CN110426761A - 带有金属光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有金属光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列及其制备方法。本发明公开制备方法包括步骤：S101、采用光刻法利用第一光刻掩膜版在硅片基底表面形成第一光刻胶掩膜；S102、在硅片基底上刻蚀出硅片微孔阵列；S103、将所述硅片微孔阵列上铺设环烯烃共聚物层后，进行热压处理，得到第一环烯烃共聚物阵列；S104、采用反相光刻法利用第二光刻掩膜版在所述环烯烃共聚物阵列上形成第二光刻胶掩膜得到第二环烯烃共聚物阵列；S105、在所述第二环烯烃共聚物阵列的结构面蒸镀一层金属，得到第三环烯烃共聚物阵列；S106、将所述第三环烯烃共聚物阵列放入丙酮液中，得到带有金属光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列。

Description

带有金属光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列及其制备方法

技术领域

本发明涉及微机械加工技术领域，尤其涉及一种带有金属光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列及其制备方法。

背景技术

微透镜阵列是通光孔径及矢高深度为微米级的透镜组成的阵列，具有传统透镜聚焦、成像等基本成像功能，亦能够用于波前传感、光束整形等调制功能，被广泛应用于光通信和光电子等领域。微透镜阵列按照基质主要分为石英玻璃材质以及聚合物材质。玻璃材质的微透镜阵列成本高，加工工艺复杂，难与系统集成。TOPAS公司生产的COC(环烯烃共聚物)作为传统材料的改进性材料，具有与PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸树脂)相匹敌的光学性能以及高于PC(聚碳酸酯)的耐热性，且相较PMMA和PC更加优良的尺寸稳定性，易于切割集成等优点，被视为玻璃材料的最佳替代材料。

目前，用于聚合物微透镜阵列的制造方法主要有：光刻胶回流法、激光直写法、微喷打印法和热压成型法等。其中热压成型法采用聚合物复制技术，形貌相对可控，加工效率高，更适合大批量生产。热压成型法是一种直接将模具图形转移到聚合物衬底材料上的方法。所用模具一般为金属材质，通过超精密切削和电铸等微加工工艺制得，制作周期长，加工成本高。另外，透镜的材料和形貌直接决定着透镜的功能，采用金属模具热压后脱模的粘附问题会严重影响透镜的形貌，从而影响其光学性能。如果粘附问题严重的话还会损毁模具，这严重影响了微透镜阵列的制作效率，并使制作成本大大升高。

目前，多数微透镜阵列制作工艺均不能达到100％的占空比，经不具功能结构区域透射的光束，会影响整个系统的光对比度，尤其在光谱分析系统中。为了提高信噪比，通常会配套透镜阵列制作信号隔离通道，导致加工成本、系统体积倍增。

CN1141603C公开了一种微透镜阵列型光漫透射器及其制备方法。由均匀排列的石英微透镜阵列构成，衬底上均匀分布的微孔内安装微透镜，前、后荫罩上均匀分布与微透镜相对应的略小孔径的微孔，微透镜位于前后荫罩之间的衬底微孔中央。前、后荫罩分别作为透镜的孔径光阑和视场光阑。前荫罩的迎光面采用真空蒸镀工艺镀上铝发射膜，并加镀SiOx保护膜，后荫罩的表面进行电镀染黑处理，可通过更换具有不同通光孔径的前荫罩来改变透射光亮度。但是，采用石英材质的漫反射器虽然有良好的机械性能，但每个透镜单元结构都需要单独安装，无法够实现大批量生产。

CN104834030B公开了一种仿生复眼成像系统的光阑阵列加工方法，根据平面微透镜阵列单元的大小，确定平面微孔光阑阵列中光阑单元的尺寸，并根据需要确定阵列边缘倾斜角度，最终形成凸型微四棱锥阵列；将得到的四棱锥阵列进行电铸，翻印得到电铸材料的平面微孔光阑阵列结构。可实现光阑阵列和透镜阵列的自动对正，且有效解决了透镜阵列和光阑阵列装调困难的问题。但是，配套光阑阵列的需要单独加工，延长了系统的制作周期和成本，增大了整个微透镜的尺寸，不便于与系统集成。

