制造微型構造的元件的制作方法

專利名稱：制造微型構造的元件的制作方法
技術領域：
本發明為制造諸如微型光學元件或者微型光學系統之類的微型構造的元件的領域。其還延伸到微型機電系統(MEMS)和諸如微型光機電系統(MOEMS)之類的組合的微型光學和電子和/或機械系統。更具體的，其涉及一種利用復制工具例如通過模壓或者模制過程來將元件復制到微型構造的元件中的方法，以及涉及一種制造復制工具的方法。
背景技術：
微型光學元件具有日益增加的重要性。這里，微型光學元件是依賴微型光學系統的任何類型的元件。這里，術語“微型光學元件”包括包含電子和/或機械部件的系統，諸如MOEMS。與傳統的光學系統相反，微型光學系統是基于引起折射和/或衍射的精細構造，該構造具有典型的深度/高度，以及通常也具有通常幾微米的寬度，例如0.5微米-200微米，優選在1微米和大約50微米之間，或者在1微米和30微米之間。換句話說，對于折射光學系統，典型的輪廓深度和輪廓寬度為幾個波長到幾十個波長的量級，以及對于衍射光學系統為大約一個波長到幾個波長的量級。根據經驗法則，微型光學元件具有的構造使得很好地限定構造上不同的相鄰位置存在的輻射的相位關系。這與經典的純折射光學元件相對，在經典的純折射光學元件中，在構造的不同元件處的輻射的性能能夠以幾何光學圖來描述。因此，與經典的光學元件(諸如經典的透鏡、反射鏡元件等)相對，可以認為微型光學元件具有這樣的構造，其使得光的波動性必須被考慮，且參與微型光學元件對輻射的作用。
對于衍射光學元件(DOE；為微型光學元件的一個例子)技術的制造狀態，已知有不同的方法。第一種方法是使用依靠掩模等的傳統光構造或者電子束構造技術來制造抗蝕圖。抗蝕圖用作衍射元件。第二種方法包括使用上述技術之一來形成抗蝕圖，然后蝕刻基底，使得產生具有需要刻的形狀的衍射元件。
其它方法，諸如在JP-A-168601/1988中披露的方法，依靠蝕刻，包括通過光刻過程構造蝕刻阻止層。
所有這些技術方法的狀態共同之處在于，它們不是很適于大規模生產，因為每個元件的制造包括一系列精巧的生產步驟。
因此，本發明的目的是提供一種形成微型構造的元件的方法，其適于生產微型光學元件，以及克服了現有技術的制造方法的缺點。即使微型構造的元件大，或者制造微型構造的元件的陣列，其也應該提供三維構造特征的好的分辨率，以及它們的絕對尺度和位置。

發明內容
根據本發明，通過使用復制工具在初級產品中復制/成形(模制或者模壓等)三維構造來制造構造的(或微型構造的)元件。復制工具包括從復制表面突出的隔離物部分。復制的微型光學元件稱為復制品。
隔離物部分允許基底上可變形材料的自動和精確厚度控制。它們可以包括嵌入工具的“腿形”構造。此外，隔離物防止微型光學構形變形，因為隔離物比工具上最高的構造特征更突出。
復制品(微型構造的元件，例如，微型光學元件或者微型光學元件部件或者光學微型系統)可以由環氧樹脂制成，其被固化，例如UV固化，而復制工具仍然在原位。UV固化是快速過程，其允許硬化過程的好的控制。
復制過程可以是模壓過程，其中，要被成形的初級產品的可變形的或者粘性或者液體成分放置在基底的表面上，該基底可以具有任何尺寸。例如，其可以是具有相應于只有一個或者一些元件要被制造的區域的表面區域的小尺寸。作為一種選擇，基底可以在尺寸上是晶片規模的。“晶片規模”指具有相當于半導體晶片尺寸的盤形或者板形基底的尺寸，諸如具有在2”和12”之間的直徑的盤。然后，復制工具壓靠該表面。
