基于玻璃模版的PDMS微透镜阵列制作

第12卷 第2期 2009年6月Vol. 12. No. 2June. 2009成都电子机械高等专科学校学报Journal of Chendu Electromechanical College基于玻璃模版的PDMS微透镜阵列制作吴 非刘刚利 胡晓明（成都电子机械高等专科学校四川成都 610031）摘 要：提高量子效率是解决OLED器件寿命问题的关键所在。

利用微透镜提高器件的外量子效率可以取得明显的效果。

本文介绍了高分子聚合物材料Poly(dimethylsiloxan)的特性，并以玻璃作为模板制作PDMS微透镜阵列。

关键字：OLED；PDMS；量子效率中图分类号：TN405 文献标识码：A 文章编号：008-5440(2009)02-0024-051 PDMS介绍PDMS是一种新型高分子聚合物材料，全称为聚二甲基硅氧烷，英文全拼为Poly(dimethylsiloxan)。

聚二甲基硅氧烷作为有机硅材料中的一种，由于其特殊结构和优异的性能(电绝缘性、耐候性、耐热性、耐老化性、生理惰性等)，在建筑、汽车、电子电气、航空航天等领域得到了广泛的研究与应用。

用其制作微透镜阵列的优势在于：比硅片和玻璃价格低廉，可模压制作而不需刻蚀，密封可采取热密封或贴附的方式。

虽然PDMS是制作微光学系统的优良材料，但仍存在一些限制，如大多有机溶液会使PDMS溶胀。

虽然PDMS可高保真地复制图形，但有些几何图形不易脱模。

另外其热导率低和气体通透性高，可能会对某些微系统造成不利因素，如低热导率可能导致在电泳过程中电阻热引起的温度升高。

PDMS的开发和应用还处于起步阶段，相信PDMS将会成为最有前景的材料之一。

2 制作玻璃模板由于本次实验采用图形转移的方法制作PDMS微透镜阵列，所以制作好模具相当重要的基础[1]。

首先是玻璃的尺寸问题。

因为在微透镜对光的增强作用中，其形状对效果的影响是很大的。

而且，玻璃的尺寸还直接影响到实验的最后一步——脱膜的难易程度。

本次实验中所用的玻璃尺寸为20mm×20 mm。

其次是玻璃的清洁度问题。

因为清洁的基板表面能使光刻胶有更好的粘附效果。

同时这还会影响到制成的微透镜表面的平整度和形状。

2.1镀有ITO/Cr玻璃的清洗清洗步骤如下：投稿日期：2009-03-13作者简介：吴非（1981.12- ），男，汉族，河北定州人，电子与电气工程系教师，硕士，主要研究方向：光学工程。

吴 非 刘刚利 胡晓明：基于玻璃模版的PDMS微透镜阵列制作2009年第2期（1）用丙酮超声清洗5分钟；（2）用酒精超声清洗5分钟；（3）金属洗衣粉中浸泡15-30分钟，软布擦洗；（4）40-50 ℃热水中冲洗数遍；（5）在稀释的碱液中超声清洗5分钟；（6）去离子水超声清洗10分钟；（7）用乙醇冲洗，然后放在烘箱中烘干，温度在120℃以上。

经过上述步骤清洗之后的玻璃基板能满足制作工艺的要求。

如果想得到更好的效果，可将基片在清洗前在10%以上的 NaOH 溶液中浸泡 24 小时以上，以达到更好的去处油脂污垢的目的。

2.2涂胶、前烘本实验采用的是BP212正性光刻胶，整个操作过程在SJT-1型匀胶台上完成。

先将真空泵打开，然后启动匀胶台，将准备好的玻璃基板置于载物台上，并进行“吸片”操作，将基板固定在载物台上。

然后将BP212胶滴到玻璃基板上，之后就可以匀胶了。

匀胶时，同样要控制转速和时间。

本实验采用的转速是：2000转/分；时间为15秒。

操作之后，便可将光刻胶均匀地涂到玻璃基板上。

光刻胶的主要作用，是在后面的腐蚀步骤中为Cr做保护层。

涂布好的光刻胶薄膜中，常常含有很多溶剂。

为消除光刻胶中的溶剂，增强胶膜与基片之间的粘附性，必须对涂好光刻胶的基片在一定的温度下进行烘焙，即前烘。

对于前烘最为重要的是确定适当的温度和时间，这需要综合考虑各种因素才能选择得到最佳温度和时间。

本实验中前烘温度为 80℃，时间为90秒。

2.3曝光曝光是用一定波长和强度的光波透过掩模，选择性地照射感光胶膜，使基片上受照射部分的光刻胶发生光化反应，经显影后就可在基片上获得与掩模相应的光刻胶图案[2]。

