專利名稱：制造母版的方法、母版、制造光學元件的方法和光學元件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般是關于具有具有復數(shù)個具光學效應的結構的光學元件的制造，所述制造通過模塑或熱壓印形成于光學基板表面上的母版或工具上的結構而達成。本發(fā)明尤其是關于一種制造此母版或工具的方法、一種母版或工具，以及一種用于制造所述具有衍射和/或折射結構的光學元件的方法。本發(fā)明的另一方面是關于一種光學元件，所述光學元件在其表面上產生具光學效應的結構。
背景技術：
前述類型的光學元件通常由透明材料(例如，玻璃、玻璃陶瓷或塑料)制成。為減少或補償光學象差，需以高度精確的方式產生所述具光學效應的結構。為此目的，已知利用機械加工步驟的制造方法，例如，透鏡研磨和拋光，或通過在光學基板上形成凹槽而制造光柵，具體而言是閃耀光柵。
在從現(xiàn)有技術中可知的其它相關制造方法中，具光學效應的結構是通過將在母版或工具上產生的結構模塑或熱壓印到光學基板的表面上而產生。在此情況中，在母版上產生的結構對應于待產生的具光學效應的結構的負片。采用熱成形或熱壓印方法用于將在母版上產生的結構模塑或熱壓印到光學基板的表面上。在這些方法中，將光學基板加熱到一可使其表面變形的溫度，其中所述光學基板和母版向彼此相抵以施加足夠的壓力，用于將在母版上產生的結構模塑或熱壓印到光學基板的表面上。在另一個已知的方法中，將光學基板的材料灌注或注入到其中適當排列母版的模具中。后面提到的方法尤其適用于大規(guī)模生產由塑料材料組成的光學元件。所有前述方法的一個共同方面為所述母版和光學基板需要彼此相分離(脫模)。這將待實現(xiàn)的結構的可達到的縱橫比(即，深寬比)限制到大約1∶1的值。因為模塑或熱壓印處理總是在光學基板材料的熔化溫度附近或之上發(fā)生，所以不可避免的在脫模處理期間(即，當將母版從光學基板提出時)光學基板的材料趨于粘附到母版上。這降低了模塑或熱壓印處理的精確度，并不利的影響了母版的使用壽命和其精確度。在這個方面，需要考慮前述模塑技術的優(yōu)點僅僅是當大量光學元件可通過相同母版以恒定精確度制造而不要求昂貴的隨后處理步驟時才是具有成本效益的。解釋此的原因可發(fā)現(xiàn)于尤其是在相對較高成本制造精確母版和熱成形或熱壓印工具中。
已知提供具有保護性涂層的母版表面，以防止母版的材料直接粘附到光學基板。此保護性涂層需滿足嚴格要求。具體而言，保護性涂層需要以牢固粘附的方式連接到母版的基板，其中保護性涂層與光學基板材料的可濕性也應較低。這顯著限制了用于保護性涂層的材料以及用于涂覆母版基板涂覆技術的選擇。另外，需要將高度同質和極其仿形(true-to-contour)的涂層通過所選擇的涂覆技術涂敷到母版的構造表面上，使得母版的表面上的涂覆結構可精確地模塑或熱壓印到基板上。這額外的限制了待使用的保護性涂層材料和涂覆技術的選擇。
所述結構可通過從制造半導體組件已知的技術(尤其是照相平版印刷技術)在母版基板的表面上非常精確地產生。然而，保護性涂層導致該等結構的特定扭曲，尤其是邊緣的磨圓和表面粗糙度。具體而言，當模塑非常精細的結構和/或具有高縱橫比的結構時，需要考慮這些影響。
因此，需要研發(fā)一種用于熱成形或熱壓印方法的精確且耐用的母版或工具。因為將母版具體而言是大規(guī)模生產光學元件，所以在通過昂貴的制造方法大規(guī)模生產光學元件中也可達到顯著的經(jīng)濟優(yōu)點。
在w.Lukosz等人的″Embossing techniques for fabricating integratedoptical components in hard inorganic wave guiding materials″，Optical Letters，1983年10月，第8卷，第10期，第537-539頁中揭示了一種在室溫下壓印可變形凝膠層中波導管的方法。通過浸拉(dip-drawing)方法從有機金屬化合物中產生薄膜。在壓印后，在數(shù)百攝氏度的溫度下將所述膜硬化，并將其轉換成有機氧化物材料。在壓印期間，具有有機溶膠凝膠薄層的基板抵壓在母版光柵上。所述母版光柵涂覆有一鋁層。
US 6,591,636 B1揭示了一種用于形成玻璃的工具和方法。在玻璃形成期間，尤其是在形成具有大量堿組份和/或含堿組份的玻璃化合物期間，觀察到氧化和腐蝕處理。具體而言，這導致我們所不希望見到的灰暗玻璃表面。建議使用不同的抗氧化和抗腐蝕化合物用于涂覆所述成形工具的涂層，其中通過電鍍或物理氣相沉積(PVD)或化學氣相沉積(CVD)來涂敷所述化合物。