发明内容

为了解决现有模具热压成型法存在的制作周期长、加工成本高、效率低、光学微透镜的尺寸精度及形貌不易保证问题，同时解决配套光阑加工集成复杂的问题，本发明提供一种带有金属光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列及其制备方法。

在第一方面，本发明提供了一种带有金属光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列，包括步骤：

S101、采用光刻法利用第一光刻掩膜版在硅片基底表面形成带有微透镜阵列图形的第一光刻胶掩膜；

S102、采用刻蚀法刻蚀所述第一光刻胶掩膜，在硅片基底上刻蚀出硅片微孔阵列；

S103、将所述硅片微孔阵列上铺设环烯烃共聚物层后，进行热压处理，冷却，将硅片微孔阵列和环烯烃共聚物层分离，得第一环烯烃共聚物阵列；

S104、利用第二光刻掩膜版在所述第一环烯烃共聚物阵列结构上形成第二光刻胶掩膜得到第二环烯烃共聚物阵列，所述第二光刻掩膜版和所述第一光刻掩膜版互为反相掩膜版；

S105、采用蒸发镀膜工艺，在所述第二环烯烃共聚物阵列的结构面蒸镀一层金属，得到第三环烯烃共聚物阵列；

S106、将所述第三环烯烃共聚物阵列放入丙酮液中，溶解去除第二光刻胶掩膜，得到带有金属光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列。

在一些实施例中，在步骤S102中，所述硅片微孔阵列的直径与步骤S101中的微透镜阵列图形的直径相同。

在一些实施例中，步骤S102还包括：将硅片微孔阵列做表面钝化处理。

在一些实施例中，步骤S103包括：取环烯烃共聚物和由步骤S103得到的硅片微孔阵列放入热压机，将环烯烃共聚物和所述硅片微孔阵列的外环放置一个厚度与环烯烃共聚物和所述硅片微孔阵列的总厚度相等的同心金属限位环，调节到适宜的温度和压强，在压力、重力和表面张力的共同作用下，环烯烃共聚物冷却重塑后会得到第一环烯烃共聚物阵列。

在一些实施例中，在步骤S105中，所述金属为铬或铝。

在一些实施例中，在步骤S103中，热压处理的温度为135℃-145℃。

在一些实施例中，步骤S104包括：采用套刻法利用第二光刻掩膜版在所述第一环烯烃共聚物阵列结构上形成第二光刻胶掩膜得到第二环烯烃共聚物阵列。

在第二方面，本发明还提供了一种带有金属光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列，包括环烯烃共聚物凸起阵列和金属覆盖层，所述环烯烃共聚物凸起阵列和所述金属覆盖层交替排布，所述环烯烃共聚物凸起阵列作为微透镜阵列，所述金属覆盖层作为光阑。

在一些实施例中，所述金属覆盖层选自铬粉或铝条。

在一些实施例中，所述环烯烃共聚物凸起阵列的高度为25μm-40μm；所述金属覆盖层的厚度为百纳米量级。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用热压工艺制作微透镜阵列，无需曲面加工工艺，操作简单，加工时间短，效率高，误差小，更加适合大面积微透镜阵列的批量化制备。

2、本发明采用环烯烃共聚物在熔融状态下受压力重力和表面张力的作用，形成微透镜阵列节省了制作模具的成本和时间。

3、本发明采用光刻和刻蚀的方法，在硅基片上制作微孔阵列，具有良好的阵列均匀性和重复性。

4、本发明采用反相光刻对准的方法，结合剥离工艺在环烯烃共聚物表面直接形成金属光阑，没有增加系统的体积，同时节约成本，可以便捷地置入光探测器系统中。

附图说明

图1为根据本发明一实施例的制备带有金属光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列的流程示意图；