一旦隔離物部分鄰接基底的頂部表面，模壓步驟就停止。因此，所述表面用作模壓的停止面。
作為一種選擇，復制過程可以是模制過程。相反，在模制過程中，包括隔離物部分，例如包括腿形構造的工具首先壓到基底的表面上，以形成限定的腔，然后，通過模制過程填充該腔。
隔離物部分優選以這樣的方式得到，即，其“分布”在復制工具的至少必要的部分上，例如在整個復制工具上，或者在邊緣處。這意味著，隔離物部分的特征存在于復制工具的必要的部分上，例如，隔離物部分包括分布在復制工具的復制表面上的多個隔離物。
隔離物允許可變形的材料層的自動的和精確的厚度控制。
復制工具可以包括具有一些彈性的材料，例如PDMS或者其它彈性材料。然后，即使其上執行該過程的基底表面不是完全平的，或者即使復制工具不是完全平的，其也給定共形的厚度控制。應該注意，對于很多微型光學元件的應用，必須確保平面性，精度達到元件尺寸上大約1微米或者甚至更高的精度。換句話說，對于微型光學元件，特征的高度——坐標系中的z位置，其中，工具表面限定xy平面——應該優選以1微米的精度或者更高的精度限定。
復制工具還可以包括剛性背板，以使其在大規模上尺度剛硬。
隔離物部分可以存在于沒有光學功能的任何地方。
根據特殊的實施例，隔離物可以位于放置在最終的復制品的角部和/或邊緣，以便降低應力集中。
根據本發明的還有一個特殊的實施例，隔離物部分可以以這樣的方式布置，即，在復制過程期間，優化流體動力學效果。例如，可以設計隔離物，以便形成對在基底的邊緣處的未固化的可變形的復制材料的流動的阻擋物。或者，它們的形狀和分布可以使得其在模壓過程期間引導可變形的復制材料的流動，例如，均勻地和完全地填充矩形復制區域。
通常，復制工具可以包含下面特征微型光學功能、隔離物、切割標記、對準特征(用于光學地或者機械地對準的復制)、阻止或者再引導可變形的材料的流動的流動阻擋物。這樣的構造可以直接加到諸如光刻過程或者激光束寫過程之類的母片制作過程中的母片。然而，例如，在激光寫期間，由于在可以實現的可能的寫深度或者區域中的限制，單獨的母片制作技術常常不允許包括在母片構造中的所有特征。在這樣的情況下，現有的母片，副母片或者工具必須用諸如隔離物之類的特征來改型。
本發明還有的特征在于，一種從母片或者副母片制造復制工具(例如為母片構造的負拷貝)的方法。母片構造指原始構造。母片的任何拷貝稱為副母片。母片通常通過諸如光構造、激光束寫或者電子束構造之類的技術來產生。此外，本發明還涉及一種用隔離物部分改型現有的母片、副母片或者工具的方法。


接下來，參考附圖討論本發明的實施例。附圖中的圖都是示意性的。它們顯示如下圖1通過根據本發明的復制工具的截面。
圖2、3和4在制造微型光學元件的過程中的過程步驟。
圖5-8通過由用于復制工具生產的隔離物來改型現有的原始母片來制造母片的過程中的過程步驟。
圖9-13由用于復制工具生產的隔離物來改型母片或者工具的負拷貝的過程中的過程步驟。
圖14-16用于從母片或者母片的拷貝制造復制工具的過程中的過程步驟。
圖17和18復制工具的底部視圖(即，在復制表面上觀察)的例子。
圖19在邊緣處的具有對準裝置的復制工具。
圖20和21用于雙面復制的過程的例子。
圖22具有機械特征的多級工具的例子具體實施方式