JP 2003-342025 A揭示了一種制造精細構造的光學元件(例如，微透鏡陣列、光柵、菲涅耳分區(qū)透鏡等)的母版。該等結構的精確度在一微米之下。所述結構最初通過照相平版印刷過程經(jīng)同步加速器輻射產生在模擬物上?；阪嚨暮辖鹜ㄟ^電鍍涂敷到由此構造成的模擬物上。在將模擬物從涂層中提出時，就獲得了制造光學元件的母版。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一目的是提供一種用于制造母版的方法、母版和制造光學元件的方法，其中允許以更精確且更經(jīng)濟的方式制造具有復數(shù)個具光學效應的結構的光學元件。本發(fā)明還旨在可獲得以更精確且更經(jīng)濟的方式實現(xiàn)的光學元件。
根據(jù)本發(fā)明，這些和其它目的可通過制造根據(jù)權利要求1所述的母版的方法、用根據(jù)權利要求18所述的用于制造光學元件的母版、通過根據(jù)權利要求21所述的用于制造光學元件的方法和通過根據(jù)權利要求27所述的光學元件而達成。其它有利實施例形成各附屬權利要求的目的。
本發(fā)明揭示一種制造母版的方法，所述母版用于通過將在母版上形成的結構模塑或熱壓印到光學基板的表面上而制造具有復數(shù)個具光學效應的結構的光學元件，其中所述方法包含下列步驟提供一基板；涂覆所述基板的表面用于在基板上產生涂層；和構造所述涂層用于在所述涂層內形成將被模塑或熱壓印到光學基板的表面上的結構。
根據(jù)本發(fā)明，因為將接受模塑或熱壓印的結構是分別直接產生在涂層內或在涂層的表面上，所以其外形和精確度不再像在常規(guī)應用已經(jīng)構造的母版上的保護性涂層的情況中一樣受額外涂覆處理的損害。因此，本發(fā)明可能達到具有更陡且更精確的邊緣陡度的更精細的結構和具有降低的粗糙度的復數(shù)個具光學效應的結構。
可發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的另一優(yōu)點在于可使用很多種不同涂覆技術和/或涂覆材料，即，因為在根據(jù)本發(fā)明的方法中顯著簡化了涂覆處理期間的條件(不再需要均勻涂覆已經(jīng)產生的結構)。
由于本發(fā)明可能實現(xiàn)具有較小表面粗糙度的均勻且同質的涂層，所以可額外改進光學組件的質量。
根據(jù)本發(fā)明，具體而言，可選擇幾乎任意材料用于形成將要涂敷于基板上的涂層，尤其是有利地具有與光學基板的材料一致的低可濕性的材料。許多這些用于精細結構的涂層的材料在從現(xiàn)有技術中已知的方法中的利用(如果可能)也往往具有很大困難。
確定離子束蝕刻(IBE)方法、反應性離子束蝕刻(RIE)方法或化學輔助離子束蝕刻(CAIBE)方法尤其適用于構造所述涂層，因為這些方法可以以非常精確且同質的方式產生在涂層內的所述結構。
本發(fā)明的其它方面是關于一種制造光學元件的母版、制造光學元件的方法和裝置和具有至少一個表面的光學元件，在所述表面上至少部分地產生具光學效應的結構，尤其是衍射和/或折射結構。


下文將參考附圖以例示性方式描述本發(fā)明，該等附圖闡明欲實現(xiàn)的其它特征、優(yōu)點和目的，其中圖1顯示穿過根據(jù)本發(fā)明的制造光學元件的母版的示意性橫截面；
圖2a-2b顯示穿過根據(jù)本發(fā)明的制造光學元件的母版的另一個實施例的示意性橫截面；圖2c顯示穿過制造具有連續(xù)外形的閃耀衍射光柵的母版的放大的局部截面；圖2d顯示穿過制造具有臺階狀外形的閃耀衍射光柵的母版的放大的局部截面；圖3a-3d分別顯示制造根據(jù)圖1的母版的臺階的示意性橫截面；圖3e顯示具有蝕刻中止層的根據(jù)圖1的母版的修改；圖4顯示制造根據(jù)本發(fā)明的母版的綜合步驟；圖5顯示穿過根據(jù)本發(fā)明的制造光學元件的裝置的第一實施例的示意性橫截面；圖6顯示穿過根據(jù)本發(fā)明的制造光學元件的裝置的第二實施例的示意性橫截面；和圖7顯示根據(jù)本發(fā)明的使用根據(jù)圖2a的母版制造的且表面上含有衍射以及折射結構的光學元件。
在所有附圖中由相同的參考符號代表相同或相同功能的元件或元件組。
參考數(shù)字列表1壓力或壓印桿/工具2基板3涂層4a，b平面部分5凹面部分6過渡/分離區(qū)域/步驟7蝕刻中止層10 顯微結構/凸出11 光阻
12掩模13曝露15傾斜部分16臺階部分20用于制造光學元件的裝置21熔融態(tài)玻璃/光學基板22反模/熔融態(tài)玻璃接受器25壓力桿26折射成形模27內部容積28銷29銷接受器30入口40光學元件41光學元件42衍射結構/衍射光柵43折射結構50-53 處理步驟具體實施方式
