一种基于电润湿效应和液滴吸取的微透镜成形方法

摘要

本发明涉及微透镜制造技术，具体是一种基于电润湿效应和液滴吸取的微透镜成形方法。本发明解决了现有微透镜制造方法无法制造出数值孔径可控的微透镜的问题。一种基于电润湿效应和液滴吸取的微透镜成形方法，该方法是采用如下步骤实现的：S1：选取热氧化高掺杂硅晶圆；S2：形成第一纳米锥阵列结构；S3：制得聚二甲基硅氧烷压印模具；S4：形成第二纳米锥阵列结构；S5：涂覆特氟龙薄层；S6：施加光固化树脂液滴；S7：光固化树脂液滴在电场作用下变形成为液态透镜；S8：断开交流电源；S9：对液态透镜的数值孔径进行精确调控；S10：对液态透镜进行辐照；S11：将固态透镜剥离下来。本发明适用于微透镜的制造。

说明书

技术领域

本发明涉及微透镜制造技术，具体是一种基于电润湿效应和液滴吸取的微透镜成形方法。

背景技术

微透镜是一种常用的微光学元件，其广泛应用于光通信、集成成像、太阳能电池、发光二极管显示等领域。在现有技术条件下，微透镜制造方法主要包括机械精铣加工法、光刻热回流法、湿法腐蚀法、激光刻蚀法和双光子干涉曝光法等。然而实践表明，现有微透镜制造方法由于自身原理所限，无法制造出数值孔径可控的微透镜，由此导致微透镜的适用范围受限。基于此，有必要发明一种全新的微透镜制造方法，以解决现有微透镜制造方法无法制造出数值孔径可控的微透镜的问题。

发明内容

本发明为了解决现有微透镜制造方法无法制造出数值孔径可控的微透镜的问题，提供了一种基于电润湿效应和液滴吸取的微透镜成形方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于电润湿效应和液滴吸取的微透镜成形方法，该方法是采用如下步骤实现的：

S1：选取热氧化高掺杂硅晶圆，并对热氧化高掺杂硅晶圆进行预处理；然后，采用步进刮涂法将纳米粒子悬浮液中的纳米粒子涂覆于热氧化高掺杂硅晶圆的表面，由此在热氧化高掺杂硅晶圆的表面形成单层纳米粒子薄膜；

S2：将单层纳米粒子薄膜在200℃下进行烘干；然后，以单层纳米粒子薄膜为掩蔽层，对热氧化高掺杂硅晶圆的表面进行亚微米刻蚀加工，由此在热氧化高掺杂硅晶圆的表面形成第一纳米锥阵列结构；

S3：去除单层纳米粒子薄膜；然后，在第一纳米锥阵列结构的表面浇筑聚二甲基硅氧烷，由此制得聚二甲基硅氧烷压印模具；

S4：选取透明导电玻璃基材，并在透明导电玻璃基材的表面涂覆光固化树脂结构层；然后，将聚二甲基硅氧烷压印模具与光固化树脂结构层进行接触压印，由此在光固化树脂结构层的表面形成第二纳米锥阵列结构；

S5：采用旋涂法在第二纳米锥阵列结构的表面涂覆特氟龙薄层；

S6：采用第一数字微量注射器在涂覆有特氟龙薄层的第二纳米锥阵列结构的表面施加光固化树脂液滴；

S7：选取交流电源和电极，并将交流电源的两端分别与电极和透明导电玻璃基材的导电面连接；然后，将电极插入光固化树脂液滴中，并接通交流电源，由此使得光固化树脂液滴在电场作用下变形成为液态透镜，同时使得液态透镜对涂覆有特氟龙薄层的第二纳米锥阵列结构的表面实现微观浸润，进而使得涂覆有特氟龙薄层的第二纳米锥阵列结构嵌入液态透镜的平面；

S8：断开交流电源，并将电极从液态透镜中抽出；

S9：采用第二数字微量注射器从液态透镜中吸取一定量的光固化树脂，由此通过涂覆有特氟龙薄层的第二纳米锥阵列结构表面的能量壁垒作用，使得液态透镜与涂覆有特氟龙薄层的第二纳米锥阵列结构的接触面积不发生改变，而仅仅使得液态透镜的曲率半径发生改变，从而对液态透镜的数值孔径进行精确调控；

S10：采用紫外灯箱对液态透镜进行辐照，由此使得液态透镜固化成为固态透镜，并在固态透镜的平面形成纳米锥孔阵列结构；

S11：采用真空吸附法将固态透镜剥离下来，由此完成微透镜的制造。

与现有微透镜制造方法相比，本发明所述的一种基于电润湿效应和液滴吸取的微透镜成形方法基于全新的原理和工艺，制造出了数值孔径可控的微透镜，由此使得微透镜的适用范围不再受限。

