TWI269885B - Manufacturing method of micro lens mold and micro concave lens - Google Patents

Description

1269885 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種微透鏡的製造方法，特別係關於一種微透 鏡模具及凹微透鏡之製造方法。 【先前技術】 在光電產品的發展中，微光學透鏡因可在小面積產生光學效 • 果’故成為該產業需求甚殷的基礎元件，例如液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD )之背光板即使用光學透鏡陣列，以造成背光 均勻的效果；另外隨著雷射二極體、發光二極體、光偵測器等光 . 電半導體元件的推陳出新，因而讓單一元件進步到陣列形式，而 •其應射賊的增加，如光計算（Qptieal _puting)和光通訊(〇ptical communication)系統，非常需要使用到陣列形式的微透鏡；故製作 陣列微光學透鏡之技術為產學各界競相發展的技術。兹就傳統微 透鏡陣列之製造方法簡介如下·· • 1·熱熔法： /熱溶法為製造折射歧鏡方法之―，是將絲或高分子材料 的U小圓柱經由回溫將其軟化(refl〇w)。高分子微結構在高於玻璃 W^/m^(Glass Transition Temp , =狀〜、同刀子間之聚合鏈開始滑動，使得高分子本身 響慢慢的藉由擴散：;===態表面張力之影 半球形，絲赌翻物，蜮材㈣會整形成 曰匕達到改善，進而達到光學等級的要求。 1269885 ，缺點為需使用熱雛高分子獅，通纽觀·得之膜厚較 薄亦即難以製出高曲率之透鏡，且材料機械性質較為不足。 2·熱壓回熔法： “此法是以LIGA技補㈣形的難，然後將此模具以熱壓 機在聚合塑膠薄板上以高壓及高温壓出微圓柱；目為熱壓成型加 /加熱0顿陳7|端形成半製造丨微魏。非接繼模成 开優點為利用熱溶效果使成品形狀(半球型微透鏡）和模具形狀 圓柱）不必相同，因此不需要形狀精準的模具就可獲得近似 、，形的微魏’並提出此模具麵定的拔模肖度，可獲得最佳 ^透鏡域絲面。獨賴透鏡之缺點在於纽㈣曲率大 二nr數值孔徑就會變小，且_具本身有寬度，故無 法做出非常緊密的陣列結構。 3·微液滴法： ^是利_似喷筆姻印刷之技術，対出複數個微液 難以沖Γΐ上，進而形成反射式之微透鏡陣列。同樣地，此法 =:r之一大小、高度、焦距等)。 :*光U衫製程所使用之光罩功能多為是否讓曝光光 形至光阻上的目的，然而灰階光罩不像石英玻璃 罩之曝光光束穿僅有擔住或穿透兩種可能’灰階光 之瞧弁旦，，、、連、t又化，藉由光阻層不同厚度間所獲得 ''里°，在顯影時會因為曝光量不同而有著不同的顯影效 1269885 果^此紅鮮轉—搞級經由顯影可產生多層次高度或 連㈣賴形，亦可_此難設計並製作折料微透鏡。為此 灰仏光罩法製作成本極為昂#，將無法降低量產成本。 、以往微透鏡大量製造的方法，以凸透鏡來說，必先運用光阻 熱溶法、熱壓爾法、微液滴法«凸透鏡製程製作，之後再結 合微電鏵技娜奴_賴具，最後私鍾枝翻模製造， 成品才為—凸形微透鏡_。若以傳統微透鏡模具及微透鏡大量 製造方法而言’其製程仍屬繁續；而電鑄步驟為精密技術，且之 後的熱壓製程參數亦需相t考究，這都會增加傳賴程的不穩定 【發明内容】 、鑒於以上的問題，本發明的主要目的在於提供一種微透鏡(微 透鏡陣列)模具之製造方法，利用LIG織之厚膜光崎程搭配 ''«用I外光固化膠(UV-cunng)之技術’直接製出凹型微模呈，之 後便能翻鋪造凸職透嫌透猶職品，或是_微模具結 募本身使用5乎光學性質之材料，若使其從基板脫離，亦可直接 作為凹形微賴(微魏相)仏制，藉此碰城上解決先前 技術所存在之問題。 “鑒於以上的問題，本發明的主要目的在於提供一種凹微透鏡 (从透鏡陣列)之製造方法’彻上述方法製作而成之微細管(微陣 h、田S )作為彳政透鏡(微透鏡陣列)模具，將紫外光固化膠填入其 中’微鏡片可藉紫外光固化材料自身的表面張力和細管附著力形 1269885 成，此乃是最自然的透鏡成型法，會使得管内液體呈現如微透鏡 ，的圓弧形狀，至於凹面形狀之曲率，將取決於填入固化膠之多 寡，藉以便能大體上解決先前技術所存在之問題。 因此，為達上述目的，本發明所揭露之一種微透鏡模具之製 造綠，包括下列步驟：形成厚膜於—基板；圖案化厚膜，以形 成u細官，將熱目化驗填人微細管内；及翻光源照射或加熱 _ 該熱固化膠液以使其固化成形。 、因此，為達上述目的，本發明所揭露之一種凹微透鏡之製造 方ί \包括下列步驟··形成厚膜於—基板；®案傾厚膜，以形 成“s，將熱㈣驗填人微細管内；侧絲照射或加熱該 、熱固化膠液以使其固化成形；及將厚膜自基板脫離以作為一凹微 上述形成厚膜以及圖案化厚膜之步驟係利用深刻模造技術 (LIGA)或類深刻模造技術(LIGA4ike)。 上述厚膜為具有光學性質之高分子材料或光阻。 以下在實施方式中詳細敘述本翻之詳細特徵以及優點，並 =谷足以使任何熟習相關技藝者了解本發明切術内容並據以實 施，且根據本說明書所揭露之内容、_請專利範圍及圖式，任何 熟習相關技蟄者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。 【實施方式】 支…、 及其功能有進一步的瞭 關於本發明内容之說明 為使對本發明的目的、構造、特徵、 解，茲配合實施例詳細說明如下。以上之 ^269885 及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之原理，並且 提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。 本發明旨在簡化傳統微透鏡模具及微透鏡量產製程，自行開 發一種新式微透鏡模具製程，以LiGA-like之厚膜(光阻:丨掣鞀技啦 應用紫外光固化膠(UV.ing)之技術，便可直接製出如第^圖所 示之凹型微模具1，之後便能翻模製造出如第1B圖所示之凸形微 透鏡(微透鏡陣列)產品3，且凹型微模具結構本身使用合乎光學性 質之材料，若使其從基板脫離，亦可直接作為如第lc圖所示之凹 形微透鏡(微透鏡陣列)產品5使用。LIGA是德文‘‘深刻模造，，技術 之縮寫，其中LI為深刻術，利用同步輻射χ光在厚膜(光阻)上刻 ‘出高深寬比的微結構。G代表精密電鑄模仁技術，Α代表射出量 產技術。其中同步輻射光源X_ray由於建置昂貴，取得不易，不 僅光罩^作彳H 4膜(光阻)材料及技術亦較特殊；目此乃有採用 Excimer Laser取代X，進行深刻技術，發展深刻模造之[纖 馨LIGA相關技術的發展。LIGA-like技術首先須在基板上黏貼一層 細或塗佈—層高分子材料，厚度祖卫件厚度或微結構深度而 疋，由數十um至數百um。再利用ExcimerLaser加工時，須將雷 射投射出來的光源’經由數道鏡片調整成均勻的平行光後，通過 光罩及透過聚焦鏡片加工基板上的高分子材料，而達到深刻的功 能；此即所謂雷射深飾刻。 、本發明藉以场想，設計-透明光學性質良好的陣列微細管 狀結構，此結構以具有光學性質之厚膜高分子或光崎作，先將 10 1269885 Γ=Γ!Τ纖材料(_ …入4細吕中’使s中之固化膠液體因表面張力效應 而形成如透鏡般的圓弧形狀，再經紫外光照射或加熱固化二 凹形微透鏡(微透鏡_ ’之後概以高分子翻翻化膠如〒二甲 基石夕氧烧㈣MSM UV固化膠等具光學性質之材料，翻模把凸 形微透鏡(微透鏡陣列)光學膜片產品，若必要，則凹形微透鏡(微 透鏡陣列顺柯使其從基板·，可當凹频透鏡(微透鏡陣列) 成品應用。 第2A圖至第2G圖，係用以顯示本發明之製作流程以及第3 圖’為本發明之方締額。