[发明专利]一种应用压印技术制作硅酮微纳光学结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及压印工艺和光学技术领域，具体涉及应用压印技术制作硅酮微纳光学结构的方法。

背景技术

光波导是集成光学的重要基础性部件。光波导器件按其组成材料可分为四种基本类型：铌酸锂镀钛光波导、硅基二氧化硅光波导、InGaAsP/InP光波导和聚合物光波导。其中，聚合物材料光波导以其耦合损耗低、光学性能好、体积小等优点已经成为人们关注和研究的热点,寻找低成本的聚合物光波导制备方法自然也成为人们一直关心的课题。

传统的光波导器件做在无机材料上，例如铌酸锂和硅基半导体材料上，但无机材料本身存在缺陷、损耗大，很难实现高质量的波导器件。因此，近些年来人们开始研究聚合物光波导器件，研究较多的有聚甲基丙烯酸甲酯，聚苯乙烯等，但这些材料玻璃化温度低、热稳定性和耐候性较差，所以为了满足未来光子集成芯片的需要，选择玻璃化温度高，热稳定性、可靠性强的聚合物材料就显得较为重要，在光电子领域中应用较广的硅酮材料或者改性的新型丙烯酸脂聚合物材料就是一种很有优势的高分子材料。

光波导、二元光学元件的制备方法是基于传统的半导体制备工艺，主要包括匀胶、光刻、刻蚀，沉积等工艺步骤。这种方法涉及到的工序较多，尤其在刻蚀阶段，需要反复置换掩膜层来实现下层的刻蚀，同时有些光刻工艺设备比较昂贵，更为遗憾的是受紫外曝光波长的限制，器件的尺寸很难做到很小，而且设备产量低，加工成本高，高能的辐射还会破坏掩膜和透镜中的许多材料，所以利用传统的半导体工艺制备高分辨率、高产量、低成本的微纳米器件不言而喻成了技术上难以逾越的鸿沟。自从1995年由Stephen Y.Chou提出热压印技术并在美国申请专利后，参见美国公告专利第5,772,905号，制备高精度的微纳米图形技术又发生了巨大的变革，这项技术克服了光学曝光中由于衍射现象引起的分辨率极限等问题，显示出了自身在超高精度工业化产品生产方面的优势，很快受到业界的赞赏。这项技术主要是通过电子束直写等装置制备一个高分辨率的母版，然后利用压印的方法复制出可以多次重复使用的压模，再用这个模板去压印刻蚀得到需要的纳米图案，但这个过程需要施加压力使得印章与压印胶接触，加热固化后再脱模，需要的压力较大。后来为了简化工艺，提高器件的生产率，研究人员又发明了紫外压印技术，利用紫外光照射实现压印胶层的固化。相比热压，紫外压印也在一些方面显示出了自身的优势，可实现快速高效的图形复制。然而，对于不同的压印胶，以及器件的功能来讲，还需要选择合适的压印工艺才能实现低成本、高效率的器件制造。 

发明内容

为了进一步提高聚合物微纳光学结构的热稳定性、耐候性和可靠性，实现高品质光学器件，本发明提供了一种应用压印技术制作硅酮微纳光学结构的方法。本发明采用了热稳定性能好、光学透过率高、环境抵抗能力强的硅酮作为制备材料，同时提供了一种操作简单、成本低、可大规模重复性生产高效压印方法。

本发明的一种应用压印技术制作硅酮微纳光学结构的方法，包括如下步骤：

步骤一，按照器件掩膜板的图形，制作压印用模板或者印章；

步骤二，在基底上覆盖待压印的硅酮聚合物材料作为压印胶，然后将压印用模板或者印章中的浮雕图形通过压印工艺转移到压印胶上，压印出微纳光学结构，固化后释放模板或印章；

步骤三，根据器件设计结构，在压印得到的硅酮聚合物微纳光学结构上覆盖硅酮聚合物束缚层。

所述微纳光学结构包括光波导、二元光学元件或光学微透镜。

所述压印工艺包括热压印或紫外压印；所述硅酮聚合物为光学级硅酮聚合物，包括热塑性硅酮聚合物或热固型硅酮聚合物。

优选的，热固性硅酮聚合物包括光学级硅橡胶、光学级硅树脂、光学级凝胶中的一种以上。

优选的，光学级硅橡胶采用道康宁公司的OE-6550、OE-6336或OE-6520产品；光学级硅树脂采用道康宁公司的OE-6630、OE-6665或OE-6635产品，光学级凝胶采用美国联合化学的Co-7550、Co-6100或Co-5200产品。

优选的，热压印工艺中先对模板进行40到80℃的预加热，时间为20到40分钟，然后将覆盖有压印胶的待压基片倒置放在模板上方，再将覆盖有待压基片的模板抽放在真空室中，抽真空，加热加压固化成型。

优选的，在抽真空前，印章与压印胶之间放置夹片来排除模具凹槽中的空气。