本发明有效解决了现有微透镜制造方法无法制造出数值孔径可控的微透镜的问题，适用于微透镜的制造。

附图说明

图1是本发明中步骤S1的示意图。

图2是本发明中步骤S2的示意图。

图3是本发明中步骤S3的示意图。

图4是本发明中步骤S4的示意图。

图5是本发明中步骤S5的示意图。

图6是本发明中步骤S6的示意图。

图7是本发明中步骤S7的示意图。

图8是本发明中步骤S8的示意图。

图9是本发明中步骤S9的示意图。

图10是本发明中步骤S10的示意图。

图11是本发明中步骤S11的示意图。

图中：1-热氧化高掺杂硅晶圆，2-纳米粒子悬浮液，3-单层纳米粒子薄膜，4-第一纳米锥阵列结构，5-聚二甲基硅氧烷压印模具，6-透明导电玻璃基材，7-光固化树脂结构层，8-第二纳米锥阵列结构，9-特氟龙薄层，10-第一数字微量注射器，11-光固化树脂液滴，12-交流电源，13-电极，14-液态透镜，15-第二数字微量注射器，16-固态透镜。

具体实施方式

一种基于电润湿效应和液滴吸取的微透镜成形方法，该方法是采用如下步骤实现的：

S1：选取热氧化高掺杂硅晶圆1，并对热氧化高掺杂硅晶圆1进行预处理；然后，采用步进刮涂法将纳米粒子悬浮液2中的纳米粒子涂覆于热氧化高掺杂硅晶圆1的表面，由此在热氧化高掺杂硅晶圆1的表面形成单层纳米粒子薄膜3；

S2：将单层纳米粒子薄膜3在200℃下进行烘干；然后，以单层纳米粒子薄膜3为掩蔽层，对热氧化高掺杂硅晶圆1的表面进行亚微米刻蚀加工，由此在热氧化高掺杂硅晶圆1的表面形成第一纳米锥阵列结构4；

S3：去除单层纳米粒子薄膜3；然后，在第一纳米锥阵列结构4的表面浇筑聚二甲基硅氧烷，由此制得聚二甲基硅氧烷压印模具5；

S4：选取透明导电玻璃基材6，并在透明导电玻璃基材6的表面涂覆光固化树脂结构层7；然后，将聚二甲基硅氧烷压印模具5与光固化树脂结构层7进行接触压印，由此在光固化树脂结构层7的表面形成第二纳米锥阵列结构8；

S5：采用旋涂法在第二纳米锥阵列结构8的表面涂覆特氟龙薄层9；

S6：采用第一数字微量注射器10在涂覆有特氟龙薄层9的第二纳米锥阵列结构8的表面施加光固化树脂液滴11；

S7：选取交流电源12和电极13，并将交流电源12的两端分别与电极13和透明导电玻璃基材6的导电面连接；然后，将电极13插入光固化树脂液滴11中，并接通交流电源12，由此使得光固化树脂液滴11在电场作用下变形成为液态透镜14，同时使得液态透镜14对涂覆有特氟龙薄层9的第二纳米锥阵列结构8的表面实现微观浸润，进而使得涂覆有特氟龙薄层9的第二纳米锥阵列结构8嵌入液态透镜14的平面；

S8：断开交流电源12，并将电极13从液态透镜14中抽出；

S9：采用第二数字微量注射器15从液态透镜14中吸取一定量的光固化树脂，由此通过涂覆有特氟龙薄层9的第二纳米锥阵列结构8表面的能量壁垒作用，使得液态透镜14与涂覆有特氟龙薄层9的第二纳米锥阵列结构8的接触面积不发生改变，而仅仅使得液态透镜14的曲率半径发生改变，从而对液态透镜14的数值孔径进行精确调控；

S10：采用紫外灯箱对液态透镜14进行辐照，由此使得液态透镜14固化成为固态透镜16，并在固态透镜16的平面形成纳米锥孔阵列结构；

S11：采用真空吸附法将固态透镜16剥离下来，由此完成微透镜的制造。

所述步骤S1中，预处理的步骤如下：首先，采用piranha溶液对热氧化高掺杂硅晶圆1进行水浴加热1h；然后，采用去离子水对热氧化高掺杂硅晶圆1进行冲洗；然后，采用氮气将热氧化高掺杂硅晶圆1吹干后在150℃下烘烤1h。

所述步骤S10中，紫外灯箱的光波长为350~450nm、辐照强度为200W/cm²、辐照时间为3~5min。

所述热氧化高掺杂硅晶圆1的厚度为500μm，其热氧化层的厚度为300~1000 nm。

所述透明导电玻璃基材6为氧化铟锡透明导电玻璃基材或掺杂氟的SnO₂透明导电玻璃基材。

所述光固化树脂结构层7为NOA61紫外光固化树脂结构层；所述光固化树脂液滴11为NOA61紫外光固化树脂液滴。

所述电极13为铜丝电极或铂丝电极，其直径为50~200μm。