本㈣之實施方式包括下列步驟： 如第2A ®與第2B圖所示，在基板1〇上塗佈具光學性質之 厚膜12(步驟301);運用黃光微影步驟，經軟烤、曝光、顯影、硬 烤’歧时射加王高分子·#機械加工闕案傾厚膜以製 作出單一或陣列態樣之微細管結構14(步驟3〇2)。 上述基板可以是一矽基板。 上述厚膜可以是高分子材料或光阻材料。 如第2C圖所示，以光學性質之紫外光或熱固化膠液16，完 全覆盍於圖中陣列態樣之微細管表面，用抽真空機台18，以抽真 空方式，使膠16能完全被吸入微細管内，以增加熱固化膠液體 16與微細管之密合度，如此可將原先存於微細管中之氣體排出（步 驟 303)。 如第2D圖所示，然後用旋轉塗佈機2〇，以旋轉的方式，將 11 Ϊ269885 ^卜光或熱固化膠均勻的旋出微細管外，凹面形狀之曲率，將取 決於剩餘管内熱固化膠液體16之多寡(步驟304)。 如第2E圖所示，微細管内的現象，使得固化膠液體表面形成 凹面狀型以紫外光源照射或加熱此固化驗體，固化後即成 凹透鏡形態22，可作為凹型微透鏡模具(步驟3〇s)。 如第2F圖所示，將凹型微透鏡模具22直接從基板1〇剝離， _微透鏡模具22可直接细或以高分子翻麵化膠如聚二甲 基石夕氧燒⑽MS)或UV固化膠等具光學性質之材料翻模製造凸 型微透鏡產品24(步驟306)。 细光阻材料自身的表面張力和微細管附著力之變化，得到 不同鱗的微透鏡級透鏡_，所形成之微透鏡可藉由紫外光 固化，此乃是最方便的透鏡成型法。 _本發明之實驗，我們欲設計卩物的微崎結構時，因六 ㈣管柱能作出較_細管更密合(無接缝)的陣列結構，即蜂^ 等式結構’故本發明實驗採六角形細管陣列設計。為便於實驗證明 其可行性，依尺寸不同分別設計對六肖形細對肖線為⑽ //m與75#m兩種結構，而另外依細管間隔（即管壁厚）不同又分 別設計間距為5，、1〇m、15㈣、2〇M四種尺寸；而在w刀固 化膠旋開時，改變其不同的轉速，在此實驗分別以轉速為 4500rpm、500〇rpm、550〇rpm三段轉速，其目的是在探討在這三 種參數下，將對後續凹形微透鏡陣列模仁成形有何影響。 於此，我們再度列出三種實驗參數，以便於後續說明： 12 1269885 (1) 將uv固化膠旋開時，改變其不同的轉速，在此實驗分別以_ 速為4500rpm、5000rpm、5500rpm三段轉速，以求得轉速對其 後續成形之影響。 〃 (2) 利用前述之光罩設計，在黃光製程時，將微細管陣列之間的間 距製作不同，分別以間距約5//m、10/zm、15/zm與20//m，探 时其在間距不同時，對其後續成形之影響。 ⑶改變六角微細管陣列之對角線寬，分別以75_與1〇〇_開 口探"寸其在管之對角線寬不同時，對其後續成形之影響。 附件（一）為已完成之旋轉參數5500rpm，管之開口對角線寬 f 100/zm，間距約為10//m之模具圖，而第4圖為其透鏡劭 高度輪廓趨勢圖。 完成之各參數製作出的每一凹形透鏡模具，利用所量得之凹 孔深度h及凹孔直徑D，以及縣身的折鱗n(refractlve index)，透過下列公式（1)及（2) 2h ⑴ 與 ⑵ 刀別计鼻出曲率半徑r d · 卞仫 KcCradius of curvature)及焦距 而 f(focus)。實驗所做參數的量測結果示於以下之表1與表2 曲率半控計算結果示於以下之表3與表4。 表1 13 1269885 六角管對角線長100 # m h :凹形檄透鏡高廑（sag),〆m 間隔距離 旋膠轉速^ 5 // m 10 // m 15 “ m 20 /i m 5500rpm 10.82 10.3 8.31 7.3 5000rpm Γ 9.17 8.84 5.92 4.44 4500rpm 7.69 4.78 2.8 2.3 表2 六角管對角線長7 5以m h :凹形微透鏡高度（sag)，#!!! 