晶圆级微透镜阵列的压印固化设备、制造方法及应用与流程

1.本发明涉及纳米压印技术领域以及光学元件制造技术领域，尤其是涉及一种晶圆级微透镜阵列的压印固化设备、晶圆级微透镜阵列的制造方法，以及可编辑uv固化光源在纳米压印领域中的应用。


背景技术：

2.纳米压印技术是制备纳米尺度图案的一种方法，具有工艺简单、成本低廉的优点，可用于半导体器件制备以及晶圆级微透镜阵列的制备。该技术是通过压印模具将纳米尺度的图案压印至uv胶，再经过固化以及后续的工艺步骤制备半导体器件。
3.现有技术中，通常采用固定波长的光源，形成固定形状、固定尺寸的光束，一次性固化光源照射范围内的uv胶水，形成批量化制造的微透镜阵列。而uv胶水一般由单分子或聚合物构成，通常采用紫外光照射固化。纳米压印材料因为材料特性，收缩率在1%-10%，在一些情况下，因uv胶收缩造成较大的面型精度损失，特别是在产品结构厚度差异较大的情况下，这种因收缩造成的面型精度损失将严重影响产品的功能以及可靠性。


技术实现要素：

4.本发明的一个目的是提供一种收缩率可控、面型精度高、良品率高的晶圆级微透镜阵列的压印固化设备。
5.为了达到上述的目的，本发明提供了一种晶圆级微透镜阵列的压印固化设备，包括具有图形化微结构的压印模具、可编辑uv固化光源以及测量模块，所述的可编辑uv固化光源包括：uv灯，用于发射紫外光;匀光系统,用于将所述的uv灯发出的光均匀地照射在数字微镜芯片上;dlp投影模块，包括可编程数字控制器和数字微镜芯片，所述的dlp投影模块用于提供一光强可调、照射图案、照射面积以及曝光时间可调的照射光束；所述的测量模块用于采集纳米压印材料的收缩量，所述的dlp投影模块被配置为能够根据所述的测量模块反馈的收缩量调整所述的照射光束的光强、照射图案、照射面积和曝光时间中的至少一个参数。
6.通过上述方案的实施，本技术实现了通过数字方式对纳米压印的固化速度、固化能量、固化深度进行控制实现逐层固化、分步固化。使纳米压印材料在固化过程中收缩可控，最大限度的复制原模精度。
7.在一个实施例中，所述的压印固化设备还包括固定平台、沿光轴方向设置的一对z轴以及z轴伸缩补偿机构。所述的z轴伸缩补偿机构包括驱动电机以及压力传感器，所述的驱动电机响应于压力传感器的反馈，以调节所述的压印模具的高度。其中，压力传感器安装在压印模具靠近基底的一侧表面，而驱动电机的固定端安装在固定平台上，活动端固定连接所述的压印模具上，压印模具在驱动电机的作用下可沿光轴方向上下移动。
8.在一个实施例中，所述的测量模块采集所述的纳米压印材料在光轴方向上的收缩量。在一个实施例中，所述的测量模块为测距仪，安装在z轴的顶部。
9.在一个实施例中，所述的压印固化设备还包括计算机系统，所述的计算机系统与所述的测量模块、dlp投影模块以及z轴伸缩补偿机构分别通讯连接，所述的计算机系统还包括处理器和存储器，所述的存储器内预存有计算机程序，所述的处理器被配置为执行所述的计算机程序以实现：向所述的dlp投影模块提供一投影信息，以发射照射光束使部分纳米压印材料固化；检测所述的纳米压印材料在光轴方向上的收缩量；基于所述的收缩量调整所述的投影信息的参数，以保证所述的纳米压印材料的收缩量始终小于等于设定收缩量阈值，所述的参数包括光强、照射图案、照射面积以及曝光时间中的一种或两种以上；多次照射直至所述的纳米压印材料被全部固化。
10.在一个实施例中，可编辑uv固化光源还包括成像系统，所述的成像系统用于将所述的数字微镜芯片反射的光线放大后出射。
