專利名稱：一種在二氧化鈦有機無機光敏復合薄膜上制備凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)的制備方法，具體涉及ー種在ニ氧化鈦有機無機光敏復合薄膜上制備凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
微透鏡陣列結(jié)構(gòu)是重要的集成光學元件，在光互連和光通信領(lǐng)域中起著重要的作用。目前有很多種微透鏡陣列結(jié)構(gòu)的制備方法，包括激光直寫技術(shù)、光刻膠熱回流方法、灰度掩膜技術(shù)等。而目前已知的這些制備技術(shù)エ藝過程復雜、所需設(shè)備昂貴、加工周期長，不 能實現(xiàn)批量生產(chǎn)，而且制備得到的微透鏡結(jié)構(gòu)一般表面粗糙度比較大。而且這些加工技術(shù)多數(shù)用來制備微凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)，而用來制備微凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)加工方法卻更加少，因此限制了微凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)在集成光學等領(lǐng)域中的應(yīng)用。紫外軟壓印光刻技術(shù)因制作成本低、制作快速、具有較高的復制精度、可批量生產(chǎn)等特點而引起了研究學者的關(guān)注。常規(guī)的紫外軟壓印光刻技術(shù)首先制備具有一定圖形結(jié)構(gòu)的硬性模板作為母版，由此母版翻制得到PDMS軟模板，從而得到具有與母版圖形相反的PDMS軟模板，然后將PDMS軟模板壓印到壓印層。以上所述的多種微透鏡陣列結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)，一般都要將制備得到的微透鏡陣列結(jié)構(gòu)經(jīng)過刻蝕等方法轉(zhuǎn)移到目標材料或者是基底上，這樣經(jīng)過多次圖形轉(zhuǎn)移，將會帶來較大的誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種低成本、高精度、可批量生產(chǎn)的在ニ氧化鈦有機無機光敏復合薄膜上制備凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)的方法。為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是I)首先，利用JKG-2A型光刻機通過圓形陣列掩模板在AZ5214-E型光刻膠上采用接觸式曝光60s,然后在AZ-Developer型號的顯影液中顯影60s得到圓柱體陣列結(jié)構(gòu),然后將所得到的圓柱體陣列結(jié)構(gòu)在熱板上160° C熱回流30分鐘，得到具有凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)的光刻膠母版；2)將型號為Sylgardl84的PDMS預(yù)聚物和固化劑按10 I的重量比混合攪勻，并將其放入真空干燥箱中直至氣泡完全去除，然后，將其澆注在具有凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)的光刻膠母版上并烘干固化，最后將固化完全的PDMS從凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)的光刻膠母版上剝離，得到具有凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)的PDMS軟模板；3)將2)中去除完氣泡的PDMS預(yù)聚物和固化劑的混合物澆注到具有凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)的PDMS軟模板上，并烘干固化，最后將固化完全的PDMS剝離，得到具有凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)的PDMS軟模板；4)利用旋涂層エ藝，以每分鐘1000轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速在載玻片上制備具有紫外光敏特性的ニ氧化鈦有機無機復合薄膜，并以此作為壓印層，將具有凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)的PDMS軟模板壓印到復合薄膜上，然后將其置于紫外燈正下方曝光固化，最后將固化完全的光敏復合薄膜從將具有凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)的PDMS軟模板剝離，在烘箱中干燥，從而在ニ氧化鈦有機無機光敏復合薄膜上制備得到了凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)。所述步驟4)紫外燈的波長為365nm，電流為15mW/cm2。本發(fā)明中所采用的壓印層為ニ氧化鈦有機無機光敏復合薄膜，這種復合薄膜同時結(jié)合了無機材料和有機材料各自的優(yōu)點，而避免了各自的缺點，所制備得到的復合薄膜具有較高的光學透過率、可調(diào)的折射率、較大的硬度、比較好的耐磨性，可以得到數(shù)微米厚的單層高光學質(zhì)量薄膜。因此將PDMS軟模板壓印到該復合薄膜上，經(jīng)過固化后所得到的ニ氧化鈦有機無機光敏復合薄膜微透鏡陣列可以直接用作目標材料，而無需轉(zhuǎn)移圖形，這在很大程度上避免了因多次轉(zhuǎn)移而造成的復制誤差。


