[發明專利]連續面形石英微光學元件機械-刻蝕復合加工方法

在審

• 申請號: 201610213364.7
• 申請日: 2016-04-08
• 公開（公告）號: CN105738980A
• 公開（公告）日: 2016-07-06
• 發明（設計）人: 張為國;朱國棟;張東;熊欣;劉風雷;史浩飛;杜春雷
• 申請（專利權）人: 中國科學院重慶綠色智能技術研究院
• 主分類號: G02B3/00
• 分類號: G02B3/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種新型微納加工方法，具體涉及一種連續面形石英微光學元件機械-刻蝕復合加工方法，隸屬微納光學范疇。

背景技術

連續面形石英微光學元件可實現紫外到近紅外波段高功率激光整形，具有光譜帶寬較大、紫外透過率高、熱穩定性好、抗腐蝕等諸多優點，被廣泛應用于激光加工、激光醫療、激光測距、激光通信等系統，是光束勻化、光束準直、光束耦合、光束波前變換等模塊的核心元件，在工業、消費光電市場、民用設備及國防裝備上發揮著越來越重要的作用。

目前，連續面形石英微光學元件主要通過熱熔法、灰度掩模法、移動掩模法等光刻刻蝕方法制得，此類方法均采用涂膠光刻的方式制作掩蔽層，基片邊緣處和中心處涂膠的厚度不均勻，刻蝕傳遞過程極大影響了元件的一致性。除此之外，各種方法均有著很大的限制，例如熱熔法制作的微光學元件面形不可控、占空最大只能做到78％；灰度掩模法的灰度掩模受數據量的限制，難以實現高精度、大面積連續面形微光學元件的制作；移動掩模法制作的微光學元件數值孔徑受限，100um以下和1mm以上單元尺寸連續面形的微光學元件都難以實現。

另一種有望用于微光學元件制作的技術為金剛石超精密車削技術，基于單點金剛石車床納米量級的定位精度和金剛石刀具優越的切削性能，可實現10nm以下表面粗糙度、100nm以下面形誤差的光學元件加工，特別適合連續面形鏡面元件的制作。但受到微光學元件尺寸小、石英材質硬度高而且脆、對刀具磨損嚴重等條件的限制，石英連續面形微光學元件無法直接采用金剛石車削的方法制備。

本發明提出結合超精密切削加工和微刻蝕加工的各自優點，利用金剛石切削方法，在石英保護層高分子材料上制作出連續面形微光學元件掩模，然后利用該掩模進行等離子體刻蝕傳遞，實現連續面形石英微光學元件的加工。該方法可實現任意形狀、大面積、高均勻性石英微光學元件的高精度可控制備。

發明內容

針對上述背景技術中現有技術無法實現連續面形石英微光學元件高質量制作的問題，本發明的目的在于提出一種采用高分子涂覆固化、超精密加工掩模、等離子體刻蝕傳遞等工藝流程的石英微光學元件加工方法，可同時解決光刻技術均勻性差、可控性低及超精密加工技術材料受限的難題，實現大面積、高精度、高均勻性石英連續面形微光學元件的可控制作。

本發明將傳統機械加工原理為基礎的超精密加工技術和微電子工藝為基礎的微光刻技術有機結合起來，摒棄了各自的缺陷，利用了超精密加工技術高精度制作連續面形結構的能力和微光刻技術對石英材質微納結構的成熟處理能力，克服石英材質連續面形微光學元件常規制作方法難以解決的技術問題。

本發明采用旋涂、噴涂或刮涂的方法在石英基底上涂覆高分子聚合物，通過紫外光照或加熱等方式使得高分子膠體固化；固化后的高分子材料連同石英基底一同裝夾至五軸金剛石車床的加工位，在制作連續面形微結構之前，先將整體進行平整化處理，保證高分子聚合物處于同一平面，然后進行微光學掩模圖形的制作；將帶有高分子微光學結構掩模的石英基片放置于等離子體刻蝕機的真空腔室中，選用合適刻蝕氣體，并調節共i參數，進行石英微光學元件的傳遞刻蝕。

本發明提供了一種連續面形石英微光學元件機械-刻蝕復合加工方法，該復合加工方法步驟如下：

(1)高分子材料的制作：在石英基底上涂覆高分子材料，然后固化；

(2)超精密切削掩模：先將固化后的高分子材料連同石英基底整體進行平整化處理，再采用金剛石精密切削出高分子材料的連續面形微結構掩模；

(3)等離子體刻蝕傳遞：采用傳遞式干法刻蝕，利用等離子體對材料的刻蝕去除作用，將高分子材料微結構傳遞至石英基底，刻蝕氣體種類包括氧氣、氬氣、三氟甲烷、六氟化硫等氣體的一種或幾種組合，刻蝕氣體流量通常在100sccm以下，刻蝕功率每平方分米不大于300W。

本發明所涉及的連續面形石英微光學元件可以為石英材質微透鏡列陣、微柱透鏡、菲涅爾透鏡等微光學元件。

本發明所涉及的連續面形石英微光學元件可以為連續面形的列陣性、鋸齒形及自由排布的任意形狀，單元尺寸在1um以上，面積可達700mm。

本發明所涉及的涂覆方法可以為旋涂、流平、噴涂、刮涂等工藝。

本發明所涉及的高分子材料可以為光敏膠、PMMA、光刻膠等材料。

本發明所涉及的固化方法可采用光固化或熱固化的方式。

本發明所涉及的切削方式包括車削、銑削、刨削等。

本發明所涉及的等離子體刻蝕傳遞可以采用磁增強等離子體刻蝕機、ICP、IBE等設備。