公告日2009/01/11

證書號  I305278

申請日2006/11/10

申請號 095141710

國際分類號
/IPC  G02B-005/18(2006.01)

公報卷期36-02

發明人

莊為群 CHUANG, WEI CHING
李昆益 LEE, KUN YI
陳嘉倫

申請人

 NATIONAL FORMOSA UNIVERSITY

摘要

本發明係有關一種繞射光柵元件模仁及光柵元件之製造方法,其係將光阻均勻地分散塗佈在該基板一面上,並將光柵圖案感光在該光阻上,且在該光阻具有光柵圖案的表面鍍上一層具導電性的第一金屬層,使該光阻表面具有導電性,再將已具有該光阻的該基板置於電鑄槽內進行電鑄加工,使該第一金屬層相反於該光阻的另面上沉積第二金屬層,直至該第二金屬層具有一適當厚度再停止電鑄加工,再將該基板自該光阻上脫除,並以光阻去除液將該光阻溶解去除,取出餘下的繞射光柵金屬模仁,再以該模仁應用在微熱壓成形技術軟式印刷之複製成形技術,以達到大量翻製具有較佳深寬比且特性穩定的繞射光柵元件之目的。

詳細說明

本發明係有關一種繞射光柵元件模仁及光柵元件之製造方法，尤指一種結合全像干涉微影技術與電鑄加工技術，而製成金屬模仁，並使該金屬模仁可應用在微熱壓成形技術及軟式印刷之複製成形技術而大量製作具有較佳深寬比且特性穩定的繞射光柵元件者。
由於奈米光學量測光學元件之發展日新月異，各界對於繞射光柵學元件的需求與品質的要求亦相當重視，繞射光柵元件廣泛應用於波長濾波器、感測器與光學量測技術上。繞射光柵元件的製作方法上不外乎利用全像術干涉微影、電子束寫入與雷射寫入。光纖元件架構中的繞射光柵部份普遍是利用雷射直接寫入及電子束寫入之方法製作，如高密度多工分波器(Dense Wavelength－Division Multiplexer)與光波長補/取多工器(Optical Add/Drop Multiplexing,OADM)。本發明中是以全像術干涉微影方式製作繞射光柵，此方法製作光柵其優點為，光柵週期最小可達雷射波長之半波長，可準確的控制光柵週期，製作大範圍光柵，且成本較低。而傳統利用電子束寫入之光柵技術，一方面由於目前產業發展是朝向光學元件積體化發展，亦即會將光學元件整合於微小晶片中，因而利用射直接寫入及電子束寫入的方法製作光通訊元件之繞射光柵便會產生許多待克服的問題，尤其成本昂貴且光柵週期製作上有較大的誤差，雷射寫入部份，由於受限於光點大小問題，所以無法製作小週期的光柵元件，以及元件結構材料感光性與否及材料相容性等問題。
本發明中配合微機電程技術，結合光蝕刻術，電鍍鑄模技術，以及微成形模造量產技術。製程是以LIGA的缺點進行改良，其製程使用不同於同步輻射X光源進行光刻術，要替代光刻法有紫外光微影，準分子雷射微加工及反應離子蝕刻等適用於製作微米左右尺寸的成品，優點是相較於LIGA製程其光源成本較低，空間較小，但相較下其精密度就變差，在於本發明中光源是以氦鎘雷射(He－Cd Laser)替代同步輻射X光製作繞射光柵。
一般應用全像術干涉微影技術製作光柵元件，普遍是直接將實驗上所需的光柵直接感光於元件上，作為該元件的架構之一，無法以同一光柵元件重複使用。本發明利用全像術干涉微影技術與LIGA－like技術之電鍍鑄模方式將繞射光柵元件製作為金屬模仁，可重複使用此金屬模仁來大量翻製光柵元件。
參考文獻
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2)L.Eldada,S.Yin,C.Poga,C.Glass,R.Blomquist,and R.A.Norwood,IEEE Photonics Technol.Lett.10,1416(1998)