11.本发明的另一个目的是提供一种晶圆级光学透镜的制造方法，可实现对微透镜面型的可控固化，减少固化缺陷。
12.为了达到上述的目的，本发明提供了一种晶圆级微透镜阵列的制造方法，包括以下步骤：1）.提供一带有图形化微结构的压印模具，用所述的压印模具对涂布在透明基底上的uv纳米压印材料进行压印，所述的基底垂直于一光轴方向设置；2）.提供一可编辑uv固化光源；3）.提供一投影信息，所述的投影信息包含预定照射光束的光强、照射图案、照射面积以及曝光时间信息；4）.响应于所述的投影信息,所述的可编辑uv固化光源对所述的uv纳米压印材料渐进照射，使所述的uv纳米压印材料逐步固化；5）.分离所述的压印模具与所述的uv纳米压印材料。
13.进一步地，该方法还包括在步骤3中，实时采集所述的uv纳米压印材料在光轴方向上的收缩量，以及基于所述的收缩量调整所述的投影信息，使所述的收缩量始终小于等于设定收缩量阈值。
14.在一个实施例中，当所述的收缩量大于预定收缩量阈值时，调整所述的投影信息的参数，以降低所述的uv纳米压印材料的固化速度。
15.在一个实施例中，当所述的收缩量大于预定收缩量阈值时，调低光强度、减小照射面积和减少曝光时间中的任意一种或两种以上。
16.在一个实施例中，步骤3中，所述的渐进照射是在沿光轴方向逐层照射固化所述的纳米压印材料。
17.在一个实施例中，步骤3中，所述的渐进照射是在垂直于光轴的平面上划分多个区域，对所述的纳米压印材料逐个区域进行照射。
18.在一个实施例中，步骤3中，所述的渐进照射是对所述的压印模具上的若干个微结构进行分批照射。
19.在一个实施例中，步骤3中，对应于各所述微结构的照射光束的照射面积是逐渐增加的。
20.在一个实施例中，步骤3中，对应于各所述微结构的照射光束的是从各所述微结构的中央向边缘逐渐照射的。
21.本技术还提供了一种可编辑uv固化光源在纳米压印领域中的应用，所述的可编辑uv固化光源为dlp投影光源，所述的应用是采用可编辑uv固化光源渐进照射并分步固化纳米压印材料，以实现纳米压印材料的可控收缩。
22.在一个实施例中，通过调节所述的可编辑uv固化光源出射光的照射面积、照射强度或照射图案调节纳米压印材料的固化速度和收缩量。
23.本技术的优点是，通过可编辑uv固化光源，调节照射光束的强度、面积、形状等参数，以实现对纳米压印材料固化过程的尺寸可控、图案可控、曝光时间可控、能量可控；同时，由于固化过程渐进完成，不会产生过大的材料收缩，而是在部分材料固化的同时，其他部分纳米压印材料仍保持流动性，从而填补收缩部分，使压印产品整体收缩率降低，最大限度的复制原模精度，这在微透镜阵列的制备过程中具有重要意义，避免压印过程中造成的面型精度损失，减少固化缺陷，增加产品可靠性，且具有较高的可重复性。
附图说明
24.图1为本技术的压印固化设备的光路示意图；图2为纳米压印材料的固化区域变化的主视示意图；图3为纳米压印材料的固化区域变化的俯视示意图；图4为实施例一中，采用传统技术固化混合镜头的结构示意图；图5为实施例一中，利用本技术的制造方法得到的混合镜头的结构示意图；图6为实施例二中，采用本技术的制造方法制备混合镜头的照射流程图。
25.其中：1、uv灯；2、匀光系统；3、可编程数字控制器；4、数字微镜芯片；5、成像系统；6、压印模具；7、测量模块；71、固定平台；72、z轴；8、纳米压印材料；80、基底；81、第一固化层；82、第二固化层；83、第三固化层；91、不受控边界；92、真空孔。
