專利名稱：一種微納米透鏡陣列的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微納器件制備技術(shù)和軟刻蝕技術(shù)領(lǐng)域，特指一種應(yīng)用軟刻蝕技術(shù)制備微納米透鏡陣 列的技術(shù)方法及工藝過程，其適用于采用聚二甲基硅氧垸(PDMS)、聚甲基丙烯酸酯(PMMA)等軟刻 蝕材料的表面微器件制備。
背景技術(shù)：
透鏡是一種用于調(diào)節(jié)光路系統(tǒng)的光學(xué)元件，在光的傳播中起到改變光路和聚焦的作用，是光學(xué) 系統(tǒng)不可或缺的光學(xué)元件。由于透鏡表面要求具有特定的形狀，且要求較高的表面光潔度，其制備 長期以來都是一個難題。
微納透鏡陣列是在薄膜透光材料上分布的特征尺寸為微米尺度或納米尺度透鏡陣列，由于其特 殊的光學(xué)效應(yīng)，目前在學(xué)術(shù)界和工程應(yīng)用上得到廣泛的重視。由于工程上具有較廣闊的應(yīng)用前景， 目前在學(xué)術(shù)界和工程界出現(xiàn)了較多的制備微透鏡陣列的方法。
微透鏡陣列制備技術(shù)的蓬勃發(fā)展是近二十年來的事情。1988年P(guān)oporic對熱熔法做了研究，提 出熱熔法的思想和實(shí)施過程，并成功采用熱熔法制備出微透鏡陣列。由于熱熔法是產(chǎn)生微球冠陣列 結(jié)構(gòu)的有效方法，因此，后來的研究人員采用離子束刻蝕制備微透鏡陣列都是基于熱熔法產(chǎn)生的微 結(jié)構(gòu)的。1998年，Biehl采用按需滴定法制備了微透鏡，控制成型高聚物的體積能夠?qū)ν哥R的形態(tài) 進(jìn)行良好的控制，這種方法對單個微透鏡制備十分有效。2000年Hartmann.等人采用疏水控制法制 備了微透鏡陣列表面，由于采用勻膠的方法，制備效率比按需滴定法提高許多，而且采用疏水控制 法能夠控制好成型材料鋪展的邊界。最近，Chang等人通過氣體壓強(qiáng)輔助成型法在薄膜上制備出了 微透鏡陣列結(jié)構(gòu)。相比較前幾種方法而言，這種方法制備得到的微透鏡陣列與基底是一體的，光學(xué) 性質(zhì)較好。
工藝過程復(fù)雜一直都是微透鏡陣列制備技術(shù)的一大問題。對熱熔法而言，首先需要對鋪展在表 面上的薄膜材料進(jìn)行良好的分割并采用化學(xué)去除法去除不需要的部分，再通過加熱的方式使成型材 料熔融變形，最后冷卻固化；而按需滴定制備大面積微透鏡陣列不是很現(xiàn)實(shí)，因?yàn)槊總€透鏡都需要 進(jìn)行滴定，時間消耗大；疏水控制法的局部區(qū)域疏水處理過程繁瑣；壓強(qiáng)輔助薄膜成型法需要的設(shè) 備和控制的難度都相對較大。
另外，透鏡陣列與基底之間相互有干涉。除壓強(qiáng)輔助薄膜成型法以外，采用其他方法制備的透 鏡陣列與基底都不是一體的，這其中的界面對光傳輸有一定的影響。因此，在熱熔法的基礎(chǔ)上，部 分研究人員采用離子束刻蝕法來制備微透鏡陣列。
總之，傳統(tǒng)的微透鏡陣列制備技術(shù)難以適應(yīng)目前的要求，原因主要有以下幾點(diǎn)制備工藝復(fù)雜，制備成本高。以上提到的幾種主流技術(shù)在成型之外還需要額外的準(zhǔn)備工作，或 者是設(shè)備精度和控制難度高。
透鏡陣列與基底之間存在一個界面，影響了透鏡的效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種通過氣壓控制軟刻蝕成型方法制備出微納透鏡陣列的技術(shù)及工藝，實(shí) 現(xiàn)透鏡陣列的經(jīng)濟(jì)和較高精度的制備。 本發(fā)明按下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)-
一種微納米透鏡陣列的制備方法，是首先在模板上通過常規(guī)方法制備出微納孔陣列；然后對 制備出的模板進(jìn)行硅烷化處理；接著滴加成型材料PDMS于模板表面，之后將涂有PDMS的模板 置于真空干燥箱中，使PDMS液體成型；固化PDMS;最后分離模板和PDMS，得到的PDMS薄
膜即帶有微透鏡陣列。
上述方法中，微納孔陣列的制備采用常規(guī)方法即可，如電子束刻蝕法。制備的微納孔陣列直徑 從50nm到lmm不等，孔深大于孔徑，孔形狀及圓度誤差決定了最終透鏡的形狀和質(zhì)量，需進(jìn)行 選擇和嚴(yán)格控制，而對孔內(nèi)壁不作要求。