圖1顯示穿過制造根據(jù)本發(fā)明的光學元件的母版的示意性橫截面。所述母版適宜用作復數(shù)個具光學效應且待形成于光學基板表面上的結構的負片。根據(jù)圖1，該母版整體通過參考符號1來標識，其包含基板2，在所述基板2的表面上形成涂層3?；?具有用于承受在熱成形和熱壓印方法中使用的壓力和溫度的足夠的尺寸穩(wěn)定性?；?優(yōu)選由鋼、碳化鎢(WC)或鉬(Mo)組成。根據(jù)圖1，構造涂層3使其具有如下結構，即，使其具有結構10以用作復數(shù)個具光學效應且待模塑或熱壓印于光學基板(未顯示)上的結構的負片。根據(jù)圖1，結構10是產生在涂層3內。具體而言，結構10產生在涂層3指向遠離基板2的方向的表面上。根據(jù)本發(fā)明，通過如下文更詳細描述的涂層材料的直接沉積將涂層3涂敷到基板2的上面，且以牢固粘附的方式連接到基板2的整個表面上。
根據(jù)圖1，結構10包括在涂層3的表面上的一系列基本上為矩形的隆起和凹陷。然而，本發(fā)明不限于涂層內的基本上為矩形的結構。相反，根據(jù)本發(fā)明的結構10還可具有任何其它外形，即，取決于應通過復數(shù)個具光學效應且待形成在光學基板上的結構達成的光學效應。該等結構的各自的外形還取決于如下文更詳細描述的用于構造涂層3的方法。
根據(jù)圖1，在涂層3的表面上的凹陷不完全延伸到基板2的表面。相反，具有一特定最小厚度的涂層3的材料層仍保留在凹陷的底部。在根據(jù)圖1的實施例中，在模塑或熱壓印該結構10的期間，始終確保光學基板的材料不與基板2的材料接觸，即，因為具有一特定最小厚度的涂層3的材料層始終保留在該光學基板與母版1的基板2之間。
根據(jù)本發(fā)明，選擇涂層3的材料，使得涂層3具有可能相當于光學基板的材料的最低可濕性，在所述光學基板上模塑或熱壓印具光學效應的結構。這意味材料的選擇在原則上是取決于光學基板的材料。當熱成形或熱壓印玻璃基板或玻璃陶瓷基板時，利用貴金屬或貴金屬合金的涂層被證實是尤其有利的，即，因為可有利地實現(xiàn)涂層3，使其在此情況下具有與光學基板的材料一致的低可濕性。例如，涂層3可由鉑(Pt)和銠(Rh)的合金組成。
又經(jīng)證實，為涂層3使用抑制玻璃或玻璃陶瓷的氧化和/或腐蝕的材料是有利的。此類材料揭示于US 6,591,636 B1中，其全部內容以引用的方式清楚地并入本申請案中。具體而言，根據(jù)本發(fā)明可用于產生涂層3的例示性材料為Cr MCrAlY SiC/MOCr2O3Dura-Nickel 301 ZrO2Cr2O3Si Stellite 6 CoCrAlY
CrN/CrC MgOPt/RhTiC Ni/N IrTiCN Al2O3ErOTiAINNb/NbC TiB2TiC/Al2O3B4C/W NiWBTiN B4C/MOMgAlYTiCN/TiC/TiCN/TiNSiC/W根據(jù)本發(fā)明，涂層3的最小厚度原則上僅受很少的限制。出于質量和節(jié)省材料的原因，原則上應嘗試將厚度d維持在盡可能小，優(yōu)選是使得結構10的凹陷不完全延伸到基板2的表面。涂層3的最小厚度d通常由待模塑或熱壓印于光學基板上的結構10的外形來定義。如果衍射結構應通過結構10(例如，衍射光柵、閃耀衍射光柵、全息衍射光柵、菲涅耳(Fresnel)透鏡、菲涅耳分區(qū)透鏡等)模塑或熱壓印，那么優(yōu)選是選擇涂層3的最小厚度d，使得d≥λ/Δn適用，其中λ對應于應由具有衍射光學效應的結構所衍射的光的波長，且其中Δn對應于光學基板(在光學基板中應產生具光學效應的結構)材料的折射率和空氣折射率之間的差。例如，當制造用于衍射具有10.6μm波長的CO2激光器的激光的衍射結構且光學基板是由具有大約n＝3.4的折射率的Si組成時，根據(jù)上式的涂層3的最小厚度d達約4μm。用于衍射可見和近紅外線范圍內的光的涂層3對應的最小厚度d大約在不小于1μm到2μm之間。
如果涂層3的結構10是用于產生折射光學元件，例如，微透鏡、微透鏡陣列、微棱鏡、顯微鏡等，那么涂層3的最小厚度d由在光學基板表面上的這些折射結構的最小高度來定義。然而，本發(fā)明在此方面實際上不受任何限制，因為可通過合適的涂覆技術將具有幾乎任意層厚度的層容易地涂敷到基板2上。
根據(jù)圖1，基板2的上面為平面。涂層3上面的粗糙度是由涂層3的材料和所選擇的涂覆方法定義的，但是也可能受基板2上面的粗糙度的影響。例如，如果基板2的上面比較粗糙，那么涂層3的上面也比較粗糙，至少如果厚度d相對較小。根據(jù)所選擇的過程參數(shù)，也可精細拋光或研磨基板2的表面。
根據(jù)圖1，可以平面方式實現(xiàn)基板2的上面，即，其不含有凹陷、隆起或臺階。然而，本發(fā)明原則上還適用于在其表面上具有隆起和/或凹陷的基板，舉例而言，如具有圖2a和2b中以例示性方式說明的凹陷、隆起和/或臺階的基板。
下文將參考圖2a-2b描述根據(jù)本發(fā)明的母版的其它實施例。根據(jù)圖2a，母版1的基板2包含第一平面部分4a和第二平面部分4b，其中在這些平面部分之間形成一臺階。將預定厚度的涂層3涂敷到此臺階式基板2上。因此，基板2中的臺階在涂層3內自動產生臺階形過渡區(qū)6。