图2为根据本发明一实施例的第一光刻掩膜版的俯视图；

图3为根据本发明一实施例的第一光刻掩膜版的截面图；

图4为根据本发明一实施例的第二光刻掩膜版的俯视图；

图5为根据本发明一实施例的第二光刻掩膜版的截面图；

图6为根据本发明一实施例的S101步骤后得到的产品的截面图；

图7为根据本发明一实施例的硅片微孔阵列和环烯烃共聚物的截面图；

图8为根据本发明一实施例的第一环烯烃共聚物阵列的热压过程示意图；

图9为根据本发明一实施例的第二环烯烃共聚物阵列的截面图；

图10为根据本发明一实施例的第三环烯烃共聚物阵列的截面图；

图11为根据本发明一实施例的第三环烯烃共聚物阵列放入丙酮液中的示意图；

图12为根据本发明一实施例的带有金属光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列的截面图；

图13为根据本发明一实施例的带有金属光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列的结构示意图。

附图标记：

1、第一光刻掩膜板，2、第一光刻胶掩膜，3、硅片基底，4、硅片微孔阵列；5、环烯烃共聚物，6、限位环，7、第二光刻掩膜版，8、第二光刻胶掩膜；9、第一环烯烃共聚物阵列；10、第二环烯烃共聚物阵列；11、第三环烯烃共聚物阵列；12、金属，13、丙酮液；100、带有金属光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明提供一种带有金属光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列及其制备方法。

在第一方面，本发明提供了一种带有金属光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列，包括步骤：

S101、采用光刻法利用第一光刻掩膜版在硅片基底表面形成带有微透镜阵列图形的第一光刻胶掩膜；

S102、采用刻蚀法刻蚀所述第一光刻胶掩膜，在硅片基底上刻蚀出硅片微孔阵列；

S103、将所述硅片微孔阵列上铺设环烯烃共聚物层后，进行热压处理，冷却，将硅片微孔阵列和环烯烃共聚物层分离，倒置环烯烃共聚物层，得第一环烯烃共聚物阵列；

S104、采用反相光刻法利用第二光刻掩膜版在所述环烯烃共聚物阵列上形成第二光刻胶掩膜得到第二环烯烃共聚物阵列，所述第二光刻掩膜版和所述第一光刻掩膜版互为反相掩膜版；

S105、在所述第二环烯烃共聚物阵列的结构面蒸镀一层金属，得到第三环烯烃共聚物阵列；

S106、将所述第三环烯烃共聚物阵列放入丙酮液中，溶解去除第二光刻胶掩膜，得带有金属光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列。

在本发明中，步骤S101中选择光刻法海油具有精确可控、效率高和可以批量生产等优点。

在本发明中，步骤S102中的刻蚀法包括干法刻蚀和湿法刻蚀。其中，干法刻蚀在MEMS工艺中应用要求高，但是刻蚀综合效果最好。

镀膜工艺主要包括PVD(物理气相沉积)和CVD(化学气相沉积)。其中PVD主要有真空蒸发、真空溅射、真空离子镀膜。根据镀膜材料和镀膜要求不同，选择不同的工艺。真空蒸发镀膜操作简单，又可以满足实验需求。真空溅射镀膜也可以达到要求，但是过程相对较复杂。在步骤S105中，可以采用蒸发镀膜方法在所述第二环烯烃共聚物阵列的结构面蒸镀一层金属。优选地，这里的结构面指的是图12的上表面，带有凸起的微透镜阵列图形。为了区分上下两个面，将上表面称作结构面。实际上，光阑的作用为限制入射光孔径大小，根据光路可逆，在S104步骤中也可以把光刻胶图形做在下表面上，但是这样会相对增加套刻中对准过程的难度。

在一些具体的实施例中，在步骤S102中，所述硅片微孔阵列的直径与步骤S101中的微透镜阵列图形的直径相同。这里的直径指的是第一光刻胶掩膜的在硅片上留下的硅孔阵列直径。