上述方法中，對模板硅垸化處理的過程是將模板置于一玻璃皿中，在玻璃皿中滴加少量甲硅 烷U 3nL)，之后將玻璃皿置于真空千燥箱中，抽真空至1000Pa以下并加熱至80~90°C，保溫 60~70min,保持真空度使系統(tǒng)自然冷卻，到達(dá)常溫時取出模板。對模板進(jìn)行硅垸化處理，是使成型 材料液體在模板材料上的界面變大，鋪展受限，液體不易進(jìn)入孔底。
上述方法中，所用的成型材料PDMS的兩種組分硅樹脂和固化劑按質(zhì)量比10: l的比例混合， 攪拌均勻。對混合后的成型材料液體須進(jìn)行除氣處理，除氣過程是將混合后的材料置于真空干燥 箱中，千燥箱抽真空至內(nèi)部壓強(qiáng)低于100Pa，靜置10分鐘。
上述方法中，成型過程采用調(diào)節(jié)真空干燥箱內(nèi)的壓強(qiáng)進(jìn)行成型。
上述方法中，成型參數(shù)調(diào)節(jié)如下調(diào)節(jié)壓強(qiáng)至目標(biāo)值，該目標(biāo)值在l00Pa和1x105 Pa之間，
決定于所需制備的微透鏡的球面半徑且滿足關(guān)系戶e-戶二2^,其中A為大氣壓強(qiáng)，戶為壓強(qiáng)的
目標(biāo)值，O"為成型材料表面張力，r為所需透鏡的球面半徑；調(diào)節(jié)溫度至90°C使成型材料固化。 本發(fā)明具有如下技術(shù)優(yōu)勢
微透鏡質(zhì)量與模板內(nèi)壁質(zhì)量之間沒有聯(lián)系，降低了對模板制備的要求。對于微納制造而言，孔 內(nèi)壁的質(zhì)量一直都是一個很難保證的參數(shù)，提高孔內(nèi)壁的質(zhì)量或者采用復(fù)雜的孔結(jié)構(gòu)將加大模板制 備的成本開銷，尤其，對納米尺度微結(jié)構(gòu)，對孔的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的要求根本就不現(xiàn)實(shí)。采用本發(fā)明的 方法解決了透鏡質(zhì)量與微孔制備的矛盾。
4透鏡的球面半徑(透鏡焦距)易于控制。由于球面半徑和壓強(qiáng)差之間具有確定的關(guān)系，透鏡的 焦距可以通過改變壓強(qiáng)差即控制烘箱內(nèi)的真空度來調(diào)節(jié)，這在真空干燥箱上很容易實(shí)現(xiàn)。所以，透 鏡焦距易于控制。
模板使用范圍寬。通過控制烘箱的真空度，同一個模板可以制備出不同焦距的微透鏡陣列，擴(kuò) 展了模板的使用范圍。
制備范圍廣。傳統(tǒng)的微透鏡陣列制備技術(shù)由于成型材料的體積控制難度大，所以基本只限于微 米級別的透鏡制備。本發(fā)明提出的方法通過模板的分布對透鏡位置和大小進(jìn)行控制，可以制備出納 米級別的微透鏡陣列。
制備工藝簡單，設(shè)備要求較低。對微米或亞微米孔陣列的加工方法已經(jīng)開始商品化，本發(fā)明中 用到的模板制備簡單，模板制備后只需對壓強(qiáng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，工藝簡單，設(shè)備要求也低。


圖1微透鏡陣列制備過程示意圖
圖2微透鏡陣列成型原理圖
圖3 300nm微透鏡陣列及其模板的AFM圖 1PDMS， 2微孔陣列模板，3空氣。4、微透鏡陣列表面
實(shí)施方式
下面結(jié)合圖1說明本發(fā)明提出的具體工藝的實(shí)施細(xì)節(jié)和工作情況。 實(shí)施例1:
準(zhǔn)備模板材料，釆用電子束刻蝕方法加工出直徑為300nm的深孔；對制備好的微孔陣列模板1 進(jìn)行清洗后，將模板1置于一玻璃皿中，在玻璃皿中滴加1 3pL甲硅烷，之后將玻璃皿置于真空 干燥箱中，抽真空至1000Pa以下并加熱至80~90°C，保溫60 70min，保持真空度使系統(tǒng)自然冷卻， 到達(dá)常溫時取出模板。經(jīng)硅烷化處理，降低模板表面的表面能，使液體不易流延到微孔底部；再按 質(zhì)量比10: 1的比例配置好PDMS復(fù)型材料，將混合后的PDMS復(fù)型材料置于真空干燥箱中，干 燥箱抽真空至內(nèi)部壓強(qiáng)低于100Pa，靜置10分鐘進(jìn)行除氣。然后將處理好的液體PDMS l傾倒在 模板2上；將鋪有PDMS的模板放置于真空干燥箱中，加熱和調(diào)節(jié)壓強(qiáng)使PDMS固化成型；對于 300nm直徑的孔陣列，本實(shí)施例中釆用抽真空至真空箱內(nèi)壓強(qiáng)為100Pa以下，產(chǎn)生凹形氣液界面， 再固化成型，分離模板2和PDMS1制品。通過這樣的制備過程即可得到一個帶有凹面球體陣列的 微結(jié)構(gòu)表面4。對膜厚度進(jìn)行良好的控制可以直接制備得到凹透鏡陣列，采用復(fù)制的方法還可以制 備出凸透鏡陣列。圖2是微透鏡陣列成型原理圖。在液態(tài)的PDMS 1鋪展到微孔陣列模板2上的瞬間，空氣3和 PDMS 1構(gòu)成如圖2a的體系，平衡后PDMS 1在重力和固液界面張力的作用下與空氣3又重新構(gòu)成 圖2b所示的界面。為制備出透鏡，這個界面需要移動到模板的表觀表面上，這個過程可通過兩種 方法實(shí)現(xiàn)加熱空氣3;對系統(tǒng)抽真空，使微孔內(nèi)的空氣膨脹。液態(tài)的PDMS1成型后的形貌如圖 2c所示。
