CN103197362A - 一种类抛物面微透镜阵列的电场诱导流变成形方法 - Google Patents
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Abstract
一种类抛物面微透镜阵列的电场诱导流变成形方法，先用光刻刻蚀法进行上极板孔模具的制备及处理，再蒸镀制备透明导电ITO玻璃下极板，在上下两极板之间施加直流外电场后，把聚合物从上下极板间隙的开口处滴入，流入上下极板空隙间隙内的聚合物的液面高度和形状被电场调控，固化并脱模，得到类抛物面微凹透镜阵列，再对其复型，最终得到类抛物面微凸透镜阵列，本发明突破了常规微透镜阵列制备工艺只能制备球面透镜的限制，得到的微透镜阵列具有超光滑表面特性，优于材料去除或腐蚀法得到的透镜阵列，同时由于本发明不需要复杂的工艺控制，大大降低了加工成本，提高了加工效率，可广泛地应用在芯片实验室，平板显示器，光学***检测及观察等多方面。
Description
技术领域
本发明属于微纳制造技术领域，具体涉及一种类抛物面微透镜阵列的电场诱导流变成形方法。
背景技术
微透镜是指微小透镜，通常其直径为10μm到1㎜级，而按照表面曲率的不同，微透镜可以分为球面微透镜和非球面微透镜，其中非球面微透镜由于其能更好地消除球面像差而更加实用，由这些微小透镜按照一定的填充率和排列方式组成的阵列就是微透镜阵列。鉴于其在通信技术，光学测量以及平板显示和摄像等诸多领域的巨大应用，各种关于微透镜阵列的制备方法相继提出，比如光刻胶热熔法，喷墨打印法和准分子激光烧蚀法等。但是，这些方法都只能制备球面型的微透镜，且材料去除或烧蚀的方法得到的光学表面粗糙度大，严重影响了其在应用领域的采用和推广。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种类抛物面微透镜阵列的电场诱导流变成形方法，可以制造出低粗糙度类抛物面微透镜阵列，在降低加工成本，提高加工效率的同时，还保证了微透镜的成像效果。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种类抛物面微透镜阵列的电场诱导流变成形方法，包括以下步骤：
1）上极板模具的制备及处理：在晶圆表面利用光刻和刻蚀工艺加工出所需的圆孔阵列图形结构，在图形化了的晶圆表面热氧化一层厚度0.1um-2um的SiO2介电层，然后再对其进行低表面能处理；
2）下极板和聚合物的选择：制备透明导电ITO玻璃作为下极板，其制备方法如下：用PECVD技术，在石英玻璃上蒸镀一层50nm-300nm的透明导电铟锡金属化合物，透明导电铟锡金属化合物作为电极的同时能够透过紫外光，利于对光固型聚合物的固化，聚合物选用紫外光固化或热固型聚合物，包括Ormo Stamp Hybrid polymer（micro resisttechnology GmbH）紫外固化型、PDMS或PMMA光固化型；
3）外电场的施加及聚合物的填入方式：电源选用直流电源，调节范围0-500V，其正极接图形化了的晶圆模具，负极接透明导电ITO玻璃，电场施加后，用针管把光固型聚合物滴在图形化了的晶圆与透明导电ITO玻璃之间空气间隙的开口处，在自然毛细力和电场的作用下聚合物流入图形化了的晶圆与ITO导电玻璃的空气间隙内，形成微凹透镜阵列；
4）电场对液面的调控：聚合物在图形化了的晶圆与透明导电玻璃的间隙内横向流变结束后，由于图形化的上极板模具的作用，极板间的电场并不规则，电场对此时形成的凹液面进行作用，即在表面张力，电场力和压缩气体负向气压力的综合作用下形成所需的类抛物面形状，电压越大，包裹住的气体越多，透镜深度也越大；
5）聚合物的固化及脱模：紫外光固型聚合物采用紫外光固化设备SHG-200紫外点光源进行固化，热固型聚合物固化采用与聚合物相应的固化温度及固化时间，聚合物固化后，把图形化了的上极板模具从固化了的聚合物上脱离，得到类抛物面微凹透镜阵列；
6）类抛物面微凸透镜阵列的复型：对上一步得到的类抛物面微凹透镜阵列样品溅射一层10nmC4F8疏水层，把光固化型聚合物滴在其表面，使其能够完全覆盖，并盖上载玻片，用紫外点光源对其固化，并脱模，最终得到类抛物面微凸透镜阵列。
本发明突破了常规微透镜阵列制备工艺只能制备球面透镜的限制，得到的微透镜阵列具有超光滑表面特性，优于材料去除或腐蚀法得到的透镜阵列。同时由于本发明不需要复杂的工艺控制，大大降低了加工成本，提高了加工效率。本技术方案可以广泛地应用在芯片实验室，平板显示器，光学***检测及观察等多方面。
附图说明：
图1-1为上极板模具主视图。
图1-2为上极板模具的仰视图。
图2为透明导电ITO玻璃示意图。
图3为聚合物横向填入上极板模具与ITO玻璃间隙的示意图。
图4为光学用聚合物滴在凹面透镜样品上的示意图。
图5为凸面透镜阵列的复型示意图。
图6为脱模后最终得到的低表面粗糙度非球面凸面微透镜阵列。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细描述。
一种类抛物面微透镜阵列的电场诱导流变成形方法，包括以下步骤：
