一种利用PDMS制作微凸透镜的方法技术

本发明专利技术涉及透镜制作技术领域，具体为一种利用PDMS制作微凸透镜的方法，包括清洗并烘干硅片、涂胶、光刻前烘烤、光刻、光刻后烘烤、制作微凸透镜、检测微凸透镜焦距共七个步骤。本发明专利技术通过两次烘烤、紫外曝光负性光刻胶等步骤，制成顶面为微凹透镜曲面的光刻胶膜板，再利用PDMS材料复制到光刻胶膜板顶面从而制得可安装到简易显微镜上的微凸透镜。本发明专利技术微凸透镜焦距的实际值与理论计算值的偏差小于5%，完全符合简易显微镜中物镜的使用要求，且具有制作成本低廉、方法简便、可大批量生产等优点，可广泛应用在科学教育领域。

【技术实现步骤摘要】
一种利用PDMS制作微凸透镜的方法
本专利技术涉及透镜制作
，具体为一种利用PDMS制作微凸透镜的方法。
技术介绍
由于光学透镜的规格差异大、外形尺寸要求精度高、体积小且要求曲率误差小等原因，精确度高的透镜均需要利用精密的加工设备和检测仪器才能制作完成。根据科学教育领域的应用需求，放大倍率在100-300倍即可满足教学要求，因此近年来一种精度不高但制作技术更为简便的玻璃珠显微镜受到业内的广泛关注，其制备方法为将细长玻璃棒用高温火焰烧融，在表面张力作用下出现球状液滴，冷却后形成直径很小的玻璃珠。一个直径2毫米的玻璃珠，放大倍率大约为150倍，满足常见的科学观察要求，但采用烧融玻璃棒来制成的球形透镜，一是几何尺寸难以控制，二是球体在重力作用下容易变形，三是融化过程中可能有气泡产生，因此最终难以大批量生产这类玻璃珠透镜。
技术实现思路
针对上述的问题，本专利技术一种利用PDMS制作微凸透镜的方法，通过两次烘烤、对负性光刻胶进行紫外曝光等步骤后，制成顶面为微凹透镜曲面的光刻胶膜板，再利用具有高弹性、稳定光学性能等特性的PDMS材料倾倒在光刻胶膜板的微凹透镜曲面上，剥离后即制成可安装到简易显微镜上的微凸透镜。本专利技术的微凸透镜经微透镜焦距检测系统检测后，微凸透镜焦距的实际值与理论值的误差小于5%，符合简易显微镜的使用要求。根据科学教育领域的实际需求，本专利技术可制成100、200、300、400倍等放大倍率的微凸透镜，而且具有制作成本低廉、方法简便、可大批量生产等优点，有效解决了上述问题。本专利技术采用的技术方案：一种利用PDMS制作微凸透镜的方法，其特征在于包括以下步骤：步骤（1）：清洗并烘干硅片，即先采用RCA清洗工艺清洁硅片，清洗完成后将硅片放在高温加热板上彻底烘干硅片表面的水分；步骤（2）：涂胶，即采用旋转涂胶法在硅片顶面涂布上一层厚度均匀的SU-8负性光刻胶；步骤（3）：光刻前烘烤，即将硅片置于烘箱内，使硅片底面与烘箱加热板充分接触，设置烘箱温度为60℃-70℃加热1-7分钟，加热结束后再将烘箱温度升温至92℃-98℃加热4-30分钟，加热结束后将硅片取出静置冷却至常温，然后用金属探针触碰SU-8负性光刻胶表面，若SU-8负性光刻胶表面没有粘性则进行下一步骤，若SU-8负性光刻胶表面有粘性则重复上述加热步骤直至SU-8负性光刻胶表面没有粘性为止；步骤（4）：光刻，即在SU-8负性光刻胶体顶面覆盖上一层光刻掩膜版，接着将硅片放在光刻机托盘中心，然后采用接触式光刻技术对SU-8负性光刻胶进行紫外曝光；步骤（5）：光刻后烘烤，即将硅片置于烘箱内，使硅片底面与烘箱加热板充分接触，设置烘箱温度为60℃-70℃加热1-7分钟，加热结束后再将烘箱温度升温至92℃-98℃加热6-12分钟，加热结束后取出硅片静置冷却至常温，冷却后的SU-8负性光刻胶形成光刻胶模板，光刻胶模板顶面为微凹透镜曲面；步骤（6）：制作微凸透镜，即把PDMS材料与固化剂按10:1的重量比混合搅拌后放入真空箱内排除PDMS内部气泡，再将PDMS倾倒在光刻胶模板顶面上，然后将硅片放入真空烘箱内，设置烘箱温度为45℃-55℃加热烘烤24小时，烘烤结束后取出硅片冷却至常温，然后将PDMS与光刻胶模板剥离即制作完成PDMS微凸透镜。