隨后，結構化涂層3，以在第一平面部分4a上方形成若干彼此等距離間隔開的球形凹陷5并在在第二平面部分4b上方形成一系列彼此等距離間隔開的鋸齒狀突出部分10?？赏ㄟ^模塑或熱壓印涂層3的該等結構來制造諸如在圖7中以例示性方式說明的光學元件。根據(jù)圖7，光學元件40包含折射光學元件以及衍射光學元件，即，在左側上的球形微透鏡43陣列和在右側上的閃耀衍射光柵42，其中有一臺階排列在衍射區(qū)域42和折射區(qū)域43之間。
圖2b顯示另一個實施例，其中于基板2中形成一凹口或凹腔5。在模塑或熱壓印后，此產生一凸起表面，例如光學透鏡的凸起表面。于基板2的表面上形成一具有恒定厚度的涂層3。盡管實現(xiàn)的基板2相對比較大，但是復數(shù)個顯微結構形成于如放大的局部截面中所指示的涂層3的表面中。根據(jù)此放大的局部截面，鋸齒狀外形10形成于涂層3的表面上。可通過模塑圖2b中所示的母版1的結構來制造具有一凸起表面的光學元件，在所述凸起表面中形成有復數(shù)個鋸齒狀凹陷和隆起。
根據(jù)圖2c，在涂層3內產生的各鋸齒形側面原則上可以以連續(xù)方式部分地延伸，即，逐邊緣延伸。然而，此要求利用一種適用于如在下文更詳細描述的在涂層3內分別產生此等部分連續(xù)的結構15的方法。
顯微結構原則上也可以通過接連執(zhí)行的若干處理步驟形成。從現(xiàn)有技術可知，原則上可在m個處理步驟中產生具有2m垂直臺階的顯微結構。根據(jù)圖2d，在圖2c中顯示的鋸齒外形可通過相應地選擇顯微結構16的分級而使其接近于連續(xù)側面。根據(jù)本發(fā)明，臺階式結構(諸如圖2d中所示的)可用于在基板2的涂層3內實現(xiàn)計算機產生的全息圖。
下文將參考圖3a-3d描述用于制造圖1所示的母版的例示性處理步驟。圖3a顯示，根據(jù)本發(fā)明的用于制造母版的方法開始于具有涂層3的基板2。在圖3a中說明的涂層具有恒定厚度，但是原則上該涂層可包含具有不同恒定厚度的復數(shù)個部分?；?優(yōu)選是由一具有較小表面粗糙度的平行平面基板組成。規(guī)模比具有將要產生的光學效應的結構大的基板2原則上也可具有如在圖2b中以例示性方式說明的外形。
用于涂覆基板2的方法取決于涂層3的組合物和涂層3所要的特性——特別是其表面粗糙度。適當方法的實例為電鍍、等離子體噴涂、濺鍍、磁控管濺鍍、等離子體輔助濺鍍、離子束濺鍍(IBD)、物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、電子輔助或等離子體輔助的物理氣相沉積(EB-PVD；IB-PVD)以及電子束輔助或離子束輔助沉積(EBAD；IBAD)、PICVD、PECVD、MOCVD和分子束外延(MBE)。
本發(fā)明者所進行的研究顯示，約100nm rms(均方根)的平均表面粗糙度滿足大約為10μm的光波長(例如，CO2激光)，小于約5nm rms的平均表面粗糙度滿足在可見及紫外線光譜范圍中的應用，而小于約1nm rms的平均表面粗糙度滿足在照相平板印刷曝露裝置(晶圓步進機)中的應用。
將一掩模結構應用于圖3a中所顯示的經(jīng)如此涂覆的基板上，其中所述掩模結構在一隨后用于形成涂層3中之結構的蝕刻步驟中充當一掩模。從現(xiàn)有技術可知各種蝕刻技術。以下對于處理步驟的例示性描述是基于一離子束蝕刻方法(IBE、通常也稱為“離子束研磨”方法)。然而，已清楚地表明以下對于處理步驟的描述僅具有例示性特征，且本發(fā)明也允許利用其它任何干式蝕刻或濕式蝕刻方法，尤其是反應離子束蝕刻(RIBE)和化學輔助離子束蝕刻(CAIBE)。
根據(jù)圖3b，涂層3覆蓋有一光阻層11，其通過光曝露13在光阻層11中形成所要圖案，所述圖案如一周期結構、一光柵結構或另一光學結構。所述光阻層11是由常規(guī)方式構成和制得。所述光阻層11具有一能夠將圖案轉移到位于其下方的涂層3上的厚度。
為了在光阻層11中形成一適當?shù)膱D案，使掩模12與光阻層11接觸或直接將其排列于光阻層11上方，如圖3b所示。隨后將掩模12曝露于具有適當波長的光13，例如紫外輻射。穿過掩模12的透明部分而傳播的光13引起所述光阻層11的曝露部分發(fā)生化學變化，該化學變化顯露在光阻層11的材料特性上。
當然，在根據(jù)本發(fā)明的方法中并不絕對強制利用掩模12。例如，也可通過光束、優(yōu)選是通過激光光束如準分子激光器的激光光束將結構直接寫入光阻層11上。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，可將全息圖案直接寫入光阻層11上，其中所述光阻層11受到兩個相關光束、優(yōu)選是激光光束的干擾，例如，來自紫外準分子激光器的激光光束的干擾。
