000 μ m，L為1000 μ m,微細(xì)電鑄Over-plating過(guò)程的電沉積時(shí)間為7小時(shí)所得材質(zhì)為金屬鎳的金屬微結(jié)構(gòu)陣列；圖中2為正六方形排列方式下，孔徑d為200 μ m,行、列間距分別是B為303 μ m、L為350 μ m, Over-plating過(guò)程電沉積時(shí)間為2小時(shí)所得的材質(zhì)為金屬鎳的金屬微結(jié)構(gòu)陣列，圖中3為正六方形排列方式下，孔徑d為200 μ m,行、列間距B為303 μ m、L為350 μ m, Over-plating過(guò)程電沉積時(shí)間為4小時(shí)所得材質(zhì)為金屬鎳的金屬微結(jié)構(gòu)陣列，在孔ロ平面內(nèi)得到的高度充填狀況的金屬微結(jié)構(gòu)陣列。本發(fā)明說(shuō)明書(shū)未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域公知技木。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種平凸形微透鏡及其陣列的制造方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下 第一歩，在濺射有金屬導(dǎo)電層的硅片上，利用光刻エ藝，得到開(kāi)ロ為圓形的盲孔或具有不同的孔間間距和排列方式的盲孔，通過(guò)微細(xì)電鑄エ藝在所述盲孔中電沉積金屬，在沉積至盲孔孔ロ所在平面的過(guò)電鑄(Over-plating)過(guò)程中控制持續(xù)電沉積時(shí)間為I 8個(gè)小時(shí)，得到輪廓形狀為球面面形或非球面面形的不同直徑和矢高的金屬質(zhì)微結(jié)構(gòu)，或得到輪廓形狀為球面面形或非球面面形的不同直徑和矢高的金屬質(zhì)微結(jié)構(gòu)構(gòu)成的陣列充填因子可控調(diào)節(jié)的金屬微結(jié)構(gòu)陣列； 第二步，以所得的球面面形或非球面面形的金屬微結(jié)構(gòu)或金屬微結(jié)構(gòu)陣列作為模具，將聚ニ甲基硅氧烷(PDMS)澆注在所述模具上，加熱固化獲得凹面結(jié)構(gòu)的PDMS材質(zhì)的球面面形或非球面面形的微結(jié)構(gòu)及其陣列； 第三歩，以所得的PDMS材質(zhì)凹腔微結(jié)構(gòu)為模具，澆注紫外光固化的光刻膠，利用控制速度的旋轉(zhuǎn)來(lái)均勻光刻膠后用紫外光固化，獲得平凸形的球面面形或非球面面形的微透鏡及其陣列；所述紫外光固化的光刻膠是在紫外光照射下，能發(fā)生自由基聚合固化和陽(yáng)離子聚合固化的液態(tài)的負(fù)性光刻膠； 第四步，以第一步微細(xì)電鑄エ藝中的Over-platingエ藝所得金屬質(zhì)微結(jié)構(gòu)為模具,重復(fù)第二步和第三步的熱固化和紫外光固化的兩次翻轉(zhuǎn)エ藝，實(shí)現(xiàn)球面面形或非球面面形的微透鏡及其陣列的多件復(fù)制制造。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種平凸形微透鏡及其陣列的制造方法，其特征在于所述第一歩中，所述盲孔是具有不同深寬比的圓柱形孔或者是不同形狀的非圓柱形孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種平凸形微透鏡及其陣列的制造方法，其特征在于所述圓柱形孔的直徑為10 1000 ilm，圓柱形孔的深寬比為0. I 5。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種平凸形微透鏡及其陣列的制造方法，其特征在于所述非圓柱形孔的形狀是正圓錐形，倒圓錐形。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種平凸形微透鏡及其陣列的制造方法，其特征在于所述第一歩中，所述盲孔中電沉積金屬為鎳或銅。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種平凸形微透鏡及其陣列的制造方法，其特征在于所述第一歩中，光刻エ藝中采用的模板設(shè)計(jì)的孔與孔間的中心距離為20 2000i!m。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種平凸形微透鏡及其陣列的制造方法，其特征在于所述第一步中，所述盲孔排列方式為平行對(duì)齊方式或正六邊形方式。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種平凸形微透鏡及其陣列的制造方法，其特征在于所述金屬微結(jié)構(gòu)陣列的陣列充填因子可控調(diào)節(jié)方式是在光刻エ藝的模板設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)了不同的孔與孔之間的中心距離和不同的排列方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種平凸形微透鏡及其陣列的制造方法，其特征在于所述金屬微結(jié)構(gòu)陣列的陣列充填因子可控調(diào)節(jié)方式是控制在盲孔ロ平面的Over-plating過(guò)程的電沉積時(shí)間，通過(guò)陣列金屬微結(jié)構(gòu)在盲孔ロ平面內(nèi)的持續(xù)沉積，在盲孔ロ平面內(nèi)形成具有不同間距的金屬微結(jié)構(gòu)陣列。
全文摘要
一種平凸形微透鏡及其陣列的制造方法，在濺射有金屬導(dǎo)電層硅片上，利用光刻工藝得到開(kāi)口為圓形的盲孔或具有不同孔間距和排列方式的盲孔陣列，利用微電鑄工藝在孔中電沉積金屬，在孔口平面的過(guò)電鑄過(guò)程中，控制電沉積時(shí)間得到不同直徑和矢高、形狀為球面面形或非球面面形的金屬質(zhì)微結(jié)構(gòu)，或得到由金屬質(zhì)微結(jié)構(gòu)構(gòu)成的陣列充填因子可控調(diào)節(jié)的金屬微結(jié)構(gòu)陣列，以金屬微結(jié)構(gòu)及其陣列為模具，澆注聚二甲基硅氧烷(PDMS)后加熱固化，獲得凹面結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)及其陣列，再在PDMS材質(zhì)凹腔微結(jié)構(gòu)上澆注光刻膠后用紫外光固化，獲得平凸形的球面面形或非球面面形的微透鏡及其陣列；本發(fā)明具有面形可控、尺度可控、充填因子可控、工藝集成可操作性好以及批量化的多件復(fù)制等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G03F7/00GK102866440SQ20121036117
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月25日
發(fā)明者王翔, 孫浩, 翟中平 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)