圖3是在直徑為300nm的微孔陣列模板上制備的微透鏡陣列和模板的AFM圖。A、 C分別為 模板表面的微孔分布及剖面圖，B、 D為微透鏡陣列表面的微孔分布及剖面圖。從圖中可以看到， 透鏡與模板間不是復(fù)制關(guān)系，模板盡管不是嚴(yán)格的柱形孔陣列結(jié)構(gòu)或者球狀結(jié)構(gòu)，成型后的微透鏡 陣列的形狀參數(shù)仍然比較好。
實(shí)施例2:
實(shí)施過程與實(shí)施例1其本相同，不同之處是，采用電子束刻蝕方法在硅片上加工得到50nm的 孔陣列；接著進(jìn)行硅烷化處理并鋪展PDMS液體在模板表面；將模板連同PDMS送入到真空干燥
箱中，抽真空至100Pa以下。根據(jù)尸。-戶=2^,此時得到的凹形球面曲率半徑為400nm,凹腔
深度為lnm。 實(shí)施例3
實(shí)施過程與實(shí)施例1其本相同，不同之處是，釆用常規(guī)的方法在硅片上加工lmm的孔陣列， 進(jìn)行硅烷化處理；將PDMS傾倒在模板表面；將帶有PDMS液體的模板送入真空干燥箱中，抽真 空至9.995 Xl(fPa和1Xl()5pa之間，固化成型即可得到lmm的透鏡。
其他不同尺度的微透鏡陣列可以按照以上方法通過控制烘箱的真空度和采用所需直徑的微孔 陣列模板進(jìn)行制備。
權(quán)利要求
1、一種微納米透鏡陣列的制備方法，其特征在于，首先在模板上通過常規(guī)方法制備出微納孔陣列，對制備出的模板進(jìn)行硅烷化處理；接著滴加成型材料PDMS于模板表面，之后將涂有PDMS的模板置于真空干燥箱中，抽真空使PDMS成型為凹形界面；穩(wěn)定后固化PDMS；最后分離模板和PDMS，得到的PDMS薄膜即帶有微透鏡陣列。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微納米透鏡陣列的制備方法，其特征在于，是采用電子束刻蝕法制 備微納孔陣列。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微納米透鏡陣列的制備方法，其特征在于，所述的微納孔陣列直徑 為50nm到lmm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微納米透鏡陣列的制備方法，其特征在于，其中所說的成型為凹形 界面的過程是通過調(diào)節(jié)真空干燥箱內(nèi)的壓強(qiáng)得到。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微納米透鏡陣列的制備方法，其特征在于，其中所說的成型參數(shù)調(diào) 節(jié)如下調(diào)節(jié)壓強(qiáng)至目標(biāo)值，該目標(biāo)值在100Pa到1Xl()5pa之間，決定于所需制備的微透鏡的球面半徑且滿足關(guān)系尸。-尸=2(^，其中尸。為大氣壓強(qiáng)，尸為壓強(qiáng)的目標(biāo)值，O"為成型材料表面張力，r為所需透鏡的球面半徑；調(diào)節(jié)溫度至90'C使成型材料固化。
全文摘要
本發(fā)明涉及微納器件制備技術(shù)和軟刻蝕技術(shù)領(lǐng)域，特指一種應(yīng)用軟刻蝕技術(shù)制備微納米透鏡陣列的技術(shù)方法及工藝過程，具體的制備方法是首先在模板上通過常規(guī)方法制備出微納孔陣列；然后對制備出的模板進(jìn)行硅烷化處理；接著滴加成型材料PDMS于模板表面，之后將涂有PDMS的模板置于真空干燥箱中，使PDMS液體成型；固化PDMS；最后分離模板和PDMS，得到的PDMS薄膜即帶有微透鏡陣列。本發(fā)明方法解決了透鏡質(zhì)量與微孔制備的矛盾，透鏡焦距易于控制，制備工藝簡單，設(shè)備要求較低。
文檔編號B81C1/00GK101481079SQ20091002471
公開日2009年7月15日 申請日期2009年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月11日
發(fā)明者霞 葉, 明 周, 健 李, 李保家, 蘭 蔡 申請人:江蘇大學(xué)