間隔距 離 5 // m 10 ^ m 15 // m 20 // m 5500rpm 10.02 9.03 6.3 3.78 5000rpm 7.76 5.97 3.98 2.66 4500rpm 卜4.16 Π 3.9 2.13 1.36 _ 表3 六角管對角線長100“ ir R:凹形微透鏡之曲率丰徑，χ/m 間隔距離 旋膠轉速 5 u m 10 // m 15 μ τη 20 β m 5500rpm 98.98671 103.451 125.9962 142.3486 5000rpm 1 14.9994 1 18.9562 173.9904 230.2605 4500rpm 1^35.5095 214.2101 363.0071 441.3674 表4 六角管對角線長75 u m κ :凹形微透鏡之曲率车源 m -----次^間隔距離 旋膠轉速 5 “ m 10 // m 15 // m 20 // m 5500rpm 49.92018 54.34889 74.57857 120.9376 5000rpm 61.86969 78.36188 115.0553 170.5029 4500rpm 110.2531 117.3346 212.3326 331.5624 •由本發明實驗之結果中，我們可明顯看出一些趨勢，歸納於 如下： (1)在旋雜速與陣顺六肖管柱間_同下，若微六肖管開口之 對角線長越大，將可得到較深之凹形微透鏡，即翻模後微透鏡 高度較高。 ⑵若微六角管柱間距與微六角管之對角線開口長相同，則我們可 明顯看出’郷轉速触，輪得_深之卿微透鏡高度。 ⑶在旋膠轉速與微六角管之對角線開口長之下，則微六角管 14 1269885 挺陣歹!/間距越小者，可得 判鼢—π θ 伃勾季乂冰之凹形微透鏡高度。 一項不錯的方:之2狀優奶2除了基本量測之外，翻模觀察亦是 利用翻槿成。二本發明並非在探討後續翻模成品構思，而是 成品硯察模具之幾_狀是 整性。始内谷租明此發明之可行性與完 之材_ ㈣則晴具光學性質 之對rrt為選擇翻模模具為旋轉參數测，管 _100卿間距約為L之翻模SEM圖。 本知1案可達到之效益/優點： (1)適合大量複製： 利用她可大量直接作_微透鏡模具，料搭配亦或 補不經電鑄成模步驟，便能以高分子材料如簡s或uv固化膝 T製造凸型微透鏡或凸型微透鏡陣列產品，且微透鏡模具結構 本身使用合乎光學性質之材料，若使其從基板脫離，亦可當作凹 形微透鏡或凹型微透鏡陣列產品使用。 (2)製程極為簡易： 藉由旋出·膠轉速、微細管陣列之間的間距與微細管陣列 開口大小，可以穩定的控制微透鏡模具之形狀與尺寸。 (3)生產設備成本低： 本發明無需_又昂貴之生產設備，只需细價廉之旋轉機 、抽真空5又備與固化膠使用之加熱平板或紫外光照射燈即可。 雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本 15 1269885 树明之精神和範㈣，所為之更動與潤飾，均 屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之币勺 所附之申請專利範圍。 /、口靶圍明多考 【圖式簡單說明】 «透：Γ㈣他晴撕峨之凸形微透鏡 魏物㈣跡第 第从圖至第2G圖，顯示 具之製作方法。 種凹型微透鏡模 程圖弟3圖’為根據本發明’_種凹型微透鏡模具之製作方法流 =圖為附件一中之透鏡心高度輪廊趨勢圖。 附件（一）為已完成之旋轉表 一 為⑽心一間距約為·m之模具sem圖rpm ’官之開口對角線寬 寬為1G0 ()為雜翻㈣具騎轉參數55GGrpm，管之對角飧 見马100“m，間距約A e又對角線 【主要元件符物Γ之翻模随圖。 1 3 凹型微模具 & $德1透鏡(微透鏡陣列)產品 1269885 5 凹形微透鏡(微透鏡陣列)產品 10 基板 12 厚膜 14 微細管結構 16 熱固化膠液 18 抽真空機台 20 旋轉塗佈機 22 凹透鏡形態 24 凸型微透鏡產品