圖1所示的復制工具1包括具有負構造特征的復制表面1a，其為要在微型光學元件表面上成形的構造特征的負片。更具體的，附圖中很示意性地顯示的實施例具有相應于微型光學元件的表面的突出物的缺口1b。構造特征的典型尺度(特有的深度/高度，通常還有寬度)為幾微米，例如，0.5微米-200微米，優選在1微米和大約50微米之間，或者在1微米和大約30微米之間。復制工具還具有從復制表面突出的隔離物1c。隔離物的高度h為例如2微米和1000微米之間，優選在2微米和200微米之間，例如在10微米和40微米之間，以及通常為使得隔離物比最高的負構造特征更突出。隔離物的幾何尺度(形狀、高度、直徑)和分布可能是系統設計以及過程開發中的重要參數。光學功能可以通過適當的隔離物設計來微調。更通常的，需要的光學功能也隱含一定的最大公差。特別是如果制作的微型光學(或者其它)構造的元件尺寸大，那么這些最大的公差可能嚴格。根據本發明的方法允許設計滿足這些條件的工具。根據復制材料的物理特性，隔離物特性適于保證好的處理。
復制工具1例如由具有一些彈性的材料制成。其可以由PDMS或者一些其它的彈性或者剛硬——可固化或者熱塑聚合物或者其它可成形的材料制成。作為一種選擇，其也可以由金屬制成，諸如鎳合金或者其它過渡元素的合金或者其它金屬。其也可以由半導體材料(諸如蝕刻的晶片)或者絕緣晶體或者非晶體材料制成。為了簡單的原因，圖1中的復制工具1繪制為一個均質的主體。實際上，其可以由幾種材料層或者成分制成。例如，構造特征和/或隔離物可以由不同于工具主體的材料制成，以及工具可以進一步包括如下所示的加固載體元件，或者其它元件。根據還有一個選擇，復制工具可以由彈性層和攜帶需要的圖形的較硬的構圖的層組成。
形成微型光學元件的過程在圖2-4中很示意性地顯示。復制工具1與在表面具有材料成分3的初級產品接觸，該材料成分處于可變形的狀態(圖2)。初級產品2還包括第二材料成分4(基底)，其為尺度剛硬。復制工具壓靠可變形的材料成分3達到隔離物鄰接尺度剛硬的材料成分4的表面的點(圖3)。因此，所述表面用作按壓的停止面。作為所示的實施例的一種選擇，停止面也可以通過其它方式形成。例如，初級產品2不是必須包括尺度剛硬的成分，而可以作為一種選擇放置在剛硬載體上，諸如玻璃板等。當復制工具仍然在原位時，根據可變形的材料的特性，例如通過用合適的輻射5照射(圖4)，通過加熱，通過冷卻，通過暴露于氧，通過等候一定的時間來使其干燥等，可以硬化可變形的材料成分3。
圖5-8示意性地描繪了用隔離物來改型母片或者副母片構造以制作圖1所示類型的工具的優選方法。原物(母片)11包括(正)構造特征，微型光學元件需要該構造特征來實現其功能。原物設置有蝕刻抗蝕劑層12，其例如通過光刻技術以傳統的方式來構造(圖6)。抗蝕劑層12的構造相應于圖形的負片，其中布置隔離物1c。作為下一個步驟，例如通過等離子由活性離子蝕刻(RIE)技術(圖7)，將隔離物的負片構造蝕刻到原物11中。在該過程中，抗蝕劑層12用作蝕刻抗蝕劑。然后，從得到的母片11′(圖8)或者副母片剝去抗蝕劑層12。通過復制該改型的母片或者副母片，例如模制或者模壓(如果工具為塑料材料)，通過電子成形(如果工具是金屬的)或者通過一些其它的方法，獲得了復制工具1(比較圖1)。
應該注意，所有的圖不是按比例繪制，與圖7和8中的原物11的厚度相比，圖5和6中的原物11的厚度顯示為減小了。原物可以是要被提供隔離物部分的“傳統的”母片或者副母片。
一種可選的改型母片或者復制工具1的負拷貝的制造方法在圖9-13中顯示。其包括的步驟為提供母片11(如圖5所示)，復制該母片使得產生負拷貝或者工具21(圖9)，其例如由諸如PDMS之類的塑料材料制成。增加涂覆層22(圖10)且構造涂覆層(圖11)，使得突出物保持在隔離物的地方。例如通過使用構造的抗蝕劑層22、23和不侵蝕負母片或者工具材料21的蝕刻步驟的光刻過程可以完成構造。