具体实施方式
26.为详细说明发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。在下面的描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以提供对发明的各种示例性实施例或实施方式的详细说明。然而，各种示例性实施例也可以在没有这些具体细节或者在一个或更多个等同布置的情况下实施。此外，各种示例性实施例可以不同，但不必是排他的。例如，在不脱离发明构思的情况下，可以在另一示例性实施例中使用或实现示例性实施例的具体形状、构造和特性。
27.参见图1，一种晶圆级微透镜阵列的压印固化设备，包括具有图形化微结构的压印模具6、可编辑uv固化光源、测量模块7、固定平台71以及沿光轴方向延伸的z轴。待加工的基底80材料安装在固定平台71上，基底80上涂覆有纳米压印材料8，压印模具6、可编辑uv固化光源、测量模块7沿光轴方向依次设置，通常压印模具垂直于光轴方向。通过可编辑uv固化光源，调节照射光束的强度、面积、形状、曝光时间等参数，实现对纳米压印材料固化过程的渐进固化，使纳米压印材料的固化尺寸可控、图案可控、时间可控、能量可控。
28.具体来说，成型模块6上通常形成有由若干凹曲面形成的微结构，这些凹曲面按照所要加工的微透镜的面型设计，这些微结构以阵列形式排布。在制造混合镜头时，这些凹曲面还可以由多个不同曲率的曲面构成。成型模块6安装在一z轴伸缩补偿机构上（z轴方向平行于光轴方向），使成型模块6能够在纳米压印材料收缩的情况下始终贴合其表面。
29.z轴伸缩补偿机构包括安装在固定平台71上的驱动电机以及安装在成型模块6的下表面上的压力传感器，成型模具6通过驱动电机相对z轴上下升降。压印固化设备的顶部设置有测量模块7。测量模块用来测量成型模块6成型过程中因纳米压印材料收缩造成的高度变化，材料收缩越快，高度变化越大。测量出来的高度数据将反馈给计算机系统，调整可编辑uv固化光源的固化参数，使纳米压印材料匀速固化。
30.本技术的可编辑uv固化光源包括以下部件。
31.uv灯1，用于发射紫外光，uv灯可选用紫外led灯或uv灯管。
32.匀光系统2,用于将uv灯1发出的光均匀地照射在数字微镜芯片上。可选的，匀光系统由一组光学镜头构成。
33.dlp投影模块，包括可编程数字控制器3和数字微镜芯片4（dmd芯片），dlp投影模块用于提供一光强可调、照射图案和照射面积大小可调的照射光束。数字微镜芯片4的表面具有若干个相互独立的反光微镜，可将照射光束划分为无数个小单元，每个小单元可以独立动态控制，可以实现对纳米压印材料固化过程的尺寸可控、投影图案可控、时间可控、能量可控。可编程数字控制器3响应于外部的输入数字信号，驱动若干个反光微镜偏转，从而可以实现对出射光的照射强度、照射面积、照射图案的变化。可选的，dlp投影模块采用ti公司1080p uv dmd产品。
34.在本技术的一个实施例中，可编辑uv固化光源还包括成像系统，成像系统用于将数字微镜芯片反射的光线放大后出射。
35.请继续参阅图1，测量模块7用于采集纳米压印材料8的收缩量，并将收缩量反馈到可编程数字控制器3。dlp投影模块能够根据测量模块7反馈的收缩量调整照射光束的光强、照射图案、照射面积大小以及曝光时间。强度和时间决定胶水接收的曝光能量，当纳米压印材料8局部受到的曝光能量超过材料固化的临界曝光量时，纳米压印材料就会固化。
