[发明专利]基于热压印技术的金属材料反射式微光学元件加工方法

说明书

技术领域

本发明属于微光学元件制作方法，涉及一种基于热压印技术的金属材料反射式微光学元件加工方法。

背景技术

以闪耀光栅与微镜阵列为代表的反射式微光学元件因其许多卓越的、传统光学难以具备的功能而被广泛研究和应用。

基于热压印技术制作反射式微光学元件具有工艺简单、速度快、重复性好、费用低、产率高等优点，可以实现批量生产。

热压印(Hot Embossing Lithography，HEL)是纳米压印技术的一个分支，由Stephen Y.Chou于1995年首次提出并提出专利申请，参见专利US5772905“Nanoimprint lithography”。

美国麻省理工大学的Chih-Hao Chang等人在2003-2004年公开纳米压印制作锯齿形闪耀光栅的方法(1.C.H.Chang，et al.Fabrication of Saw-tooth DiffractionGratings Using Nanoimprint Lithography.Vacuum Science and Technology B.2003，21：2755-2759 2.C.-H.Chang，et al.High Fidelity Blazed Grating Replication UsingNanoimprint Lithography.Vacuum Science and Technology B.2004，21：3260-3264)。

该技术包括以下步骤：(1)使用光刻结合反应离子刻蚀制作压模，压模材料为硅；(2)使用纳米压印技术将压模的结构压印到聚合物薄片上；(3)在聚合物表面蒸镀一层铬(Cr)或者金(Au)，提高反射率。

台湾大学材料科学与工程专业的H.L.Chen等人于2006年提出了一种名为NIMB(nanoimprinting in metal/polymer bi-layer structures)的技术，可以在较低的温度和压力下直接将压模压印到金属表面(H.L.Chen，et al.Directly patterningmetal films by nanoimprint lithography with low-temperature and low-pressure.Microelectronic Engineering.2006，83：893-896)。

该技术包括以下步骤：(1)使用电子束直写结合反应离子刻蚀制作具有锋利切口的压模，压模材料为硅；(2)在聚合物薄片上蒸镀一层30-50nm厚的金属薄膜；(3)利用压模锋利的切口和加热后金属薄膜下面的软衬底，在较低的压力和温度下使用热压印将压模的结构直接压印到金属薄膜上。

然而上述技术具有一个共同的缺陷：该技术所得到的闪耀光栅是三种材料的复合结构。这一缺陷所带来的问题在于：(1)由于不同材料的热膨胀系数不一致，在温度变化剧烈的工作环境下，稳定性较差，结构易脱落；(2)聚合物的辐射稳定性较差，在强辐射的工作环境下易发生交联、接枝或裂解；(3)聚合物的变相点较低，一般在100℃～300℃，无法工作在高温环境下。

以金属材料取代上述的聚合物材料是解决此类缺陷的有效途径。

瑞士Paul Scherrer大学微纳米技术实验室的L.J.Heyderman于2001年将热压印与微电铸技术相结合制作了纳米尺度的镍电极(L.J.Heyderman，et al.Nanofabrication using hot embossing lithography and electroforming.MicroelectronicEngineering.2001，57-58：375-380)。韩国大学材料科学与工程专业的研究人员也进行了此类技术的研究，并制作出了特征尺寸50nm的镍印章(1.S.H.Hong，et al.Fabrication of 50nm patterned nickel stamp with hot embossing and electroformingprocess.Microelectronic Engineering.2007，84：977-979 2.Kyeong-Jae Byeon，et al.Thermal imprint lithography using sub-micron sized nickel template coated with thin

SiO₂layer.Microelectronic Engineering 2007，84：1003-1006)。