首先SU-8负性光刻胶是一种近紫外线光刻胶，具有优异的机械性能、热稳定性和耐腐蚀性等优点，采用硅片作为基底，由于SU-8负性光刻胶在近紫外光范围内光吸收度很低，因此光刻胶层曝光量均匀一致时可得到具有垂直侧壁且高宽比为5至7的厚膜图形，其次聚二甲基硅氧烷PDMS是一种新型高分子聚合物材料，在可见光波长内透明度大于95%，具有高折射率、低成型温度等特性，且PDMS原材料价格便宜、光学性能稳定、具有良好的高弹性，能够与光刻胶表面紧密贴合从而保证了厚膜图形图案复制的精确度，同时PDMS能够承受200℃的高温并容易从光刻胶模板表面剥离，而且剥离时PDMS所形成的曲面微结构不易破坏，因此充分利用上述两种材料的特点，在清洁、干燥的硅片涂上一层厚度均匀的SU-8负性光刻胶，SU-8负性光刻胶经光刻前烤烘后变得没有粘性，再将光刻掩膜版覆盖在SU-8负性光刻胶上后进行紫外线曝光，然后进行光刻后烘烤，由于曝光交联的聚合物不会热溶，因此SU-8负性光刻胶曝光部分的形状不会发生变化，而未曝光的部分则在高温下热溶，所以SU-8负性光刻胶顶层在受热回流过程中受表面张力的作用而形成曲面，冷却后的SU-8负性光刻胶形成光刻胶模板，光刻胶模板顶面为微凹透镜曲面，再将PDMS倾倒在光刻胶模板顶面上进行烘烤，然后冷却、剥离即可制成PDMS微凸透镜。进一步的，所述RCA清洗工艺包括以下步骤：步骤（1）：将浓度为98%的H2S04和浓度为30%的H202按4:1比例配制成SPM溶液，用120℃-150℃的SPM溶液清洗硅片表面；步骤（2）：用20℃-25℃的稀HF溶液去除硅片表面的金属和氧化层，所述稀HF溶液由HF溶液和水按1:200的比例配制而成；步骤（3）：将氨水、双氧水、清水按1:1:5的比例配制成SC-1溶液，用80℃的SC-1溶液清洗硅片10分钟；步骤（4）：将盐酸、双氧水、清水按1:1:5的比例配制成SC-2溶液，用70℃的SC-2溶液清洗硅片10分钟。RCA清洗法依靠溶剂、酸、表面活性剂和水，可有效清除硅片表面污染物、有机物及金属离子污染，用SPM溶液去除硅片表面的有机物杂质，用DHF溶液去除硅片表面的铝、锌、铁等金属及氧化层，用SC-1溶液去除金属颗粒和金属污染物，用SC-2溶液可有效去除硅片的金属杂质。进一步的，所述旋转涂胶法是指通过旋涂机将SU-8负性光刻胶均匀涂布在硅片顶面，同时防止光刻胶出现气泡，旋涂结束后利用SU-8负性光刻胶的自平整效应静置40-50分钟即可去除旋涂产生的波纹。旋转涂胶法相比于喷雾法、流动法等涂胶方法，具有操作简单、保证涂胶厚度均匀和一致性等优点。进一步的，配制所述SC-1溶液时加入表面活性剂四甲基氢氧化铵溶液和鳌合剂乙二胺四乙酸溶液，所述四甲基氢氧化铵溶液浓度为2.38%且使用量为清水量的0.2%，每升所述SC-1溶液加入乙二胺四乙酸溶液100毫克。加入表面活性剂和鳌合剂使得SC-1溶液的清洗效果更好。进一步的，所述步骤（6）中，将PDMS倾倒在光刻胶模板前，先将全氟四氢辛基硅烷F13-TCS气化并冷却后均匀附着在光刻胶模板顶面形成抗粘层。加入抗粘层是为了防止PDMS与SU-8光刻胶模板剥离过于黏连，提高光刻胶模板的重复利用率。进一步的，涂胶厚度为70-180微米。进一步的，涂胶时，旋涂机转速为1000-6000rpm。进一步的，紫外曝光时，曝光剂使用量为150-360mJ/cm2。进一步的，检测微凸透镜焦距，即把被测PDMS微凸透镜放在精密位移台上，固体半导体激光器射出的激光经扩束准直系统照射到精密位移台的微凸透镜上，通过前后移动微凸透镜，使激光聚焦光斑成像到精密位移台的CCD相机上，CCD相机将成像的光信号转换成数字信号传输给计算机显示系统即可直接显示微凸透镜的实际焦距值，通过比较实际焦距值与理论焦距值即可知道PDMS微凸透镜是否合格。根据检测结果，PDMS微凸透镜焦距的实际测量值与理论计算值相比偏差小于5%即为合格。