36.在本技术的一个实施例中，测量模块7采集的是纳米压印材料8在光轴方向上的收缩量，测量模块7具体为高精度测距仪。
37.在一些其他实施例中，测量模块还可以采集纳米压印材料在垂直于光轴方向上的收缩量，或者同时采集沿光轴和垂直于光轴两个方向上的收缩量。
38.在本技术的一个实施例中，本技术的压印固化设备还包括计算机系统，计算机系统与测量模块7、dlp投影模块以及z轴伸缩补偿机构分别通讯连接。计算机系统还包括处理器和存储器，存储器内预存有计算机程序。该处理器进一步被配置为执行该计算机程序以实现：基于投影信号发射一照射光束以固化部分纳米压印材料，投影信号中以数字形式记载着多个反光微镜的开关以及时间；检测纳米压印材料的收缩量；基于收缩量调整该投影信号，改变照射光束的参数，参数包括光强、曝光时间、照射图案和照射面积大小；其中，照射图案可以是条形、环形、圆形、扇形、矩形等任意形状；
多次照射直至纳米压印材料被全部固化。
39.上述存储器中还预存储有收缩量阈值，当测量模块反馈的实时收缩量大于该收缩量阈值时，可选择降低照射光束的光强、减小曝光时间或降低照射面积，或同时降低光强、减小曝光时间和照射面积，也可以综合调整多个参数，使纳米压印材料分批、分层、分区逐步固化。
40.本技术的压印固化设备的工作原理是：由uv灯发出的紫外光线，由匀光系统进行匀光，使uv光均匀分布，并进入dlp投影模块，由dlp投影模块实时地进行开关、角度调节、延时调节等控制；从而实现照射光束的图案、光强、时间的实时控制。测量模块能够实时监控固化过程中的纳米压印材料的收缩，并将相应的收缩量反馈到dlp投影模块实时调整照射光束，实现闭环控制。
41.在微透镜阵列的加工制造过程中，利用本技术的压印固化设备可以更灵活的控制纳米压印材料的固化条件，更精确的控制镜头面型，通过照射光束的调整，可以实现自由曲面的加工，极大的提升了纳米压印工艺的可拓展性，比如改变照射光束的出射形状，实现多个微透镜的分区固化；改变照射光束的能量，实现多个微透镜的固化速度分区控制等等。
42.本技术还揭示了一种晶圆级微透镜阵列的制造方法，包括以下步骤：1）.提供一带有图形化微结构的压印模具，用压印模具对涂布在透明基底80上的uv纳米压印材料进行压印；2）.提供一可编辑uv固化光源，可编辑uv固化光源可提供一光强可调、照射图案和照射面积大小可调的uv照射光束；2）.提供一投影信息，投影信息包含预定照射光束的强度信息、曝光时间、照射图案以及照射面积信息；3）.响应于投影信息,可编辑uv固化光源对uv纳米压印材料渐进照射，使uv纳米压印材料逐步固化；4）.分离压印模具与uv纳米压印材料。
43.为更好的控制微透镜阵列的面型，在对纳米压印材料照射的过程中，还实时采集uv纳米压印材料在光轴方向上的收缩量，并基于收缩量实时调整投影信息，使收缩量始终小于等于设定收缩量阈值。该收缩量可以是沿光轴方向的收缩量，也可以是垂直于光轴方向的，或者同时包含光轴方向和垂直于光轴方向的收缩量。
44.在本技术的一个实施例中，当采集到的收缩量大于预定收缩量阈值时，自动调整所述的投影信息的参数，以降低所述的uv纳米压印材料的固化速度，比如调低光强度、减小照射面积或减少曝光时间，或同时降低光强、减小照射面积和减少曝光时间。