3)Nishihara,H.,Y.Handa,T.Suhara,and J.Koyama,Electron－beam directly written micro gratings for integrated optical circuits,Proc.SPIE,239：134,1980.
本發明之第一目的，在提供一種製造用來翻製繞射光柵之金屬模仁的方法。其係包括有(a)準備基板；(b)將光阻均勻地分散塗佈在該基板一面上；(c)將已設計好的光柵圖案感光在該光阻上；(d)在該光阻具有光柵圖案的表面鍍上一層具導電性的第一金屬層，使該光阻表面具有導電性；(e)將已具有該光阻的該基板置於電鑄槽內進行電鑄加工，使該第一金屬層相反於該光阻的另面上沉積第二金屬層，直至該第二金屬層具有一適當厚度再停止電鑄加工；(f)將該基板自該光阻上脫除；(g)再以光阻去除液將該光阻溶解去除；(h)取出餘下的即為繞射光柵金屬模仁，而完成該繞射光柵金屬模仁之製造。
本發明之第二目的，在提供一種利用上述所製成的金屬模仁，來大量翻製具有較佳深寬比且特性穩定的繞射光柵元件。其係將上述本發明的金屬模仁應用在微熱壓成型與軟性印刷技術上，即採用高分子聚合體如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxance,PDMS)等材料，再配合配合微熱壓成形技術或軟式印刷(Non－photolithographic)之複製成形(Replica Molding,REM)技術來大量複製繞射光柵元件。
本發明之第三目的，在提供一種光柵的深寬比大於1的繞射光柵元件。例如當本發明所設計的繞射光柵之週期為0.5 μ m時，其所製成繞射光柵元件的光柵深度可達0.4 μ m以上，光柵結構的深寬比可達1以上。
請參看圖一至圖三所示，本發明用以製造繞射光柵元件(Diffraction grating)之模仁的製造方法，其方法技術的基本特徵，係包括有下列步驟：(a)準備基板(20)；(b)將光阻(21)均勻地分散塗佈在該基板 (20)一面上；(c)將已設計好的光柵(25)圖案感光在該光阻(21)上；(d)在該光阻(21)具有光柵(25)圖案的表面鍍上一層具導電性的第一金屬(22)層，使該光阻(21)表面具有導電性；(e)將已具有該光阻(21)的該基板(20)置於電鑄槽內進行電鑄加工，使該第一金屬(22)層相反於該光阻(21)的另面上沉積第二金屬(23)層，直至該第二金屬(23)層具有一適當厚度再停止電鑄加工；(f)將該基板(20)自該光阻(21)上脫除；(g)再以光阻去除液將該光阻(21)溶解去除；(h)取出餘下的即為繞射光柵金屬模仁(24)，而完成該繞射光柵金屬模仁(24)之製造。
本發明具體實施例，可分為下列幾個部份來做詳細說明。
(A)繞射光柵圖案的設計：
本發明係以全像術干涉微影系統架構來配合製作繞射光柵圖案，其光學系統架構請參看圖一所示。在此實施例中所使用的光源(10)為氦鎘雷射(He－Cd Laser)，波長為325nm，功率為60Mw。首先將雷射光束經由分光鏡(11)後分成兩束光強度相同的平面波，並使該兩平面波分別經由二反射鏡 (12)(13)後交會於一干涉平面(14)上，此時在此平面(14)上由於兩束光的平面波產生干涉而形成繞射光柵圖案。兩束平面波入射一平面之角度分別為θ 1 與θ 2 ，根據光學全像干涉原理可精確推算出光束入射干涉平面(14)之角度與繞射光柵之週期關係，光柵的週期如方程式T＝λ/2sin θ．．．．．．．．．．．．．．．．(1)