曝光之后，移除掩模12，以一顯影劑顯影光阻層11，并根據(jù)所使用的光阻的類型洗去光阻層11未曝光或已經(jīng)曝光的區(qū)域。洗去所述光阻之后，所要圖案保留在光阻層11中，如圖3c所示。此圖案已可在顯微鏡下接受光學檢驗，且如果需要可在所述光阻層11中所產生的結構不令人滿意的情況下對此圖案進行修改或甚至完全移除此圖案。在此情況下，重新執(zhí)行圖3a-3c所示的處理步驟直到在光阻層11中形成所要的圖案。
隨后，將光阻層11的圖案用作蝕刻步驟的掩模，以將所述圖案轉移到涂層3。在此過程中，涂層3被光阻11覆蓋的區(qū)域不與蝕刻介質反應，且因此不會被蝕刻掉。完成所述蝕刻步驟之后，利用常規(guī)的溶劑移除所述光阻的剩余部分。
根據(jù)圖3e中所示意性說明的本發(fā)明的另一實施例，如果所述涂層3是由兩個層組成，即一較低的蝕刻中止層7和一位于所述蝕刻中止層7上且用來產生結構10的層，那么可更好地控制所述蝕刻步驟。蝕刻中止層7的材料比涂層3位于其上的材料對所使用的蝕刻介質更具抗蝕性，如此使得蝕刻處理在到達蝕刻中止層7時按照所界定的方式被中止。
當然，舉例而言，為產生如圖2d中以例示性方式說明的臺階式外形，也可使所述蝕刻步驟重復數(shù)次。當然，也可在一第一蝕刻步驟中將根據(jù)圖3c形成于光阻層11上的圖案轉移到安置于光阻層11與涂層3之間的中間層，例如，轉移到一Si層或一SiO2層?？稍谝坏诙g刻步驟中將這一層中如此產生的結構轉移到位于其下的涂層3。
圖4概述了根據(jù)本發(fā)明的用于制造一母版的方法的處理步驟。其再次清楚地表明，根據(jù)本發(fā)明，在處理步驟51中可使用幾乎任意的涂覆方法來涂覆所述基板，只要能產生一具有足夠表面粗糙度的充分抗粘著的涂層。在圖3a-3e的描述中，所述蝕刻方法是用于構造所述涂層。在研究以上描述時，所屬領域的技術人員可容易地確定本發(fā)明在原則上也允許使用其它用于構造涂層的方法，只要能使用這些方法來產生適當?shù)耐庑?，尤其是具有合適的邊緣陡度、邊緣修圓、結構精確度和結構精細度的外形。以下概述先前所描述的蝕刻方法的幾種優(yōu)選替代選擇。
根據(jù)本發(fā)明，原則上也可以直接處理所述涂層。例如，所述涂層表面可經(jīng)受一通過機械處理工具執(zhí)行的材料移除或機械加工處理。例如，類似于光學衍射光柵的機械加工處理，在所述涂層中形成凹槽。所述機械加工處理方法可尤其適用于在涂層中形成用于在光學基板上模塑或熱壓印折射結構的結構，例如，如在圖2b中以例示性方式說明的凸起或凹形表面。
根據(jù)本發(fā)明，另一替代選擇明顯欲利用涂層直接處理，其包含通過離子束或電子束將結構直接寫入涂層中。眾所周知，一些部分可由于離子或電子束對涂層區(qū)域的猛烈沖擊而被移除?？赏ㄟ^以離子或電子束掃描涂層表面而處理整個涂層表面。通過所施加的電壓、離子或電子束的強度、所使用的離子的質量和通過離子或電子束于所述涂層表面上產生的圖案的幾何形狀來界定產生于所述涂層內的結構的深度。根據(jù)本發(fā)明，如果所述結構是通過離子或電子束直接產生于所述涂層內，那么所述涂層優(yōu)選由導電材料組成以形成電荷放電器。
先前所描述之蝕刻方法的另一替代選擇包含激光切除所述涂層?？赏ㄟ^改變以下特定參數(shù)來適當?shù)亟缍ㄋ鐾繉觾鹊慕Y構的深度，該等參數(shù)例如激光強度、激光功率、激光脈沖的平均脈沖持續(xù)時間和照射持續(xù)時間。
圖5顯示根據(jù)本發(fā)明的用于制造光學元件的裝置的第一實施例的示意性橫截面。所述裝置20含有一凹槽形或溝形反模22，其中光學基板21被容納在反模22的底部。根據(jù)圖5，母版1包含一基板2以及一經(jīng)構造的涂層3，且與由反模22所固定的光學基板21相抵壓。為了模塑或熱壓印所述結構，至少將所述母版1加熱到一高于所述光學基板21的熔化溫度的溫度，使得可使至少玻璃基板21的表面變形。所屬領域的技術人員將不難發(fā)現(xiàn)也可將光學基板21以熔融態(tài)玻璃、玻璃陶瓷或塑料的形式——即以高于各自熔化溫度的溫度——引入到裝置20中。以此方式(即通過熱成形或熱壓印)將母版1的涂層3內的結構轉移到光學基板21的表面上。