圖I具有凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)的光刻膠母版的掃描電鏡圖；圖2由光刻膠母版翻制得到的具有凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)的PDMS軟模板的掃描電鏡圖；圖3由PDMS軟模板二次復制得到的具有凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)的PDMS軟模板的掃描電鏡圖；圖4由具有凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)的PDMS軟模板壓印得到的復合薄膜凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖；圖5字符“L”由壓印得到的復合薄膜凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)在白光下的光學成像顯微圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進ー步詳細說明。實施例I :I)首先，利用JKG-2A型光刻機通過圓形陣列掩模板在AZ5214-E型光刻膠上采用接觸式曝光60s,然后在AZ-Developer型號的顯影液中顯影60s得到圓柱體陣列結(jié)構(gòu),然后將所得到的圓柱體陣列結(jié)構(gòu)在熱板上160° C熱回流30分鐘，得到直徑20 u m,間隔20 y m凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)的光刻膠母版；2)將型號為Sylgardl84的PDMS預(yù)聚物和固化劑按10 I的重量比混合攪勻，并將其放入真空干燥箱中直至氣泡完全去除，然后，將其澆注在具有凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)的光刻膠母版上90° C烘箱中固化30分鐘，最后將固化完全的PDMS從凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)的光刻膠母版上剝離，得到具有凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)的PDMS軟模板；3)將2)中去除完氣泡的PDMS預(yù)聚物和固化劑的混合物澆注到具有凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)的PDMS軟模板上，并在90° C烘箱中固化30分鐘，最后將固化完全的PDMS剝離，得到具有凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)的PDMS軟模板；4)利用旋涂層エ藝，由光敏復合基底液以每分鐘1000轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速在載玻片上制備具有紫外光敏特性的ニ氧化鈦有機無機復合薄膜，并以此作為壓印層，將具有凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)的PDMS軟模板以IMPa的壓カ壓印到復合薄膜上，壓カ持續(xù)時間為30分鐘，然后將其置于紫外燈正下方(波長為365nm,電流為15mW/cm2)曝光固化,最后將固化完全的光敏復合薄膜從將具有凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)的PDMS軟模板剝離，在烘箱中干燥，從而在ニ氧化鈦有機無機光敏復合薄膜上制備得到了凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)。其中凹透鏡陣列深度為3 ym，凹透鏡直徑為20i!m，而且凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)表面光滑整潔，具有良好的光學成像功能。實施例2，本實施例的步驟I)、2)、3)同實施例I ;4)利用旋涂層エ藝，由光敏復合基底液以每分鐘1000轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速在載玻片上制備具有紫外光敏特性的ニ氧化鈦有機無機復合薄膜，并以此作為壓印層，將具有凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)的PDMS軟模板以2MPa的壓カ壓印到復合薄膜上，壓カ持續(xù)時間為20分鐘，然后將其置于紫外燈正下方(波長為365nm,電流為15mW/cm2)曝光固化,最后將固化完全的光敏復合薄膜從將具有凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)的PDMS軟模板剝離，在烘箱中干燥，從而在ニ氧化鈦有機無 機光敏復合薄膜上制備得到了凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)。其中凹透鏡陣列深度為3.2 ym，凹透鏡直徑為20 ym，而且凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)表面光滑整潔，具有良好的光學成像功能；實施例3，本實施例的步驟I)、2)、3)同實施例I ;4)利用旋涂層エ藝，由光敏復合基底液以每分鐘1000轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速在載玻片上制備具有紫外光敏特性的ニ氧化鈦有機無機復合薄膜，并以此作為壓印層，將具有凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)的PDMS軟模板以3MPa的壓カ壓印到復合薄膜上，壓カ持續(xù)時間為10分鐘，然后將其置于紫外燈正下方(波長為365nm,電流為15mW/cm2)曝光固化,最后將固化完全的光敏復合薄膜從將具有凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)的PDMS軟模板剝離，在烘箱中干燥，從而在ニ氧化鈦有機無機光敏復合薄膜上制備得到了凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)。