一种微透镜阵列制作方法

　　微透镜阵列是指由一系列直径在10μm到100μm之间的微型透镜按一定的方式排列而成的阵列.在光学传感、光通信、光计算、光互连和光学神经网络等领域,利用微透镜阵列可以实现光束的发射、聚焦、偏折、分割、复合、开关、耦合、接收等功能[1].本文提出一种采用热压印技术制作聚合物材料微透镜阵列的方法.热压印技术是制作塑料材料微结构和微器件的一种新兴制造技术,它是在一定的温度和压力条件下,将预先制备好的模板在适当的压力下压向加热到其玻璃转化温度Tg之上的聚合物样品.其基本工艺流程如图1所示,主要有如下步骤:模板制备、压印、脱模.与目前普遍采用的在硅片或玻璃上制作微透镜阵列的方法相比,热压印工艺简单,对制作设备要求不高.制作分辨率主要取决于模板图形结构的分辨率,因此热压印具有纳米级分辨率和很好的一致性.此外,在压印过程中模板磨损很小,一块模板可多次重复压印,在一定的温度、压力及压印时间等条件下,能够获得重复性和均匀性很好的图形结构,因此热压印技术能够实现微透镜阵列的低成本、大批量、高分辨率制作[2,3].

　　1　实验设备

　　热压印设备如图2所示,其主要组成部分及其技术指标如下:a. Z方向的运动控制模块,实现Z方向的运动以控制模板和样品之间的距离和压印压力的大小,位移的分辨率为0.1μm.

　　b. XY方向的运动控制模块,用于模板与样品之间的对准以及较大基片上的重复压印的定位,位移的分辨率为0.1μm.c.模板与样品之间的平行度自校正装置,以确保模板与样品之间平行.d.加热装置及温度控制显示装置,加热温度最高可达400℃.e.压力传感器,实时监控施加在模板和样品的压力,量程30 kg,分辨率为0.05 %.f.紫外光源部分,用于紫外固化压印工艺,将另文介绍[4,5].

　　2　微透镜制作工艺过程

　　2.1　模板制作

　　模板是热压印过程中非常关键的一个环节,本文采用多次掩模光刻和离子束刻蚀工艺制作256×256元8位相衍射微透镜阵列模板,单元微透镜口径大小为40μm,单元之间中心距为60μm,模板材料为硅.具体工艺步骤如图3所示:首先,用掩模1进行曝光后,进行第一次反应离子刻蚀,可以得出一级台阶结构;然后进行第二次光刻和离子束刻蚀,在原有台阶的基础上刻出四级台阶结构;再进行第三次光刻和离子束刻蚀,在原有基础上得到8级台阶[6,7],图4是采用上述工艺制备的微透镜阵列模板的SEM图.

　　2.2　样品材料选择

　　选用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为热压印样品材料,原因如下:a.压印过程中,PMMA与Si模板黏附不很紧密,便于脱模;b.当温度和压力大范围变化时PMMA材料的收缩率不超过5 %,易保证图形结构的一致性;c. PMMA光学性能良好,是制作光学器件理想的聚合物材料.