從上文的描述中將不難發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的一個共同方面是關于制造一經(jīng)適當構造的母版(即，一工具)以用于模塑或熱壓印具光學效應的結構。根據(jù)本發(fā)明，也可能利用其它用于轉移所述結構的技術，如以下參看圖6以例示性方式所描述的。參看圖6描述了一種用于注塑成形光學元件的裝置。裝置20含有一由側壁、上模26和下模所限定的腔27。至少所述下模是一根據(jù)本發(fā)明的母版形式，其包含一基板和一含有所述結構10并涂敷于所述基板上的涂層3。或者，所述上模26可為一根據(jù)本發(fā)明的母版形式，如在圖2b中以例示性方式所說明的。提供于所述母版下方的擠壓桿25含有一定心銷28，所述定心銷28與基板2下側上的凹口29嚙合以精確引導充當所述母版的下模。經(jīng)由入口30將所述光學元件的材料注入或傾入所述腔中，該等材料例如為熔融態(tài)玻璃、熔融態(tài)玻璃陶瓷前體玻璃、熔融態(tài)玻璃陶瓷綠玻璃、液態(tài)塑料或液態(tài)聚合物。
根據(jù)本發(fā)明，原則上也可以利用其它的壓印方法。根據(jù)其它實施例(未顯示)，例如將一具有適當粘度的塑料層涂敷到基板載體上，其中借助于根據(jù)本發(fā)明的母版(即，通過模塑或壓印)在此塑料層中產生具光學效應的結構。如此印制的結構可通過熱固化或通過使所述塑料層經(jīng)受(例如)紫外輻射而在所述塑料層中硬化。
從上文的描述將不難發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明的光學元件的材料可選自多種材料類別。待考慮的玻璃類型為低/Tg玻璃、鈉鈣玻璃、硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、硼硅酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃、氟化玻璃、氟磷酸鹽玻璃、鹵化玻璃或光學玻璃。具體而言，待考慮用于所述光學元件的塑料材料為PMMI、COC(環(huán)烯共聚物，尤其是TOPAS)、COP(環(huán)烯聚合物，尤其是Zeonex)、PMMA、聚氨基甲酸酯、PC、PS、SAN、PMP或PET。當然，本發(fā)明也可能利用由一具有塑料涂層的玻璃組成的光學元件。當使用塑料材料時，有利的是所述壓印可發(fā)生在相對較低的溫度。當然，根據(jù)本發(fā)明的光學元件可包含標準玻璃和低/Tg玻璃的組合。根據(jù)本發(fā)明的轉移方法當然也適用于產生對其它材料(例如，半導體基板)具光學效應的結構。在此情況下，所述具光學效應的結構包含塑料。
從上文的描述將不難發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明可制造出具有任意衍射或折射結構的光學元件。另外，本發(fā)明可制造出包含衍射和折射元件的致密混合型微透鏡系統(tǒng)。圖7中說明了此一混合型微透鏡系統(tǒng)的一個實例。此外，也可以用根據(jù)圖6的裝置制造出一平凸透鏡。所述平凸光學元件的平面內的衍射結構可通過所述母版涂層內的結構來界定，并可被配置成可獲得一個完全消色差光學元件，即，所述光學元件材料的折射率的波長依賴性可通過所述光學元件的平面內的衍射結構的相應的反向波長依賴性來補償。
特定而言，根據(jù)本發(fā)明的光學元件的其它優(yōu)選應用為衍射光學元件(DOE)、計算機產生的全息圖、大規(guī)模應用的光學透鏡，例如用于數(shù)字照相機或移動電話；RGB激光顯示器；用于高能激光器、二極管激光器和二極管泵固態(tài)激光器的衍射透鏡系統(tǒng)和微透鏡系統(tǒng)；衍射光柵，尤其是閃耀衍射光柵；以及菲涅耳分區(qū)透鏡。
實施例1通過Al2O3離子束沉積(IBD)在一鋼基板上形成一厚度為2000nm的Al2O3層。將一Kaufmann源用于所述離子束沉積。用于所述離子束的工作氣體包含氬(Ar)，且濺鍍時間為106min。
通過一Vacutec 500類型系統(tǒng)中的反應離子蝕刻(RIE)而構造于所述基板上形成的Al2O3涂層。將一CF4(47sccm)氣流用作蝕刻氣體，且所述工作氣壓達到約160mTorr。在蝕刻處理之前，涂敷一鉻層，作為蝕刻掩模。
通過反應離子蝕刻在所述Al2O3涂層中產生用于模塑或熱壓印一衍射光柵的凹槽形結構。最大蝕刻深度為420nm。一具有400倍放大率的顯微鏡觀察顯示所述Cr層中沒有發(fā)生任何可見的材料移除。因此，Cr可用作用于CF4反應離子蝕刻的穩(wěn)定掩模層。所述Al2O3涂層中的結構具有一很高的邊緣陡度，且僅顯示出輕微的邊緣修圓。所述結構到例如玻璃或玻璃陶瓷的光學基板的轉移是極其卓越的。
實施例2通過DC磁控管濺射在一鋼基板上產生一厚度為100nm的鉻層(Cr)。將直徑為3英寸且純度為99.99(4N)的鉻用作目標。在濺鍍處理期間所使用的氣體包含氬5.0，且在所述涂覆處理期間的壓力達到約7.5×10-4Torr。涂覆時間達到約200s。
接著，以一照相平板印刷處理中的屏幕圖案曝露涂敷于所述Cr涂層上的光阻層。將未曝露的光阻層部分沖洗掉。在清潔室條件下在燒杯中按照濕式化學處理手動蝕刻該由此產生于基板上的Cr涂層。使用K3Fe(CN)6和NaOH蝕刻溶液。蝕刻期間的溫度為50℃。蝕刻處理之后以DI水沖洗所述涂層約60s，且隨后通過離心法以4000rpm的速度將所述基板干燥40s。