在圖11中顯示的得到的副母片工具21′包括副母片工具原物21和從涂覆層剩余的突出物22′。然后，復制在圖11中的副母片構造，產生如圖13所示的副母片24。最后的復制步驟允許制作幾個改型的母片，其能夠有利于大規模生產。
包括副母片工具和副母片的程序具有一些另外的優點，也可以用于不同于圖10-13的過程的情況。由于只有有限數量的復制品(可能達到幾百)能夠由PDMS工具生產，重要的是，具有用于大規模生產的恒定的PDMS工具供給。然而，為了改進母片的使用壽命，其操作和從母片制成的工具的數量應該保持到最小。包括副母片工具和副母片的中間步驟是合適的方式，其中，副母片作為用于工具生產的母片，其用于復制品的大規模生產。例如，副母片可以由與最終的復制品相同的環氧樹脂制成。副母片的額外步驟導致復制品的可能的數量進一步倍增。
在圖14-16中，示出了從母片構造或者副母片制作復制工具的過程。母片或者副母片31放置在諸如玻璃板等的載體元件32上，例如固定到其上(圖14)。接下來，液體或者粘性材料35，諸如PDMS，灌注到母片或者副母片31上，以完全覆蓋它。然后，剛性背板33放置在材料的頂部上(圖15)。
剛性背板提供復制過程中的改進的穩定性。其可以由玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)或者任何其它合適的尺度剛硬，基本硬的材料制成。
外部隔離物元件34使其位置為水平，以及控制復制工具的總體厚度。根據液體或者粘性材料和剛性背板的粘附特性，粘合層(諸如環氧樹脂層等，沒有顯示)可以放置在剛性背板和液體或者粘性材料之間。作為一種選擇，背板可以旋涂有增粘劑，然后干燥。然后，將液體或者粘性材料硬化——在PDMS工具的例子中，通過在室溫下或者在升高的溫度下干燥——以提供剛硬工具，可能具有一些剩余的彈性。最終，可以去除母片或者副母片(圖16)。母片或者副母片可以——不僅僅在這個例子中——另外具有諸如Teflon層之類的特殊的釋放層，以易于從母片或者副母片釋放工具。
當然，在圖2-4中所示的方法可以使用具有如該附圖中所示的剛性背板34的工具來執行。
復制工具的底部視圖的一個例子如圖17所示。該復制工具包括規則布置的隔離物1c的圖形，該隔離物可以位于用于以后切割過程的軌跡上。在用于復制微型光學部件的復制表面1a上具有負構造特征的位置由填滿的圓圈表示。微型光學特征也可以包括正構造特征，即，在隔離物的方向上延伸。那么，重要的是，隔離物比最深的正微型光學構造更突出。圖17中的模壓表面(包含微型光學功能)是毗鄰的，而隔離物部分包括多個離散的隔離物1a。
隔離物的典型寬度為大約100-1000微米，典型高度為大約2-200微米。通常，隔離物以大約0.5-200mm，0.5-20mm或者0.5-Smm的間距(相鄰隔離物之間的距離)布置。
所有上面描述的制作過程可以在完整的晶片(尺寸直徑2”到8”)上進行。
與圖17的相比，圖18的復制工具包括毗鄰的隔離物部分。相反，具有負構造特征的復制表面1a′包括多個在隔離物部分中的缺口(由具有倒圓的邊緣的矩形表示)中的離散復制表面。
其它隔離物部分形狀是可能的，例如，隔離物部分可以是隔離物柵格，包括多個隔離物環等。