在一些具体的实施例中，所述硅片基底可以选自本领域技术人员常用的4寸标准硅片，一般为圆形单/双面抛光，厚度在380μm-500μm，根据需要选择。

在一些具体的实施例中，步骤S102还包括：将硅片微孔阵列做表面钝化处理。

在一些具体的实施例中，步骤S103包括：取环烯烃共聚物和由步骤S103得到的硅片微孔阵列放入热压机，将环烯烃共聚物和所述硅片微孔阵列外环放置一个厚度与环烯烃共聚物和所述硅片微孔阵列的总厚度相等的同心金属限位环，调节到合适的温度和压强，在压力、重力和表面张力的共同作用下，环烯烃共聚物冷却重塑后会得到第一环烯烃共聚物阵列。

在一些具体的实施例中，在步骤S105中，所述金属为铬粉或铝条。

在一些具体的实施例中，在步骤S103中，热压处理的温度为135℃-145℃，压强范围25KPa-50kPa。

在一些具体的实施例中，进一步优选地，步骤S106包括：将S105得到的第三环烯烃共聚物阵列放入丙酮液中使用40％功率超声4min。

在第二方面，本发明还提供了一种带有金属光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列，包括环烯烃共聚物凸起阵列和金属覆盖层，所述环烯烃共聚物凸起阵列和所述金属覆盖层交替排布，所述环烯烃共聚物凸起阵列作为微透镜阵列，所述金属覆盖层作为光阑。

在一些实施例中，所述金属覆盖层选自铬粉或铝条。

在一些实施例中，所述环烯烃共聚物凸起阵列的高度为25μm-40μm；所述金属覆盖层的厚度为百纳米量级。

实施例1

本发明所提供的制备带有金属光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列的方法可具体包括以下步骤：

(1)在硅片基底表面旋涂正性光刻胶，使用第一光刻掩膜版曝光和显影，在硅片基底的表面形成图形化的第一光刻胶掩膜，第一光刻胶掩膜上的图形为光刻胶微透镜阵列图形。

(2)通过干法刻蚀带有第一光刻胶掩膜的硅片基底，在带有第一光刻胶掩膜的硅片基底上形成直径与光刻胶微透镜阵列图形直径相同的硅片微孔阵列，并对硅片微孔阵列表面做钝化处理。

(3)取环烯烃共聚物和钝化后的硅片微孔阵列放入热压机，环烯烃共聚物和硅片微孔阵列的外周围放置一个等厚度的限位环，加热到环烯烃共聚物的玻璃化温度133℃以上，同时施加50kPa的压强，保持15min，之后冷却至室温。在压力、重力和表面张力的共同作用下，环烯烃共聚物冷却重塑后会得到微透镜阵列。

(4)在环烯烃共聚物基底旋涂第二光刻胶，采用第二光刻掩膜版的空白部分与环烯烃共聚物基底上微透镜阵列有着相同的直径通过预留的对准标记对准曝光。

(5)显影，在环烯烃共聚物基底上的微透镜阵列凸起阵列面得到第二光刻胶掩膜。

(6)采用蒸发镀膜工艺，在环烯烃共聚物基底蒸镀一层金属铬。

(7)将镀有金属铬的环烯烃共聚物放入丙酮液中使用40％功率超声4min，第二光刻胶掩膜在逐渐在丙酮液中溶解，微透镜光刻胶掩膜表面金属铬一同溶解；

(8)得到带有铬光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列。

实施例2

本发明所提供的制备带有金属光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列的方法可具体包括以下步骤：

(1)在硅片基底表面旋涂正性光刻胶，使用第一光刻掩膜版曝光和显影，在硅片基底的表面形成图形化的第一光刻胶掩膜，第一光刻胶掩膜上的图形为光刻胶微透镜阵列图形。

(2)通过干法刻蚀带有第一光刻胶掩膜的硅片基底，在带有第一光刻胶掩膜的硅片基底上形成直径与光刻胶微透镜阵列图形直径相同的硅片微孔阵列，并对硅片微孔阵列表面做钝化处理。