通過濕式化學蝕刻處理在Cr涂層內產生用于模塑或熱壓印一衍射光柵的類凹槽結構。最大蝕刻深度達到約90nm。一具有400倍的放大率的顯微鏡觀察顯示所述Cr層中沒有發(fā)生任何可見的材料移除。所述Cr涂層中的結構具有一很高的邊緣陡度，且僅顯示出輕微的邊緣修圓。所述結構到例如玻璃或玻璃陶瓷的光學基板的轉移是極其卓越的。
實施例3通過ZrO2離子束沉積(IBD)在一鋼基板上形成一厚度為2000nm的ZrO2層。將一Kaufmann源用于所述離子束沉積。用于所述離子束的工作氣體包含氬(Ar)，且濺鍍時間達到約138min。
通過離子束蝕刻(IBE)構造產生于所述基板上的ZrO2涂層。將一Kaufmann源用于此目的，且用于所述離子束的工作氣體包含Ar，工作壓力為3.2×10-4mbar。涂敷一厚度為100nm的鉻層作為一掩模層，并隨后通過曝露一AZ 5214E光阻(厚度1400nm)來構造此鉻層。
通過反應離子蝕刻在所述ZrO2涂層內形成用于模塑或熱壓印一衍射光柵的凹槽形結構。最大蝕刻深度達到600nm。一具有400倍的放大率的顯微鏡觀察顯示所述Cr層中沒有發(fā)生任何可見的材料移除。所述ZrO2涂層中的結構具有一很高的邊緣陡度，且僅顯示出輕微的邊緣修圓。所述結構到例如玻璃或玻璃陶瓷的光學基板的轉移是極其卓越的。
權利要求
1.一種用于制造一母版(1)的方法，所述母版是用于通過將形成于所述母版(1)上的結構模塑或熱壓印到一光學基板的一個表面上而制造具有復數(shù)個具光學效應的結構的光學元件，所述方法包含以下步驟提供一基板(2)；涂覆所述基板(2)的一個表面，以在所述基板(2)上形成一涂層(3)；和構造所述涂層(3)以在所述涂層(3)內形成結構(10)。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述構造所述涂層(3)的步驟包含離子蝕刻(IBE)、反應離子束蝕刻(RIBE)和化學輔助離子束蝕刻(CAIBE)之一。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述涂覆所述基板(2)的所述表面的步驟進一步包含以下步驟形成一掩模層(11；11，12)和在所述掩模層(11；11，12)中形成一圖案。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其中所述形成所述掩模層的步驟包含將一光阻層(11)涂敷到所述涂層(3)上的步驟。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中所述在所述掩模層(11；11，12)中形成所述圖案的步驟包含以下步驟提供一掩模層(12)，所述掩模層(12)與所述光阻層(11)接觸或安置在所述光阻層(11)附近與其緊密相鄰，和通過所述掩模層曝露所述光阻層(11)，以在所述光阻層(11)內形成結構。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述構造所述涂層(3)的步驟包含直接處理所述涂層(3)或一掩模層(11；11，12)的步驟。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中所述直接處理步驟包含通過離子或電子束將結構寫入所述涂層(3)或所述掩模層(11；11，12)中的步驟。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其中所述掩模層包含一光阻層(11)。
9.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中所述直接處理步驟包含一用于在所述涂層(3)內或所述掩模層(11；11，12)中形成結構的激光切除。
10.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述涂覆所述基板(2)的所述表面的步驟包含涂覆具有一隨著所述光學基板的材料降低所述母版(1)的可濕性的材料的基板(2)的表面。
11.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述涂層(3)的材料的熱膨脹系數(shù)與所述基板(2)的材料的熱膨脹系數(shù)匹配。
12.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述構造所述涂層(3)的步驟包含在所述涂層(3)中形成凹陷的步驟，且其中所述凹陷不延伸到所述涂層(3)的下側。