根據特殊的實施例，隔離物部分以這樣的方式布置，即，在復制過程期間，優化控制流體動力學。例如，隔離物部分可以包括在預期的復制區域的邊緣處的一個或者幾個完全或者不完全的邊界或者環中布置多個隔離物或者毗鄰的隔離物部分(以及至少部分圍繞它)，以在模壓過程期間阻止流動或者重新引導未固化的復制材料。這可能是特別需要的，以便防止任何復制設備污染。在該實施例的更一般的形式中，這樣描述的“流動阻止隔離物”也可以作用為形成隔離的復制區域，以及具有孔的復制區域(即，非復制的部分)或者任意限定的輪廓。
如圖19所示，復制工具還可以包括對準構造，諸如對準銷1f或者多個對準銷，用于在某個的復制過程中定位復制工具。在復制過程期間，對準銷接合相應的負構造。作為一種選擇或者另外，工具可以包含光學對準標記(諸如十字)，其在復制過程期間支持相對于基底的光學對準或者在雙面復制期間的光學對準。
在雙面復制過程中，對準是特別重要的。圖20和21示出了雙面復制過程的示意圖。在第一方法(圖20)中，兩個對準的工具36、37放置在鑄造自動機械中的復制品的頂部側和底部側上。通過這樣的布置，復制過程如下工作。首先，環氧樹脂(當然，其可以由其它合適的塑性可變形的、粘性的或者液體材料來替代)在底部工具37的頂部上分配。然后，基底38——例如由玻璃或者其它透明材料制成——以一定的距離放置在底部工具37的頂部上，該距離決定底部側上的復制層的厚度，且其由隔離物部分很好地限定。接下來，通過暴露到UV光來硬化環氧樹脂，以完成底部側復制的過程。對于頂部側復制，環氧樹脂在玻璃基底38的頂部上分配。然后，頂部工具放置在由隔離物部分很好地限定的相對于基底的一定的距離處，以進行頂部側的復制。在頂部復制層進行UV曝光以后，完成了復制過程。
還有一種復制方法在圖21中顯示。在第一步驟中，在基底的頂部側上進行復制過程(壓印和UV固化)。然后，上下翻轉基底，且在基底的第二側上重復復制。在每個復制過程期間，第二復制必須對準第一復制。這樣的過程很類似于目前可以在掩模對準器上進行的過程。
雙面元件的復制方法在前/后側對準以及在復制層厚度中具有很嚴格的公差。兩者都可以嚴格到1-2微米的范圍內或者甚至更嚴格。對于雙面元件，復制的總的平面度很重要；通過根據本發明的復制方法和復制工具能夠解決該要求。此外，對于一些雙面元件，隔離物設計對光學功能的影響可能比在單面元件中更加顯著。
在圖22中很示意性地顯示的復制工具101包括隔離物部分1c，其不是嚴格規則的。此外，其復制表面101a沒有限制到一個水平，而是替代地為多級復制表面。復制工具101還包括用于形成具有機械功能的復制的特征的特征101g。
顯示的實施例可以以很多方法改變。特別地，所述的形狀和材料只是例子其它形狀和材料以及材料的組合都是可能的。特別地，母片、副母片、工具和/或復制品可以由改變材料組分的幾個部分構成。
權利要求
1.一種用于制造具有帶有構造特征的構造表面的元件(3)的過程，其包括的步驟為a.提供一種復制工具(1，101)，其在復制表面(1a，1a′，101a)上具有為構造特征的至少一些的負片的負構造特征，以及還具有從復制表面突出的隔離物部分(1c，1c′，101c)，b.提供具有以塑性可變形或者粘性或者液體狀態的材料成分的初級產品，以及c.使所述材料成分與所述復制表面接觸，而隔離物部分鄰接停止表面，從而從復制表面復制該構造表面。
2.根據權利要求1所述的過程，其特征在于，在步驟c以后，硬化該材料成分，此后去除復制工具(1，101)。
3.根據權利要求1或者2所述的過程，其特征在于，材料成分為環氧樹脂。