其中方程式(1)中的T是光柵週期，λ是電射光的波長，θ是雷射光入射干涉平面的入射角。因全像術干涉微影架構中利用一旋轉微位移器(15)改變入射光束平面波W1的入射角度，進一步精確的控制繞射光柵之週期，所以在光學干涉架構上可利用旋轉微位移器(15)之調整而得出各個製造上所需的繞射光柵週期。例如，若θ被調整到18．96°，其週期T就等於0.5 μ m。
(B)繞射光柵圖案的轉移：
本發明具體實施例，是採用黃光微影技術，其流程請配合參看圖二，在本發明的具體實施例中是以玻璃作為基板(20)，將其裁切成2cm x 1cm的規格，先利用超音波震洗機對該玻璃基板(20)清洗以去除其表面上的雜質，而後再利用旋轉塗佈機(spin－coating)將光阻 (Photo－resister)(21)均勻地分散塗佈在玻璃基板(20)，其中，旋轉的條件是以2500~3500rpm(本實施例為 3000rpm)連續旋轉15~25(本實施例為20秒)，且光阻的厚度約0.45 μ m，再將基板(20)置入一般烤箱中以80~10℃(本實施例為90℃)連續100~140秒(本實施例為120秒)的條件做第一次烘烤，藉以將光阻上過量的溶劑移除。再將基板置於一夾具上做曝光，即置放在上述全像術干涉微影系統的兩束光的平面波的干涉平面(14)上(請配合參看圖一所示)，啟動已預設好可產生所需之光柵圖案的全像術干涉微影系統，該全像術干涉微影系統的雷射光束乃產生兩束平面波，並投射在置放在該干涉平面(14)上的基板(20)上之光阻(21)，進而將已調整好預設的光柵圖案感光於光阻(21)上，當光阻(21)感光後，其光阻(21)表面便產生與設計上相同的繞射光柵(25)圖案。完成後又將基板置入烤箱中以100~120℃(本實施例為110℃)連續100~140秒(本實施例為120秒)的條件再做一次烘烤。再將基板置入顯像劑中25~35秒(本實施例為30秒)後，即可在光阻上產生繞射光柵，圖四所示是以光學顯微鏡所觀察到光阻(21)上已產生有繞射光柵(25)的結果。其中，當曝光時間為3分鐘時，其光柵週期為0.5 μ m的光柵深度是0.4 μ m，而光柵週期為0.7 μ m的光柵深度是0.45 μ m。顯然，以本發明的製作技術，可以很容易地獲得具有大深寬比的光柵，也因此本發明所製成的光柵具有很優異的繞射光柵效能。
請參看圖四所示，其顯示以AFM來量測光阻之光柵形態的結果。當所設計的光柵週期為0.5μm，而且曝光時間為2.5分鐘時，以AFM量測的結果顯示其光柵週期為0.5 μ m，光柵深度是330nm。而且，當所設計的光柵週期為0.7 μ m，而且曝光時間為3分鐘時，以AFM量測的結果顯示其光柵週期為0.703 μ m，光柵深度是452nm。從以上的量測結果，確實可以驗證，以本發明的製作技術，可以很精確地控制繞射光柵的縱橫比。
(C)製造繞射光柵元件之模仁的成型：
本發明具體實施例中，係以電鑄技術製造模仁，其製作流程請參看圖三所示。由於在光阻甫感光有繞射光柵圖案時仍為不導電之材料，所以為了後續電鑄成形得以實行，在本具體中實施例是以高週波濺鍍的方式，而在光阻具有繞射光柵的該面上濺鍍一層鎳金屬以做為第一金屬(22)層，使該光阻(21)具有繞射光柵的表層具有導電性，接著將基板(20)連同光阻(21)及第一金屬(22)層置於電鑄槽中，並使第一金屬(22)層與陰極連接，並於電鑄槽中陽極連接做為第二金屬(23)的鎳金屬，使電鑄槽內進行氧化還原作用，利用氧化還原的原理，使陽極的鎳金屬離子沉積於連接在陰極的第一金屬(22)層而形成第二金屬(23) 層，直至第二金屬(23)層達到適當厚度再停止電鑄。再將基板(20)自光阻(21)上脫除，並以光阻去除液丙酮配合超音波震洗機，使其光阻(21)層溶解去除，再取出餘下的繞射光柵金屬模仁(24)，即完成金屬模仁(24)的製造。