(3)取环烯烃共聚物和钝化后的硅片微孔阵列放入热压机，环烯烃共聚物和硅片微孔阵列的外周围放置一个等厚度的限位环，加热到环烯烃共聚物的玻璃化温度138℃以上，同时施加40kPa的压强，保持15min，之后冷却至室温。在压力、重力和表面张力的共同作用下，环烯烃共聚物冷却重塑后会得到微透镜阵列。

(4)在环烯烃共聚物基底旋涂第二光刻胶，采用第二光刻掩膜版的空白部分与环烯烃共聚物基底上微透镜阵列有着相同的直径通过预留的对准标记对准曝光。

(5)显影，在环烯烃共聚物基底上的微透镜阵列凸起阵列面得到第二光刻胶掩膜。

(6)采用蒸发镀膜工艺，在环烯烃共聚物基底蒸镀一层金属铝。

(7)将镀有金属铬的环烯烃共聚物放入丙酮液8中使用40％功率超声3min，第二光刻胶掩膜在逐渐在丙酮液中溶解，微透镜光刻胶掩膜表面金属铝一同溶解；

(8)得到带有铝光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用热压工艺制作微透镜阵列，无需曲面加工工艺，操作简单，加工时间短，效率高，误差小，更加适合大面积微透镜阵列的批量化制备。

2、本发明采用环烯烃共聚物在熔融状态下受压力重力和表面张力的作用，形成微透镜阵列节省了制作模具的成本和时间。

3、本发明采用光刻和刻蚀的方法，在硅基片上制作微孔阵列，具有良好的阵列均匀性和重复性。

4、本发明采用反相光刻对准的方法，结合剥离工艺在环烯烃共聚物表面直接形成金属光阑，没有增加系统的体积，同时节约成本，可以便捷地置入光探测器系统中。

以上对本发明所提供的一种带有金属光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列及其制备方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种带有金属光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列的制备方法，其特征在于，包括步骤：

S101、采用光刻法利用第一光刻掩膜版在硅片基底上形成第一光刻胶掩膜；

S102、采用刻蚀法在所述硅片基底上刻蚀出硅片微孔阵列；

S103、在所述硅片微孔阵列上铺设环烯烃共聚物层，进行热压处理，冷却，将硅片微孔阵列和环烯烃共聚物层分离，得到第一环烯烃共聚物阵列；

S104、利用第二光刻掩膜版在所述第一环烯烃共聚物阵列的结构面上形成第二光刻胶掩膜，并得到第二环烯烃共聚物阵列，所述第二光刻掩膜版和所述第一光刻掩膜版互为反相掩膜版；

S105、在所述第二环烯烃共聚物阵列的结构面蒸镀金属，得到第三环烯烃共聚物阵列；

S106、将所述第三环烯烃共聚物阵列放入丙酮液中，溶解去除第二光刻胶掩膜，得带有金属光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S102还包括：将硅片微孔阵列做表面钝化处理。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S103包括：取环烯烃共聚物和由所述硅片微孔阵列放入热压机，将环烯烃共聚物和所述硅片微孔阵列的外环放置一个厚度与环烯烃共聚物和所述硅片微孔阵列的总厚度相等的同心金属限位环，调节到合适的温度和压强，得到第一环烯烃共聚物阵列。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S105中，所述金属为铬或铝。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤S103中，热压处理的温度为135℃-145℃，压强范围25KPa-50kPa。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S104包括：采用套刻法利用第二光刻掩膜版在所述第一环烯烃共聚物阵列的结构面上形成第二光刻胶掩膜。

7.一种带有金属光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列，其特征在于，包括环烯烃共聚物凸起阵列和金属覆盖层，所述环烯烃共聚物凸起阵列和所述金属覆盖层交替排布，所述环烯烃共聚物凸起阵列作为微透镜阵列，所述金属覆盖层作为光阑。

8.根据权利要求7所述的带有金属光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列，其特征在于，所述金属覆盖层选自铬粉或铝条。

9.根据权利要求7所述的带有金属光阑的环烯烃共聚物微透镜阵列，其特征在于，所述环烯烃共聚物凸起阵列的高度为25μm-40μm；所述金属覆盖层的厚度为百纳米量级。