4.根據前述權利要求中的任何一項所述的過程，其特征在于，在步驟b和c中，復制工具(1，10)靠著初級產品運動，且壓靠初級產品，直到隔離物鄰接停止表面，從而復制過程為模壓過程。
5.根據權利要求1-3中的任何一項所述的過程，其特征在于，在步驟b和c中，復制工具(1，101)放置在用作所述停止表面的硬的表面上或者下面，隔離物部分鄰接所述硬的表面，然后，所述材料成分在所述復制工具和所述硬的表面之間以粘性或者液體狀態注入。
6.一種用于以根據權利要求1-5中的任何一項所述的過程制造包括構造特征的構造元件的復制工具(1，101)，其包括在復制表面(1a，1a′，101a)上為構造特征的至少一些的負片的負構造特征，以及還具有從復制表面突出的隔離物部分(1c，1c′)。
7.根據權利要求6所述的復制工具，其特征在于，隔離物部分(1c)包括多個以規則圖形布置的隔離物。
8.根據權利要求6所述的復制工具，其特征在于，隔離物部分為毗鄰的。
9.根據權利要求6-8中的任何一項所述的復制工具，包括彈性材料成分，例如PDMS。
10.根據權利要求9所述的復制工具，還包括剛性背板(33)。
11.根據權利要求6-10中的任何一項所述的復制工具，還包括對準銷(1f)。
12.根據權利要求6-11中的任何一項所述的復制工具，其特征在于，隔離物部分以這樣的方式布置，即，至少一個隔離物部分邊界以在復制過程期間隔離物部分邊界至少部分確定復制區域的邊界，且形成流動阻擋件或者重新引導液體材料的方式圍繞復制區域形成。
13.一種用于制造復制工具(1，101)的方法，該復制工具(1，101)用于制造具有帶有構造特征的表面的構造元件，該方法包括的步驟為提供具有所述構造特征的至少一些的原物，以及從原物復制具有為所述構造特征的至少一些的負片的負構造特征的工具，其中，所述工具設置有從復制表面突出的隔離物部分。
14.根據權利要求13所述的方法，其特征在于，在原物中例如通過蝕刻制造相應于隔離物部分的負片的缺口。
15.根據權利要求13所述的方法，其特征在于，所述工具的復制包括的步驟為從原物復制母片工具，給母片工具提供涂層，以形成相應于隔離物部分的母片突出物的方式構造涂層，從母片工具復制副母片，以及從副母片復制工具。
16.一種裝備用于制造具有復制表面和隔離物部分的復制工具的母片或者副母片或者母片工具的方法，該母片或者副母片或者母片工具包括具有與要通過復制工具復制的微型光學部件或者其負片的構造特征相對應的構造特征的母片復制表面，該方法包括從母片或者副母片或者母片工具制造包括為復制工具的隔離物部分的負拷貝或者正拷貝的缺口部分的裝備的母片或者副母片，復制工具的隔離物部分從復制表面突出。
全文摘要
根據本發明，通過使用復制工具(1)在初級產品中復制/成形(模制或者模壓等)三維構造來制造微型構造的元件。復制工具包括從復制表面(1a)突出的隔離物部分(1c)。復制品(微型構造的元件，例如，微型光學元件或者微型光學元件部件)可以由環氧樹脂制成，其被固化，例如UV固化，而復制工具仍然在原位。復制過程可以是模壓過程，其中，要被成形的初級產品的可變形的或者粘性或者液體成分放置在表面上，然后，復制工具壓靠該表面。作為一種選擇，復制過程可以是模制過程。
文檔編號B29D11/00GK1745319SQ200480003048
公開日2006年3月8日 申請日期2004年1月23日 優先權日2003年1月29日
發明者H·魯德曼恩, A·馬西奧塞克, M·羅斯 申請人:赫普塔岡有限公司