1）上极板模具的制备及处理：参照图1，上极板模具1采用光刻和刻蚀的传统工艺，在晶圆上制作微孔阵列3，然后在图形化了的晶圆表面热氧化1um厚度的SiO2介电层2，完成后用表面处理剂F1060对晶圆表面进行低表面能处理，防止脱模时损伤透镜阵列阵列结构；
2）下极板和聚合物的选择：制备透明导电ITO玻璃作为下极板，其制备方法如下：参照图2，用PECVD技术，在石英玻璃5上蒸镀一层50nm-300nm的透明导电铟锡金属化合物4，透明导电铟锡金属化合物4作为电极的同时可透过紫外光，利于对聚合物的固化，参照图3，聚合物采用光固型聚合物7；
3）外电场的施加及聚合物的填入方式：电源选用直流电源6，调节范围0-500V，施加方式如图3所示，正极接图形化了的上极板模具1，负极接透明导电铟锡金属化合物4，电场施加后，参照图4，用针管8把光固型聚合物滴在图形化了的晶圆与透明导电ITO玻璃之间空气间隙的开口处，在自然毛细力和电场的作用下聚合物流入图形化了的上极板模具1与透明导电铟锡金属化合物4的空气间隙内，形成微凹透镜阵列8，如图4所示，流变过程要受到电场和上极板模具凹陷孔的共同约束；
4）电场对液面的作用：聚合物7在图形化了的上极板模具1与透明导电铟锡金属化合物4的间隙内横向流变结束后，由于图形化的上极板模具的作用，极板间的电场并不规则，电场对此时形成的凹液面进行作用，即在表面张力，电场力和压缩气体负向气压力的综合作用下形成所需的微凹透镜阵列8，如图4所示；
5）聚合物的固化及脱模：选用紫外光固化设备SHG-200紫外点光源进行固化，固化时间20s，剂量为1000mj/s,聚合物7固化后，把图形化了的晶圆从固化了的聚合物7上脱离，得到类抛物面微凹透镜阵列8，如图4所示；
6）类抛物面微凸透镜阵列的复型：对上一步得到的类抛物面微凹透镜阵列8溅射一层10nm的C4F8疏水层，把光学用聚合物10滴在其表面，使其能够完全覆盖，并盖上载玻片11，如图5所示，用SHG-200紫外点光源对其固化，脱模，最终得到低表面粗糙度非球面微凸透镜阵列12，如图6所示。
上述方法，可以实现的类抛物面微透镜阵列的尺寸与上极板模具的凹陷孔的尺寸及上下极板间距有关：微透镜的直径为图形化上极板模具孔的直径W1，微透镜的顶点最大高度为h，即图形化的模板与透明导电ITO玻璃之间的间距。
电场诱导聚合物横向流变成型微透镜阵列由于成型过程中微透镜位于模具孔的正下方，从模具孔一侧凹向ITO玻璃一侧，尺寸高度统一于模具图形尺寸，凹透镜的直径高度统一，且可通过外加电场控制透镜的高度，也就是可以得到不同焦距的微透镜阵列；相对于材料去除和烧蚀法得到的透镜，其表面粗糙度极低，可以达到10个纳米以下，微透镜阵列的成型面积最大为晶圆的面积（4 inch），固大面积制造可行，制造步骤简单经济，成型周期短，所以是一种非常简单实用的制备方法，产品光学性能优良，可以用于各种光学领域。
另一方面，本发明克服了传统微透镜阵列制备工艺只能制备球面微透镜的限制，通过电场诱导聚合物横向流变微透镜阵列，再经过一步复型得到的低表面粗糙度类抛物面微凸透镜阵列，适合于各种光学领域的应用和推广。
Claims (1)
1.一种类抛物面微透镜阵列的电场诱导流变成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）上极板模具的制备及处理：在晶圆表面利用光刻和刻蚀工艺加工出所需的圆孔阵列图形结构，在图形化了的晶圆表面热氧化一层厚度0.1um-2um的SiO2介电层，然后再对其进行低表面能处理；
2）下极板和聚合物的选择：制备透明导电ITO玻璃作为下极板，其制备方法如下：用PECVD技术，在石英玻璃上蒸镀一层50nm-300nm的透明导电铟锡金属化合物，透明导电铟锡金属化合物作为电极的同时能够透过紫外光，利于对光固型聚合物的固化，聚合物选用紫外光固化或热固型聚合物，包括Ormo Stamp Hybrid polymer（micro resisttechnology GmbH）紫外固化型、PDMS或PMMA光固化型；
3）外电场的施加及聚合物的填入方式：电源选用直流电源，调节范围0-500V，其正极接图形化了的晶圆模具，负极接透明导电ITO玻璃，电场施加后，用针管把光固型聚合物滴在图形化了的晶圆与透明导电ITO玻璃之间空气间隙的开口处，在自然毛细力和电场的作用下聚合物流入图形化了的晶圆与ITO导电玻璃的空气间隙内，形成微凹透镜阵列；
4）电场对液面的调控：聚合物在图形化了的晶圆与透明导电玻璃的间隙内横向流变结束后，由于图形化的上极板模具的作用，极板间的电场并不规则，电场对此时形成的凹液面进行作用，即在表面张力，电场力和压缩气体负向气压力的综合作用下形成所需的类抛物面形状，电压越大，包裹住的气体越多，透镜深度也越大；
5）聚合物的固化及脱模：紫外光固型聚合物采用紫外光固化设备SHG-200紫外点光源进行固化，热固型聚合物固化采用与聚合物相应的固化温度及固化时间,聚合物固化后，把图形化了的晶圆从固化了的聚合物上脱离，得到类抛物面微凹透镜阵列；
6）类抛物面微凸透镜阵列的复型：对上一步得到的类抛物面微凹透镜阵列样品溅射一层10nm C4F8疏水层，把光固型聚合物滴在其表面，使其能够完全覆盖，并盖上载玻片，用紫外点光源对其固化，并脱模，最终得到类抛物面微凸透镜阵列。
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