本發明繞射光柵圖案主要是以原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope,AFM)與掃瞄式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)量測與觀察；請參看圖二所示，根據原子力顯微鏡AFM所量測之結果，可得知繞射光柵(25)於光阻(21)上時，本發明已可精確的控制繞射光柵(25)的深寬比。請參看圖五所示，本發明利用SEM量測繞射光柵金屬模仁(24)之元件表面結構，由數據之結果顯示本發明已可將繞射光柵元件順利地製作成金屬模仁(24)，且精確控制繞射光柵元件的深寬比，金屬模仁的厚度為1.55mm，其上的光柵的結構仍是相當良好。本發明在實試過程中，以AFM和SEM量測的結果中，顯示光柵週期為0.703 μ m時，光柵深度是448nm；光柵週期為0.507 μ m時，光柵深度是328nm，此結果幾乎與原始設計的光柵形態相同。
最後，上述本發明所製成的金屬模仁便可應用在微熱壓成型與軟性印刷技術上，亦即採用本發明的金屬模仁，並採用高分子聚合體如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 或聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxance,PDMS)等材料，再配合微熱壓成形技術或軟式印刷 (Non－photolithographic)之複製成形(Replica Molding,REM)技術來製造成繞射光柵元件，本發明實施例是將稀薄的PDMS撚覆在金屬模仁上，經保持潮溼而使之硬化，進而使PDMS很容易地自金屬模仁脫離，即可獲得PDMS光柵。同樣地，請配合參看圖四所示，本發明PDMS光柵橫斷面以AFM和SEM，以及以氦鎘雷射(He－Cd Laser)方式所作的Raman－Nath繞射實驗來量測。從雷射光束的繞射形態，其光柵週期被計算出來，而且是符合AFM及SEM的量測結果。而且，由圖四與圖五的量測比較，可明確發現繞射光柵深寬比均可達1以上。由於光阻的感光時間與繞射光柵的深度有相對應的關係，以繞射光柵週期為0.5 μ m為例；當本發明所設計的繞射光柵之週期為0.5 μ m時，其所製成繞射光柵元件的光柵深度可達0.4 μ m以上，光柵結構的深寬比可達1以上，顯示其繞射光柵之繞射效應相當穩定，亦即表示本發明所製得的繞射光柵金屬模仁可重複使用，且可穩定及大量地生產各式各樣不同材料的繞射光柵元件。
以上所述，僅為本發明之可行實施例，並非用以限定本發明之專利範圍，舉凡依據下列申請專利範圍所述之內容、特徵以及其精神而為之其他變化的等效實施，皆應包含於本發明之專利範圍內。
綜上所述，本發明所具體界定於申請專利範圍之技術特徵，未見於同類技術而具新穎性，且較習知技術具進步性，並能供產業充份利用，已符合發明專利要件，爰依法具文提出申請，謹請 鈞局依法核予專利，以維護本申請人合法之權益。
(10)．．．雷射光源
(11)．．．分光鏡
(12)(13)．．．反射鏡
(14)．．．干涉平面
(15)．．．微位移器
(20)．．．基板
(21)．．．光阻
(22)．．．第一金屬
(23)．．．第二金屬
(24)．．．模仁
(25)．．．光柵
圖一是本發明所採用全像術干涉微影系統架構示意圖；圖二是本發明黃光微影製程之流程示意圖；圖三是本發明電鑄模仁製程之流程示意圖；圖四是本發明以原子力顯微鏡AFM觀測光阻上的光柵圖；及圖五是本發明以掃瞄式電子顯微鏡SEM觀測模仁上的光柵圖。