曝光的方式主要有接触式曝光、接近式曝光、等倍投影曝光、缩小投影曝光和等倍全反射式投影曝光等。

接触式曝光是使用的最早和最广泛的曝光方式。

该方法设备简单、生产效率高。

这种方法的最大缺点是掩模和胶面的直接接触造成对胶面和掩模的损伤和玷污，降低了掩模的使用寿命。

制作多位相光学元件时，接触式曝光需要操作人员在显微镜下观察和套准并使基片和掩模紧贴，曝光精度受到曝光系统和操作者熟练程度的影响。

光刻胶的种类、配方组成和材料的结构不同，其感光特性也不同。

根据不同光刻胶的感光特性，以及涂胶膜厚薄、掩模板厚薄和曝光面积等，理论上就可以确定光刻胶的感光条件，确定曝光时间。

但由于工艺操作和系统等的偏差，还必须通过实验严格确定最佳曝光时间。

如果曝光时间过短，光刻胶的光化学反应不充分，显影后胶膜的抗刻蚀能力差；反之，如果曝光时间过长，会导致图形边缘部分微弱感光，角膜会起皱，图形的分辨率和精度下降[3]。

本实验采用的非接触式曝光，曝光时间为3秒，光刻工艺在Kari suss MA-6光刻机上完成。

其主要难度在于对曝光模式的选择和参数的设定。

其次，在操作中主要用注意仪器的使用条件和安全，开机前一定要确保压缩空气和氮气已经开启，以免造成安全事故的发生。

2.4显影、坚膜显影就是把经过曝光的基片置于特定的显影液中，把发生光化学反应的光刻胶溶解去除[4]。

显影方法分为浸入法和喷淋法。

光刻胶显影的工艺条件由其显影特性决定，显影工艺条件中最基本的是选择合适的显影温度和显影时间。

显影溶液可以采用 0.5%的 NaOH 溶液或光刻胶配套显影液，NaOH 溶液的成都电子机械高等专科学校学报 第12卷2009年6月成本远低于光刻胶配套显影液，但性能略差些，可在原理性实验中使用，其他精密情况下应使用光刻胶配套显影液。

本实验采用的浸入法，显影液为RZX-3038，显影时间为30秒。

将显影后的基片在一定的温度下进行烘焙以去除水分和残存的溶剂，使胶膜致密坚固，并通过热致交联，从而进一步提高胶膜与表面的粘附能力和抗刻蚀的能力，这个过程叫做坚膜[5]。

坚膜的温度和时间要选择适当。

若坚膜时间不足，胶膜不够致密和坚固，抗刻蚀能力差；若坚膜时间过长，会使胶膜发脆；而且坚膜的温度过高，光刻胶会因热分解而失去抗刻蚀的能力。

坚膜一般在烘箱中进行，因而烘箱内温度分布的均匀性也对坚膜质量有影响。

本试验烘烤温度为90℃，时间为100秒。

2.5刻蚀刻蚀是完成光刻胶膜的图像向基片表面转移的过程。

该工艺的基本要求是：图形边缘整齐，线条清晰，图形失真小，光刻胶保护的表面无损伤等。

刻蚀的方式分为湿法刻蚀和干法刻蚀。

湿法刻蚀使用一定配比的腐蚀液来完成刻蚀的过程。

根据刻蚀表面的材料的不同，选用的腐蚀液和刻蚀条件也不同。

在刻蚀过程中，控制刻蚀的速度以保持刻蚀速率不变是非常重要的。

这不仅与基底表面的性质有关，而且与腐蚀液的配比和刻蚀温度密切相关。

干法刻蚀包括等离子体刻蚀、离子刻蚀、和反应离子刻蚀。

离子束刻蚀技术是指用具有能量单色性很强及一定密度的大面积、准直均匀离子束发射到材料表面，通过离子撞击表面原子与材料原子间的级联碰撞过程，离子将其携带的动量（能量）转移给材料原子，打破原子间的结合并产生活化原子的动量矢量反转，形成材料原子的物理溅射，从而使材料被蚀去一定的厚度的过程。

