紫外压印微光学元件中的收缩与抗粘连问题研究

摘要

微光学元件加工技术是促进微光学系统大量使用以及推进光学系统小型化的关键技术之一。紫外压印技术结合反应离子刻蚀工艺可实现光学材料基底上微光学元件的高分辨力、低成本与快速的加工。然而现有的紫外压印技术中存在如下两个问题:首先,紫外压印工艺所用的光刻胶材料在固化过程中存在较大的固化体积收缩,对于所加工微细结构的尺寸精度具有较大的影响,固化收缩产生较大的内应力还会导致一系列难以克服的问题;其次,在脱模过程中,粘附作用力可对加工结果产生强烈的破坏作用,对连续浮雕结构微光学元件的复制加工产生致命影响。这两个问题已成为制约连续浮雕微光学元件高精度批量生产的技术瓶颈。
　　本课题“紫外压印微结构光学元件中的收缩与抗粘连问题研究”的主要目的是针对紫外压印工艺光刻胶固化中收缩问题与脱模破坏问题,通过模型建立、理论分析以及实验研究等工作,提出相应地解决办法,消除相应的影响,提供一种高效、低成本、可批量应用的硬质光学材料基底连续浮雕结构微光学元件复制加工工艺。
　　本文完成的主要工作如下:
　　(1)提出一种基于自由体积理论的紫外压印光刻胶动态收缩模型,针对传统丙烯酸酯类紫外压印光刻胶存在较大的动态收缩的问题,对压印光刻胶材料动态收缩过程进行理论预测与仿真的方法。基于自由体积理论,结合传统高分子材料合成理论提出的理论模型,在不同的曝光功率密度条件下,对丙烯酸酯类紫外压印光刻胶动态收缩进行分析。并且,应用该方法对收缩以及高分子合成转化率的关系进行详细的研究。
　　(2)提出一种基于硫醇-烯类高分子材料的紫外压印工艺。针对压印光刻胶固化收缩问题产生的复制误差难以克服的问题,通过理论分析与实验研究,建立压印残留层厚度与复制误差的关系与作用模型,在现有的基础之上进一步降低连续浮雕结构微结构光学元件的压印复制误差,同时通过实验研究该类材料的抗反应离子刻蚀性能。
　　(3)针对紫外压印工艺中存在的脱模容易粘连的问题,对抗粘层生成工艺进行优化。针对气相沉积抗粘层生成工艺,通过理论分析以及实验方法研究该工艺与沉积温度之间的作用关系,提出了基于温度调节的抗粘层生成优化方法。
　　(4)为实现石英玻璃基底上的连续浮雕结构的微光学元件的加工,根据连续浮雕刻蚀对于工艺的特殊要求,通过实验研究紫外压印光刻胶材料的抗刻蚀选择性能。结合紫外压印与反应离子刻蚀技术实现石英基底连续浮雕结构微透镜阵列的复制工艺。
　　(5)搭建微光学元件光学性能测试系统,分别针对具有谐衍射性能的用于并行激光直写的微透镜阵列在写入激光与检焦激光入射条件下的光学性能进行测试与实验研究。

目录

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第 1 章 绪论

1.1 课题研究的背景和目的

1.2 微光学元件加工技术国内外研究现状

1.2.1 激光直写技术

1.2.2 灰度掩模技术

1.2.3 热压印技术

1.3 紫外压印技术研究现状

1.3.1 纳米压印技术研究现状

1.3.2 基于紫外压印的微光学元件加工技术研究现状

1.3.3 紫外压印光刻胶材料与固化收缩问题研究现状

1.3.4 紫外压印抗粘连技术研究现状

1.4 本领域目前存在的科学与技术问题

1.5 课题来源及主要研究内容

第 2 章 紫外压印光刻胶光化学反应及收缩特性研究

2.1 引言

2.2 基于自由体积理论的压印光刻胶固化反应模型研究

2.2.1 紫外压印用光刻胶材料

2.2.2 光刻胶固化反应动态收缩模型研究

2.2.3 自由基引发高分子合成反应动力学模型

2.2.4 扩散控制模型

2.2.5 基于自由体积理论的动力学模型

2.3 高分子合成动力学实验研究

2.3.1 傅里叶红外光谱分析

2.3.2 实验方法

2.3.3 动力学参数的测量

2.3.4 曝光光强的影响

2.4 高分子合成动态收缩实验研究

2.4.1 实验方法及装置

2.4.2 曝光光强的影响

2.5 本章小结

第 3 章 基于硫醇-烯类高分子材料的微光学元件紫外压印技术研究

3.1 引言

3.2 硫醇-烯类高分子材料的内应力弛豫性能研究

3.2.1 硫醇-烯类高分子材料的合成原理

3.2.2 硫醇-烯类高分子材料的凝胶点以及内应力

3.3 基于硫醇-烯的紫外压印工艺及实验研究

3.3.1 紫外压印的物理过程

3.3.2 硫醇-烯类紫外压印用光刻胶材料

3.3.3 实验条件及所使用的压模

3.3.4 压印实验与结果分析

3.3.5 收缩产生的影响

3.4 硫醇-烯类光刻胶低收缩影响模型研究

3.5 硫醇-烯类光刻胶材料的反应离子刻蚀工艺研究

3.6 本章小结

第 4 章 基于温度控制的抗粘层优化生成方法研究

4.1 引言

4.2 基于硅烷单分子层自组装的压模表面抗粘层处理方法

4.2.1 抗粘层生成原理

4.2.2 表面自由能理论

4.2.3 固体界面分离理论

4.3 基于温度控制的抗粘层生成工艺实验

4.4 抗粘层性能评价

4.4.1 表面自由能测试实验

4.4.2 单分子层膜厚测试实验

4.4.3 单分子层化学成分分析

4.4.4 抗粘层界面断裂实验

4.5 温度对抗粘层生成工艺影响的机理研究

4.5.1 抗粘层生成工艺的动态过程

4.5.2 温度对物理及化学吸附的影响

4.6 本章小结

第 5 章 紫外压印连续浮雕结构微光学元件实验研究

5.1 引言

5.2 反应离子刻蚀工艺

5.2.1 紫外压印光刻胶的抗刻蚀性能研究

5.2.2 微透镜阵列的紫外压印与反应离子刻蚀工艺

5.2.3 基于反应离子刻蚀的微透镜阵列深度补偿技术

5.3 微光学元件光学性能测试

5.3.1 微透镜阵列光学原理

5.3.2 微透镜阵列性能测试装置与实验方法

5.3.3 写入光入射时的性能测试与分析

5.3.4 检焦激光入射时的性能测试与分析

5.3.5 光学性能测试小结

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及其它成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历