[发明专利]微透镜阵列模具的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域和微光学领域，尤其涉及一种微透镜阵列模具的制作方法。

背景技术

微透镜（Microlens）与微透镜阵列（Microlens array）是最为重要的微光学器件，微透镜直径的范围从10μm到1mm，由这些微透镜在基板上按一定形状排列而成的阵列称为微透镜阵列。与传统透镜一样，微透镜及微透镜阵列的基本功能也是聚焦与成像等，主要用于光准直、光耦合、光互联等光纤通讯领域，并广泛应用于通信、显示和成像器件。微透镜及微透镜阵列所具有的单元尺寸小、集成度高等优点使其在制作微光机电系统中体现出无与伦比的优越性。

微透镜及微透镜阵列可由玻璃、聚合物、硅或半导体等材料制成。一般情况下，聚合物光学器件与玻璃及半导体光学器件相比具有更大的设计自由度，而且机械性质和热学性质良好，此外，聚合物质量较轻、输运快捷方便。因此，聚合物微透镜及微透镜阵列是近年来发展的热点问题。聚合物微透镜及微透镜阵列一般需通过模具来进行批量制作，因此微透镜模具是微透镜制作的基础。现有的微透镜模具的主要制作方法有灰度掩模技术、曲率倒易法及干法刻蚀等。灰度掩模技术是利用根据光透过率渐近取值设计制造的灰度掩模通过光刻一次成形，再经离子束刻蚀后形成凹形硅模具。凹面轮廓的平滑度取决于掩模板相邻灰度值的差异程度和分布区域的大小。通常情况下，相邻灰度取值差异和分布区域越小，与其对应的轮廓曲线越完整和光滑。因此，透镜表面质量取决于灰度掩模板的质量，且不可能完全光滑。曲率倒易法是先采用光刻法制作凸微透镜阵列，以此为基底涂覆光刻胶并使其淹没凸起的微透镜阵列，接着进行氩离子束30°入射角刻蚀，此条件下硅的刻蚀速率约为光刻胶的两倍，刻蚀完成后，可在硅基底上形成凹面形状。该方法的缺陷在于步骤多、反应参数控制难度较大、实验设备条件要求高且形成的凹面形状不规则。干法刻蚀是利用SF₆/C₄F₈混合气体直接在硅基板上制作凹面形状，通过调整气体浓度比、蚀刻气体流量、蚀刻时间及工作电压等参数改变凹面的曲率半径。该方法对于设备及工作环境的要求高，且制作出的凹面易形成底切现象。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，简化传统微透镜模具及微透镜批量化生产工艺，提供一种微透镜阵列的制作方法，该方法具有工艺简单、可控性好、精度高及成本低等优点，是一种实现微透镜阵列大规模生产的重要途径。

为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：

一种微透镜阵列模具的制作方法，包括如下步骤：

步骤一：采用UV-LIGA工艺制成表面具有柱状微细孔阵列结构的金属镍模具；

一．SU8胶微细柱阵列的制作：首先在硅基板上涂布SU8胶，然后利用光刻技术制作SU8胶微细柱阵列；

二．SU8胶微细柱的表面金属化处理：在SU8胶微细柱表面及硅基板上表面进行金属化处理，制作一层电铸种子层；

三、利用微电铸工艺在电铸种子层表面电铸镍材料，形成金属镍模具；

四、SU8胶微细柱的脱除：先将硅基板从镍模具上剥离，然后通过SU8胶专用去胶剂去除SU8胶微细柱，从而在镍模具上形成柱状微细孔阵列，最终制成所述的具有柱状微细孔阵列的镍模具；

步骤二：在真空环境下将UV固化胶涂覆于镍模具的柱状微细孔阵列之内；

步骤三：旋转步骤三所得产品，使一部分UV固化胶均匀地旋转出微细孔之外，形成稳定的凹面形状，之后利用紫外光源固化UV固化胶，即可获取所述的微透镜阵列模具。

所述步骤一中的第一点，在涂布SU8胶之前，硅基板先经过RCA清洗法进行清洗及烘烤。

所述步骤一中的第一点，在硅基板上涂布SU8胶采用两段式旋转涂布，即将硅基板放在旋胶机的承片架上，滴上适量的SU8胶，先以低速旋转的方式，使SU8胶慢慢旋开至硅基板的边缘，再以高速旋转控制SU8胶的厚度。

所述步骤一中的第一点，利用光刻技术制作SU8胶微细柱阵列具体步骤为：

（a）前烘；

对涂布在硅基板上的SU8胶进行前烘，采用两段式前烘工艺，第一阶段采用65~70℃烘烤10~15分钟，第二阶段采用100~110℃烘烤15~20分钟，冷却后进行后续曝光步骤；

（b）曝光；

使用波长为350~400nm的近紫外光的曝光机进行曝光，进行掩模板的图像转移，参照SU8胶的曝光参数，设定曝光强度为520mJ，曝光时间为120秒；

（c）曝光后烘烤；