一种高效率低成本制作微透镜阵列的方法

　　尽管目前涌现出许多新颖的微透镜阵列制作技术,但多次掩模光刻和离子束刻蚀仍是微透镜的主要制作技术[1]。为制作2n位相微透镜需要n块掩模,这不但制作效率低,而且多次掩模光刻套刻对准易产生较大的制作误差,从而影响其衍射效率。由于微热压印技术可以大批量重复地在大面积上制备微纳米图形结构,并且所制作的图案具有很好的均匀性和重复性,因而为微透镜阵列提供了一种高效率低成本的制备方法。文献[2~4]等对热压制作微透镜进行了一定的研究,然而他们均是在聚合物薄片上进行压印试验,尚未在硅基底上压印制作微透镜。微透镜阵列制作在硅基底上具有许多优点,例如可较好地与集成电路制作工艺兼容,并且易与其他光电器件集成在同一芯片上。

　　在硅基底上压印制作微透镜阵列的工艺原理如图1所示。将聚合物薄膜旋涂在硅基片上并加热至其玻璃化转变温度以上,然后将预先制备好的模板压向呈粘稠状的聚合物薄膜。移去模板后,模板上的图案便转移到硅基表面的聚合物薄膜上。

　　1　热压制作微透镜阵列试验

　　由于硅片脆性较大,因而在硅基上进行压印比在聚合物薄片上压印难度要大得多[5]。在硅基上进行压印必须保证模板和硅基片之间严格的平行关系,否则,压印的PMMA薄膜将呈楔形,这不但影响图形转移的精度,而且使压印力不能保持均匀一致,易于使硅基片出现裂纹甚至破碎。因此,在硅基上进行压印对设备的要求很高。本试验在我们自行研制的纳米压印样机(如图2所示)上进行,该设备能够提供模板与硅基片之间保持严格的平行关系和均匀接触所需的3个运动自由度,即沿z轴的直线运动和绕x、y轴的旋转运动(α和β)。有关该设备的详细介绍请参见文献[6]。

　　1. 1　模板制作和聚合物的选择

　　热压制作微透镜阵列是一种图形复制技术,压印件的质量首先取决于模板质量。为保证模板的制作精度,本试验采用我们学校开发的一种自对准的工艺制作一种用压印8位相256×256单元(单元微透镜口径大小为40μm,单元之间间距为60μm)的衍射微透镜阵列的硅模板[1]。制作的模板见图3 (a)和图3(b)。

　　选用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为压印聚合物[7],原因如下:一、当温度和压力在较大范围内变化时, PMMA的收缩率不超过5%,使得样品在压印的加热和冷却过程图形结构能够保持很好的一致性;二、PMMA光学性能良好,是制作光学器件理想的聚合物材料;三、PMMA是一种常用的正性光刻胶,通过旋涂法可使PMMA薄膜牢固地与硅基片结合在一起。为进一步提高PMMA的附着能力,可在涂胶之前烘烤硅片并用HMDS(六甲基二硅胺)处理。