根据本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用PDMS制作微凸透镜的方法，其特征在于包括以下步骤：步骤（1）：清洗并烘干硅片，即先采用RCA清洗工艺清洁硅片，清洗完成后将硅片放在高温加热板上彻底烘干硅片表面的水分；步骤（2）：涂胶，即采用旋转涂胶法在硅片顶面涂布上一层厚度均匀的SU‑8负性光刻胶；步骤（3）：光刻前烘烤，即将硅片置于烘箱内，使硅片底面与烘箱加热板充分接触，设置烘箱温度为60℃‑70℃加热1‑7分钟，加热结束后再将烘箱温度升温至92℃‑98℃加热4‑30分钟，加热结束后将硅片取出静置冷却至常温，然后用金属探针触碰SU‑8负性光刻胶表面，若SU‑8负性光刻胶表面没有粘性则进行下一步骤，若SU‑8负性光刻胶表面有粘性则重复上述加热步骤直至SU‑8负性光刻胶表面没有粘性为止；步骤（4）：光刻，即在SU‑8负性光刻胶体顶面覆盖上一层光刻掩膜版，接着将硅片放在光刻机托盘中心，然后采用接触式光刻技术对SU‑8负性光刻胶进行紫外曝光；步骤（5）：光刻后烘烤，即将硅片置于烘箱内，使硅片底面与烘箱加热板充分接触，设置烘箱温度为60℃‑70℃加热1‑7分钟，加热结束后再将烘箱温度升温至92℃‑98℃加热6‑12分钟，加热结束后取出硅片静置冷却至常温，冷却后的SU‑8负性光刻胶形成光刻胶模板，光刻胶模板顶面为微凹透镜曲面；步骤（6）：制作微凸透镜，即把PDMS材料与固化剂按10:1的重量比混合搅拌后放入真空箱内排除PDMS内部气泡，再将PDMS倾倒在光刻胶模板顶面上，然后将硅片放入真空烘箱内，设置烘箱温度为45℃‑55℃加热烘烤24小时，烘烤结束后取出硅片冷却至常温，然后将PDMS与光刻胶模板剥离即制作完成PDMS微凸透镜。...

【技术特征摘要】
1.一种利用PDMS制作微凸透镜的方法，其特征在于包括以下步骤：步骤（1）：清洗并烘干硅片，即先采用RCA清洗工艺清洁硅片，清洗完成后将硅片放在高温加热板上彻底烘干硅片表面的水分；步骤（2）：涂胶，即采用旋转涂胶法在硅片顶面涂布上一层厚度均匀的SU-8负性光刻胶；步骤（3）：光刻前烘烤，即将硅片置于烘箱内，使硅片底面与烘箱加热板充分接触，设置烘箱温度为60℃-70℃加热1-7分钟，加热结束后再将烘箱温度升温至92℃-98℃加热4-30分钟，加热结束后将硅片取出静置冷却至常温，然后用金属探针触碰SU-8负性光刻胶表面，若SU-8负性光刻胶表面没有粘性则进行下一步骤，若SU-8负性光刻胶表面有粘性则重复上述加热步骤直至SU-8负性光刻胶表面没有粘性为止；步骤（4）：光刻，即在SU-8负性光刻胶体顶面覆盖上一层光刻掩膜版，接着将硅片放在光刻机托盘中心，然后采用接触式光刻技术对SU-8负性光刻胶进行紫外曝光；步骤（5）：光刻后烘烤，即将硅片置于烘箱内，使硅片底面与烘箱加热板充分接触，设置烘箱温度为60℃-70℃加热1-7分钟，加热结束后再将烘箱温度升温至92℃-98℃加热6-12分钟，加热结束后取出硅片静置冷却至常温，冷却后的SU-8负性光刻胶形成光刻胶模板，光刻胶模板顶面为微凹透镜曲面；步骤（6）：制作微凸透镜，即把PDMS材料与固化剂按10:1的重量比混合搅拌后放入真空箱内排除PDMS内部气泡，再将PDMS倾倒在光刻胶模板顶面上，然后将硅片放入真空烘箱内，设置烘箱温度为45℃-55℃加热烘烤24小时，烘烤结束后取出硅片冷却至常温，然后将PDMS与光刻胶模板剥离即制作完成PDMS微凸透镜。2.根据权利要求1所述的一种利用PDMS制作微凸透镜的方法，其特征在于所述RCA清洗工艺包括以下步骤：步骤（1）：将浓度为98%的H2S04和浓度为30%的H202按4:1比例配制成SPM溶液，用120℃-150℃的SPM溶液清洗硅片表面；步骤（2）：用20℃-25℃的稀HF溶液去除硅片表面的金属和氧化层，所述稀HF溶液由HF溶液和水按1:...

【专利技术属性】
技术研发人员：李耀俊，
申请(专利权)人：广西民族大学，
类型：发明
国别省市：广西,45