一种微透镜阵列制作方法
第34卷
2006正
第6期
6月
华中科技大学(自然科学版)
J.HuazhongUniv.ofSci.&Tech.(NatureScienceEdition)
V o1.34No.6
Jun.2006
一
种微透镜阵列制作方法
张鸿海范细秋胡晓峰刘胜
(华中科技大学机械科学与工程学院，湖北武汉430074)
酬和
摘要：提出一种采用热压印技术制作微透镜阵列的方法.将聚合物加热到其玻璃转化温度以上，利用预先制
备好的模板在适当的压力下压向聚合物样品，保持压力直到聚合物温度降到玻璃转化温度以下.将模板移去
后，模板上图形便转移到样品表面.根据热压印工艺要求.研制了一台热压印设备.并利用这台设备制作了单
元口径大小为40"ITI.单元之间间距为60btm的256×256单元8位相台阶衍射微透镜阵列.制作的微透镜阵
列SEM图表明图形台阶清晰，各单元一致性好.光学性能测试表明制作的微透镜阵列聚焦的三维光强分布
集中，具有较高的峰值.从制作工艺可以看出.利用热压印的方法制作微透镜阵列工艺简单，对制作设备要求
不高.为实现低成本，高分辨率，大批量制造微透镜阵列等器件创造了条件.
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关键词：微透镜阵列，热压印，聚甲基丙烯酸甲脂，衍射
中圈分类号:TH741.8文献标识码:A文章编号:1671—4512(2006)06—0077—03 Anovelmethodoffabricatingmicrolensarrays ZhangHonghaiFanXiqiuHuXiaofengLiuSheng
Abstract:Amethodoffabricatingmicrolensarraysbyhotembossingwasintroduced.Astum perwith requiredstructuresispresdintothesurfaceofpolymericfoilandheatedtoatemperatureabo veits glasstransitiontemperatureundersuitablepressureuntilthetemperaturedropedbelowthegl asstran—
sitiontemperatureofthepolymer,followedbyremovalofthestumperandleftthestructuresof the
煎马鲛鱼stamperinthepolymericfoil.Tomeettherequirementsoffabricationmicrolensarraysbyhota m—
bossing,aprototypetoo]wasdeveloped,bywhicha8一pha—level256×256elementsdiffractivemic
rolensarraywithelementdimensionof40m×60mwasfabricated.Theembosdmicrolensarray haxcellentdefinitionandfineuniformityinitsscanningelectronmicrography(SEM)pictu re.Opti—
calperformancetestresultshowsthatthe3-Dlightintensitydistributionisconcentratedwitha high
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peakvalue.Withoutsophisticatedfacilities,microlensarrayscanbefabricatedbyusingthee mbossing
processwithlow—cost,highresolutionandhigh—throughput.
Keywords:microlensarray;hotembossing;polymethylmethacrylate(PMMA);diffraction ZhangHonghaiProf.;CollegeofMech.Sci.&Eng.,HuazhongUniv.ofSci.&Tech .,Wuhan
430074,China.
微透镜阵列是指由一系列直径在10pm到
100pm之间的微型透镜按一定的方式排列而成
公共基础知识真题的阵列.在光学传感，光通信，光计算，光互连和光
学神经网络等领域，利用微透镜阵列可以实现光
束的发射，聚焦，偏折，分割，复合，开关，耦合，接
收等功能口].本文提出一种采用热压印技术制作
聚合物材料微透镜阵列的方法.热压印技术是制
作塑料材料微结构和微器件的一种新兴制造技
术，它是在一定的温度和压力条件下，将预先制备
好的模板在适当的压力下压向加热到其玻璃转化
温度之上的聚合物样品.其基本工艺流程如
图1所示，主要有如下步骤：模板制备，压印，脱
收稿日期:2005—04—18.
作者简介：张鸿海(1950一)，男，教授，武汉，华中科技大学机械科学与工程学院(430074).
E—mail:********************
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50475137)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(2004487026)
78华中科技大学(自然科学版)第34卷
模.与目前普遍采用的在硅片或玻璃上制作微透
镜阵列的方法相比，热压印工艺简单，对制作设备
要求不高.制作分辨率主要取决于模板图形结构
的分辨率，因此热压印具有纳米级分辨率和很好
的一致性.此外，在压印过程中模板磨损很小，一
块模板可多次重复压印，在一定的温度，压力及压
印时间等条件下，能够获得重复性和均匀性很好
的图形结构，因此热压印技术能够实现微透镜阵
列的低成本，大批量，高分辨率制作_2].
■■—模板■—■-
I一样品■l-_
(a)加热(b)压印(c)脱模
图1热压印工艺流程图
1实验设备
热压印设备如图2所示，其主要组成部分及
其技术指标如下:a.Z方向的运动控制模块，实
现Z方向的运动以控制模板和样品之间的距离和压印压力的大小，位移的分辨率为0.1/,m.
b.XY方向的运动控制模块，用于模板与样品之间的对准以及较大基片上的重复压印的定位，位移的分辨率为0.1/,m.
c.模板与样品之间的平行度自校正装置，以确保模板与样品之间平行.
d. 加热装置及温度控制显示装置，加热温度最高可达400℃.
e.压力传感器，实时监控施加在模板
和样品的压力，量程3Okg，分辨率为0.05.
f.紫外光源部分，用于紫外固化压印工艺，将另
文介绍引.
柔
图2热压印设备示意图
2微透镜制作工艺过程
2.1模板制作
模板是热压印过程中非常关键的一个环节,
本文采用多次掩模光刻和离子束刻蚀工艺制作256×256元8位相衍射微透镜阵列模板，单元微透镜口径大小为40/,m，单元之间中心距为6O /,m，模板材料为硅.具体工艺步骤如图3所示：首先，用掩模1进行曝光后，进行第一次反应离子刻蚀，可以得出一级台阶结构；然后进行第二次光刻和离子束刻蚀，在原有台阶的基础上刻出四级台
阶结构；再进行第三次光刻和离子束刻蚀，在原有基础上得到8级台阶I6,，图4是采用上述工艺制备的微透镜阵列模板的SEM图.
掩模I
掩模2
掩模3
III次离子刻蚀III
l几r_1广冗冗
2次离子刻蚀
…lII{I…I
{—产气—1==三
3次离子刻蚀
IIIIIIIIIII¨I除口臭7个妙法
图3八位台阶衍射微透镜阵列模板制作工艺
什么是产品
图4八位台阶衍射微透镜阵列模板
2.2样品材料选择
电梯品牌排行榜选用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为热压
印样品材料，原因如下:a.压印过程中,PMMA
与Si模板黏附不很紧密，便于脱模;b.当温度和压力大范围变化时PMMA材料的收缩率不超过5，易保证图形结构的一致性;c.PMMA光学
性能良好，是制作光学器件理想的聚合物材料.
2.3微透镜阵列制作过程
a.模板，样品准备.将制得的模板和样品用
去离子水进行超声波清洗.
b.模板，样品的装夹和平行校正.首先在上
下工作台上分别装夹模板和样品，然后进行模板和样品之间的平行校正，模板和样品之问的平行度是保证图形结构均匀性的重要的因素，利用自