45.步骤3中，所述的渐进照射是在沿光轴方向逐层照射固化所述的纳米压印材料。参见图2、3所示，为本技术的一个简单应用，图中仅示出了微透镜阵列中的其中一个透镜单元的固化过程示意图，图2是固化过程的主视图，图3显示了纳米压印材料固化区域的变化图。该透镜采用高分子材料采用压印工艺制作，并采用可编辑uv固化光源进行分层多次照射使其固化。其中，基底80为玻璃或硅衬底等透明材料，纳米压印材料经过多次照射后，先后形成第一固化层81、第二固化层82、83、第三固化层；第一固化层81被固化以后形成部分收缩量，然而由于上方仍有部分未固化的材料，可以补齐收缩部分，经过多次渐进的固化，使纳米压印材料被逐步固化，从而可以更精确地控制透镜面性，实现高质量的曲面加工。
46.本技术的其他实施例中，渐进照射还可以是在垂直于光轴的平面上划分多个区域，对纳米压印材料逐个区域进行照射，这些区域可以是圆形、环形、条形或扇形等形状。在一些实施例中，渐进照射还以既分层又分区的方式逐步照射。又或者，渐进照射采取对若干个微结构进行分批照射。
47.下面结合两个具体实施例对本技术的制造方法进一步说明：实施例1，制备具有混合镜头的晶圆级微透镜阵列参见图4所示，在传统方案中，纳米压印材料8通过压印模具将uv胶水限制在玻璃基底80上，玻璃基底可以是平面，球面，非球面等光学表面，将玻璃基地80放置在固定平台71上，并使压印模具6向下覆盖在玻璃基地80的上方。uv 胶水可以涂布在玻璃基底的单面或双面。通过传统的uv光源一次性固化，在固化过程中胶水收缩容易出现外观缺陷，如真空孔92和边缘不受控制边界91，严重影响产品的良率和稳定性。
48.真空孔将影响产品的面型，进而影响产品的功能。而边缘的不受控边界会影响产品的组装。在高低温冲击等可靠性要求下，这些外观缺陷将出现胶层的开裂和分层等问题。
49.图5所示，为采用本技术的制造方法加工得到的晶圆级微透镜阵列的一个微透镜单元的示意图，其中微透镜为混合镜头透镜，由玻璃基底80和纳米压印材料8组成，纳米压印材料为uv胶。采用本技术的压印固化设备制造，通过可编辑uv固化光源调整照射光束的照射面积以及光强（比如通常从内向外照射，也可以根据lens形状设定），保证在固化区域内的纳米压印材料无真空气泡，以及边缘可控，进而提升可靠性。制造过程可以通过测量模块即使调整反馈收缩量，实现全过程的自动控制，可满足高良率和低成本的要求。本技术的压印设备和制造方法针对大尺寸混合镜头此方案具有更明显的优势，可获得外观质量可控制的混合镜头产品。
50.实施例2，本实施例中利用本技术的制造方法，实现混合镜头面型的控制。
51.参见图6所示，制造具有复杂面型的微透镜阵列，在用可编辑uv固化光源进行照射时，首先采用较小面积的照射光束对面型中心部分固化，窄光束可以保证在固化的过程中z轴收缩率最小，随着面型的变化缓慢增大照射面积，减慢的光斑尺寸在非常薄的区域内，可以控制胶水收缩，避免固化出现的问题。固化过程中，胶水收缩可以不断从外界得到补充。固化过程中根据z轴收缩补偿和测量模块实时反馈的收缩变化控制可编辑uv固化光源的光斑形状、能量大小，固化时间，保证面型精度。
52.本技术还公开了可编辑uv固化光源在纳米压印固化设备中的应用，即，采用dlp投影光源多次照射逐步固化纳米压印材料，以实现纳米压印材料的可控收缩。
53.可编辑uv固化光源可以通过数字方式对纳米压印材料固化速度、固化能量、固化深度进行控制，实现逐层固化、分步固化，使纳米压印材料在固化过程中收缩可控，最大限度的复制原模精度，避免压印过程中造成的面型精度损失，减少固化缺陷，增加产品可靠性和可重复性。
54.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。