它们的最大优点是可以使刻蚀具有很强的方向性，而且通过实验的研究发现，基底面形对局部区域的刻蚀速率具有很大的影响，从而导致了刻蚀面形的变化。

反应离子刻蚀法，是在刻蚀过程中加入反应气体，通过控制气体与石英基片及光刻胶的反应来达到相同的刻蚀速率。

本实验采用的是湿法刻蚀。

需要刻蚀的有3层，从上至下依次为：Cr，ITO以及玻璃，如图1所示。

对Cr层的腐蚀相对来说比较简单，本实验采用的腐蚀液是CE-02B。

操作时，将腐蚀液倒入表面皿内，然后将基板放入其中，轻轻搅拌，待到基板表面的金属铬慢慢脱落即可。

腐蚀ITO则相对复杂一些，主要是腐蚀液的选取对腐蚀过程有很大的影响，而温度的不同也使腐蚀速度的快慢截然不同，这就使对腐蚀效果的控制难度增加。

本实验的采用的ITO腐蚀为体积比为5∶1∶5的盐酸∶硝酸∶水的混合溶液。

其中盐酸的浓度为36%，硝酸的浓度为68% 。

a.清洗和匀胶b.曝光和显影c.铬膜刻蚀d.ITO刻蚀e.玻璃刻蚀图1刻蚀过程腐蚀的环境条件也是比较重要的，在实验中，将腐蚀液加热至50℃左右，然后将基板放入其中，腐蚀时间为2分钟。

在对ITO的腐蚀过程中，有几个问题是需要注意的：吴 非 刘刚利 胡晓明：基于玻璃模版的PDMS微透镜阵列制作2009年第2期（1）一定要在通风或者空气循环环境下进行，因为硝酸是高浓度的“发烟”硝酸，且对人体有一定程度的伤害；（2）由于硝酸的强腐蚀性，所以搅拌时注意不能用金属仪器，以免产生反应而改变腐蚀液，对腐蚀效果产生影响。

玻璃腐蚀相对来说，是三个腐蚀中最难的部分，主要还是牵涉到腐蚀的安全性问题和腐蚀条件的控制。

腐蚀玻璃主要是利用腐蚀液中的氢氟酸与玻璃中的主要成分二氧化硅发生反应。

腐蚀玻璃是相对研究已经成熟的领域，同时腐蚀的组成和配比也有许多不同的种类。

本实验采用的腐蚀液：HF∶HCL∶H2O=15∶4∶6其中，硫酸浓度为 98%，氢氟酸浓度为 40%，盐酸浓度为37%。

腐蚀的过程是这样的：将腐蚀液加热到50℃左右，然后将待腐蚀的基板竖直放入腐蚀液中，搅拌（搅拌速度为30转/分），时间为2×2分钟，腐蚀深度为0.2mm左右。

在正确操作下，腐蚀效果满足要求的玻璃基板如图2所示。

此外，还有一个问题要注意：将基板从腐蚀液中取出之后，应马上用水冲洗掉残留在其表面的腐蚀液，如果让腐蚀液残留时间过长再冲洗，基板表面会产生“发毛”现象。

图2刻蚀时间为4分钟时刻蚀的玻璃表面情况3 PDMS微透镜阵列制作本次实验所用原料为聚二甲基硅氧烷（PDMS）：Sylgard184有机硅弹性体。

主剂和固化剂的比例为10∶1，所以在配制时要注意成分的比例关系，如果比例不当会影响固化效果。

如果需要，可以借助电子天平达到要求。

将PDMS的主剂与固化剂按10∶1的体积比充分混合，在空气中放置30min，而后放置在真空干燥箱中排除混合过程中的气泡，真空度0.08MPa。

另外，也可以用磁力棒搅拌均匀，这样能达到更好的固化效果。

等到目测PDMS 预聚物中没有气泡后取出并浇铸在玻璃模板上。

固化时，将基板放置于烤箱内，使温度恒定在100℃，时间为15—20分钟即可。

另外需要注意，PDMS固化过程是在催化剂的作用下进行，所以在固化过程中要避免使用某些金属，防止催化剂中毒，影响固化效果。