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Claims (1)

1269885 十、申請專利範圍： ι 一種微透鏡模具之製造方法，包括下列步驟： 形成一厚膜於一基板； 圖案化該厚膜，以形成一微細管； 將一熱固化膠液填入該微細管内；及 固化成形該熱固化膠液。 2·如申請專利範圍第1項所述之微透鏡模具之製造方法，其中 形成該厚膜以及圖案化該厚膜之步驟係利用一深刻模造技術 (LIGA)或一類深刻模造技術(LiGA-likeJ。 3·如申請專利範圍第1項所述之微透鏡模具之製造方法，其中 將該熱固化膠液填入該微細管之步驟，更包含： 將該熱固化膠液滴於該微細管表面；及 以抽真空方式，使該熱固化膠液被吸入該微細管内。 4·如申請專利範圍第1項所述之微透鏡模具之製造方法，其中 將該熱固化膠液填入該微細管之步驟與固化成形之步驟之 間更包令旋轉該基板之步驟。 5·如申請專利範圍第1項所述之微透鏡模具之製造方法，其中 固化成形該熱固化膠液之步驟係利用一光源照射或加熱方 法。 6·如申請專利範圍第1項所述之微透鏡模具之製造方法，其中 該厚膜為一具有光學性質之高分子材料。 7·如申請專利範圍第1項所述之微透鏡模具之製造方法，其中 18 1269885 ,-,1, ,|M n , —--J' ； -.· . 1--r ΓΊ·ιι ιι 月〖I關.:.(更).正本 該厚膜為一光阻。 8·如申請專利範圍第丨項所述之微透鏡模具之製造方法，其中 該基板為一碎基板。 9·如申請專利範圍第丨項所述之微透^^莫具之製造方法，其中 該微細管為六角形。 10·如申請專利範圍第丨項所述之微透鏡模具之製造方法，其中 該熱固化膠液為一具有光學性質之可固化高分子流動材料。 # U•如申請專利範圍第5項所述之微透鏡模具之製造方法，其中 該光源為一紫外光源。 12.如申請專利範圍第4項所述之微透鏡模具之製造方法，其 中，可任意改變旋開固化膠之轉速與固化膠之黏滯係數。' 13· —種凹微透鏡之製造方法，包括下列步驟： 形成一厚膜於一基板； 圖案化該厚膜，以形成一微細管； 將一熱固化膠液填入該微細管内; 固化成形該熱固化膠液；及 將該厚膜自該基板脫離以作為一凹微透鏡。 14·如申請專利範圍第13項所述之凹微透鏡之製造方法，其中形 成該厚膜以及圖案化該厚膜之步驟係利用一深刻模造技術 (LIGA)或一類深刻模造技術(LIGA-like；)。 15·如申請專利範圍第13項所述之凹微透鏡之製造方法，其中將 該熱固化膠液填入該微細管之步驟，更包含： 19 1269885 I 一—' 〜….….… P焊y月•(更)正本 ""* ____________ 將該熱固化膠液滴於該微細管表面；及 以抽真空方式，使該熱固化膠液被吸入該微細管内。 16·如申請專利範圍第13項所述之凹微透鏡之製造方法，其中將 該熱固化膠液填入該微細管之步驟與固化成形之步驟之間 更包含一旋轉該基板之步驟。 17·如申請專利範圍第13項所述之凹微透鏡之製造方法，其中固 化成形該熱固化膠液之步驟係利用一光源照射或加熱方法。 • 18·如申請專利範圍第13項所述之凹微透鏡之製造方法，其中該 厚膜為一具有光學性質之高分子材料。 丨9·如申請專利範圍第13項所述之凹微透鏡之製造方法，其中該 、 厚膜為一光阻。 20·如申請專利範圍第13項所述之凹微透鏡之製造方法，其中該 基板為 基板。 •如申凊專利範圍第13項所述之凹微透鏡之製造方法，其中該 •微細管為六角形。 如申明專利範圍第13項所述之凹微透鏡之製造方法，其中該 熱固化膠液為-具有光學性質之可固化高分子流動材料。 如申明專利範圍第17項所述之凹微透鏡之製造方法，其中該 光源為一紫外光源。 20 1269885 七、指定代表圖： (一) 本案指定代表圖為：第3圖。 (二) 本代表圖之元件符號簡單說明·· 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：