其中凹透鏡陣列深度為3.6 ym，凹透鏡直徑為20 ym，而且凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)表面光滑整潔，具有良好的光學成像功能。圖I是上述實例中具有凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)的光刻膠母版的掃描電鏡圖。圖I中的光刻膠母版首先由JKG-2A型光刻機通過圓形陣列掩模板接觸式曝光，其中光刻膠以每分鐘1000轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速旋涂到硅基底上，100° C前烘2分鐘，365nm波長下曝光60s，顯影液中顯影60s,然后去離子水沖洗掉曝光部分，160° C熱板上將光刻膠圓柱體陣列回流30分鐘得到微透鏡陣列結(jié)構(gòu)母版。從圖中可見，通過接觸式光學曝光結(jié)合光刻膠熱回流方法得到的光刻膠凸透鏡陣列母版表面干凈整潔，透鏡尺寸大小均一，另外從圖中可以看出，光刻膠母版中的透鏡直徑為20 u m,間隔20 u m。圖2是上述實例中由光刻膠母版翻制得到的具有凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)圖形的PDMS軟模板的掃描電鏡圖。從圖中可見翻制得到的PDMS凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)軟模板具有與圖I中光刻膠母版相反的圖形，另外透鏡直徑大小與圖I完全一致，都為20 ym。圖3是上述實例中由PDMS軟模板二次復制得到的具有凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)的PDMS軟模板的掃描電鏡圖。圖2中PDMS軟模板的具體制備過程及參數(shù)是將PDMS前驅(qū)體與固化劑10:1質(zhì)量比混合并攪拌均勻，真空干燥箱中放置10分鐘去除氣泡，澆注到具有凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)的PDMS軟模板上，特別注意澆注之前要給PDMS模板邊緣放置一小塊塑料膜以達到將二者分開的目的，然后在90° C烘箱中放置I小時固化，將固化完全的PDMS沿著塑料膜剝離，從而得到具有凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)的PDMS軟模板。從圖中可以看出經(jīng)過二次復制得到的PDMS軟模板，具有與原PDMS軟模板相反的圖形，然而圖形大小完全一致，圖形表面干凈整潔。圖4是由上述實例3得到的ニ氧化鈦有機無機光敏復合薄膜凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖。圖4中的圖形具體制備エ藝及參數(shù)是光敏復合薄膜由復合材料基液每分鐘1000轉(zhuǎn)旋涂到普通載玻片上得到，將PDMS凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)軟模板壓在復合薄膜上，以3MPa的壓カ持續(xù)壓印10分鐘，然后在365nm波長，15mff/cm2電流強度下曝光固化30分鐘，當復合薄膜固化完全之后，從PDMS軟模板上剝離，從而得到光敏復合薄膜凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出通過紫外軟壓印光刻技術(shù)制備得到的凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)圖形大小一致，干凈整潔。圖5是上述實例3中壓印得到的光敏復合薄膜凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)對字母“L”在白光下所成像的光學顯微圖。從圖中可以看出，由紫外軟壓印光刻技術(shù)結(jié)合PDMS軟模板二次復 制方法制備得到的ニ氧化鈦有機無機光敏復合薄膜凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)具有成像清晰，成像一致等優(yōu)點，可以投入到實際應(yīng)用當中去，這些結(jié)果進一歩表明通過本發(fā)明制備得到的凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)的有效性和可實施性。綜上所述，本發(fā)明所涉及的制備凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)的方法不但具有低成本、高精度的特性，而且所制備得到的凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)具有良好的成像性能。本發(fā)明同時結(jié)合了紫外軟壓印光刻技術(shù)和PDMS軟模板二次復制方法，還有ニ氧化鈦有機無機光敏復合薄膜，所制備得到的微凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)制備エ藝過程簡單、精度高、低成本、可實現(xiàn)批量生產(chǎn)等，另外所制備得到的微凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)具有良好的光學成像功能，對于集成光學和光子學的發(fā)展具有重大意義。本發(fā)明采用PDMS軟模板二次復制的方法結(jié)合紫外軟壓印光刻技術(shù)在ニ氧化鈦有機無機光敏復合薄膜上制備凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)，此制作方法具有低成本、高精度、可批量制作等優(yōu)點。