13.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述構造所述涂層(3)的步驟包含在所述涂層的至少一個部分(4b)中形成結構的步驟，且其中所述結構(10)在通過熱成形或熱壓印而模塑之后引起衍射光學結構的成形。
14.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中所述涂覆所述基板的所述表面的步驟包含形成一具有一由d≥λ/Δn所界定的厚度d的涂層(3)，其中λ對應于由所述衍射光學結構所折射的光的波長，且其中Δn對應于所述光學基板的材料的折射率與空氣折射率之差。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中在m個處理步驟中形成所述涂層(3)內的所述結構(10)，且其中所述結構以步進方式形成并包含多大2m個不同的高度水平。
16.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中所述涂層(3)內的所述結構(10)為計算機產生的全息圖。
17.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述構造所述涂層(3)的步驟包含至少在一個部分中形成結構(10)，在通過熱成形或熱壓印而模塑之后，所述結構引起所述光學基板表面上的折射光學結構的成形。
18.一種用于制造具有復數(shù)個具光學效應的結構的光學元件的母版，所述制造是通過將形成于所述母版(1)上的結構模塑或熱壓印到一光學基板的一表面上而達成，其中所述母版包含一上面形成有一涂層(3)的基板(2)，且其中結構(10)是形成于所述母版上以被模塑或熱壓印到所述光學基板的所述表面上，其特征在于所述結構是形成于所述涂層(3)內。
19.根據(jù)權利要求18所述的母版，其中所述母版是通過根據(jù)權利要求1所述的方法而制得。
20.根據(jù)權利要求18或19所述的母版，其中所述基板是至少部分地以一步進方式形成，或至少部分地包含凹陷和/或隆起。
21.一種用于制造包含復數(shù)個具光學效應的結構的光學元件的方法，其中所述方法包含以下步驟提供一母版(1)，所述母版(1)包含一基板(2)和一涂敷于所述基板(2)上的涂層(3)，其中將結構(10)是形成于所述涂層(3)內，和將所述結構(10)模塑或熱壓印到一光學基板的一表面上，以在所述表面上形成復數(shù)個具光學效應的結構。
22.根據(jù)權利要求21所述的方法，其中所述提供所述母版(1)的步驟包含根據(jù)權利要求1-18中任一權利要求所述的處理步驟。
23.根據(jù)權利要求21所述的方法，其中所述模塑或熱壓印所述結構的步驟包含所述光學基板的所述表面的熱成形或熱壓印。
24.根據(jù)權利要求21所述的方法，其中所述模塑或熱壓印所述結構(10)的步驟包含壓印一塑料或聚合物層和硬化所述塑料或聚合物層以形成一層，其中形成所述具光學效應的結構。
25.根據(jù)權利要求24所述的方法，其中提供所述塑料層作為一合成樹脂層。
26.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中所述硬化所述合成樹脂層的步驟包含所述合成樹脂層的UV輻射。
27.根據(jù)權利要求2 1所述的方法，其中所述模塑或熱壓印所述結構的步驟包含以下步驟提供一具有至少一個壁部分(25)的腔(27)，其是由一根據(jù)權利要求19-21中任一權利要求所述的母版(1)形成；和將熔融態(tài)玻璃、熔融態(tài)玻璃陶瓷前體玻璃、塑料和聚合物之一注塑成形、按壓、噴吹或按壓與噴吹到所述腔(27)中，以形成所述光學基板，其表面包含所述具光學效應的結構。
28.一種具有至少一個表面的光學元件，其中具光學效應的結構(42，43)至少部分地形成于所述光學元件上，其特征在于所述具光學效應的結構是通過根據(jù)權利要求22所述的方法而產生。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于制造一母版的方法，所述母版用于通過將形成于所述母版上的結構模塑到一光學基板的表面上而制造具有復數(shù)個具光學效應的結構的光學元件，所述方法包含以下步驟提供一基板；涂覆所述基板的一個表面以在所述基板上形成一涂層；和圖案化所述涂層以在所述涂層中形成結構。本發(fā)明也涉及一種用于制造光學元件的母版、一種用于制造光學元件的方法和一種具有至少一個表面的光學元件，其中具光學效應結構的是形成于至少部分所述表面中。
文檔編號B05D3/10GK1701955SQ20051006635
公開日2005年11月30日 申請日期2005年4月22日 優(yōu)先權日2004年4月23日
發(fā)明者埃德加·帕夫洛夫斯基, 于爾根·季克, 沃爾弗拉姆·拜爾, 貝恩德·韋爾夫因 申請人:史考特公司