本發(fā)明提出的是由具有微結(jié)構(gòu)圖形陣列的PDMS軟模板經(jīng)過自我復制即二次復制，得到具有跟PDMS軟模板母版微結(jié)構(gòu)圖形相反的PDMS軟模板，特別是本發(fā)明得到了具有凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)的PDMS軟模板，最后通過紫外軟壓印光刻技術(shù)在ニ氧化鈦有機無機光敏復合薄膜上制備得到了凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)。無疑此種方法在凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)制備的方法中具有新穎性、制備エ藝過程簡單、成本低廉、可實現(xiàn)批量制作等。另外，將此種技術(shù)進行延伸，可以在其它光敏材料上制備除了凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)的其它圖形，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)拸V。
權(quán)利要求
1.一種在ニ氧化鈦有機無機光敏復合薄膜上制備凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于: 1)首先，利用JKG-2A型光刻機通過圓形陣列掩模板在AZ5214-E型光刻膠上采用接觸式曝光60s,然后在AZ-Developer型號的顯影液中顯影60s得到圓柱體陣列結(jié)構(gòu),然后將所得到的圓柱體陣列結(jié)構(gòu)在熱板上160°C熱回流30分鐘，得到具有凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)的光刻膠母版； 2)將型號為Sylgardl84的PDMS預(yù)聚物和固化劑按10 I的重量比混合攪勻，并將其放入真空干燥箱中直至氣泡完全去除，然后，將其澆注在具有凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)的光刻膠母版上并烘干固化，最后將固化完全的PDMS從凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)的光刻膠母版上剝離，得到具有凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)的PDMS軟模板； 3)將2)中去除完氣泡的PDMS預(yù)聚物和固化劑的混合物澆注到具有凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)·的PDMS軟模板上，并烘干固化，最后將固化完全的PDMS剝離，得到具有凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)的PDMS軟模板； 4)利用旋涂層エ藝，以每分鐘1000轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速在載玻片上制備具有紫外光敏特性的ニ氧化鈦有機無機復合薄膜，并以此作為壓印層，將具有凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)的PDMS軟模板壓印到復合薄膜上，然后將其置于紫外燈正下方曝光固化，最后將固化完全的光敏復合薄膜從將具有凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)的PDMS軟模板剝離，在烘箱中干燥，從而在ニ氧化鈦有機無機光敏復合薄膜上制備得到了凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在ニ氧化鈦有機無機光敏復合薄膜上制備凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所述步驟4)紫外燈的波長為365nm，電流為15mW/cm2。
全文摘要
一種在二氧化鈦有機無機光敏復合薄膜上制備凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)的方法，首先通過光學光刻技術(shù)結(jié)合光刻膠熱回流的方法制備得到具有微凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)母版，由此母版復制得到具有凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)的PDMS軟模板，以此PDMS軟模板做為母版二次復制得到具有凸透鏡陣列結(jié)構(gòu)的PDMS軟模板，最后通過紫外軟壓印光刻技術(shù)在二氧化鈦基有機-無機光敏復合薄膜上制備得到凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)。最終得到的凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)的尺寸可以通過母版圖形尺寸來調(diào)節(jié)，凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)的基本光學參數(shù)可通過調(diào)節(jié)光敏復合材料的折射率等實現(xiàn)，特別是本發(fā)明具有制作快速，低成本，高精度，可批量生產(chǎn)，是一種制備凹透鏡陣列結(jié)構(gòu)的有效方法。
文檔編號G02B3/00GK102799066SQ20121030555
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月24日
發(fā)明者闕文修, 張雪花 申請人:西安交通大學