无粘结相硬质合金微透镜阵列模具的铣削-刻蚀复合加工研究

Microlens arrays have important applications and huge market demand in modern optical systems, and precision glass molding (PGM) is a new and important technology for mass production of microlens array, and the mold manufacturing is the key technology for GMP which occupies the main cost. To meet the demand of long life and high precision microlens array mold manufacturing, this project proposes a novel method of milling-etching compound process which takes advantage of both the ultraprecision milling technique for microlens array fabrication and the plasma etching technique for hard material machining. The milling-etching compound process can realize the precision manufacturing of microlens array on the surface of binderless cemented carbide Silicon carbide (SiC). By studying on plating technique of the copper layer with Silicon carbide (SiC) substrate with grain size and layer thickness control, the theory and size extreme limit of ultraprecision milling of microlens array on copper layer surface, and the etching transfer theory and control technique of microlens array structure from copper mask to Silicon carbide (SiC) substrate by Inductively Coupled Plasma (ICP), three corresponding scientific issues are going to be solved, including the effects of copper grain size on the plating layer surface formation with nanometer accuracy, the plastic deformation & shear fracture mechanism of copper layer in the process of milling under restricted dimension, and the etching mechanism & transfer rule of microlens array structure from copper mask to Silicon carbide (SiC) substrate by ICP. Based on this project, the difficulties of generating microstructures on binderless cemented carbide for mold manufacturing will be overcome. Furthermore, the target of the high unit accuracy, wide size range, large surface area and excellent overall consistency of microlens array on Silicon carbide (SiC) will be achieved.

微透镜阵列在现代光学系统中有着重要的应用与巨大的市场需求，精密玻璃模压成形是微透镜阵列量产的重要手段，而模具制造是核心关键技术。本项目针对长寿命高精度模具的制造需求，充分利用超精密铣削加工技术在微透镜阵列制造方面的优势以及等离子体刻蚀技术在硬质材料加工方面的长处，提出一种铣削-刻蚀复合加工方法在无粘结相硬质合金碳化硅SiC表面实现微透镜阵列精密制造。通过在碳化硅SiC上铜镀层的制备、晶粒尺寸与膜厚控制研究，铜镀层表面微透镜阵列超精密铣削理论与加工极限研究，以及微透镜阵列结构由铜镀层至碳化钨的刻蚀转写理论与控制研究，揭示铜镀层晶粒尺寸对纳米精度表面创成的影响规律，极限尺寸下铜镀层铣削过程中的塑性变形与剪切断裂机理，以及微透镜阵列结构的异种材料刻蚀转写机制这三个科学问题，解决微结构模具制造难题，实现无粘结相硬质合金模具表面微透镜阵列单元精度高、尺寸范围宽、总体面积大、整体一致性好的制造目标。

微透镜阵列是一种重要的光学元件，具有单元尺寸小、集成度高等结构优势，在光通信系统、成像系统、激光器耦合等多个领域和方向具有重要的应用。精密模压成形是批量化、低成本制造微透镜阵列元件最为有效的手段。碳化硅作为理想的模具材料，在强度、硬度、耐高温、化学稳定性方面都有突出的优势。然而，碳化硅材料硬脆性高，致使其表面微透镜阵列结构加工十分困难，这也是制约碳化硅微结构阵列模具发展与应用的主要因素。面对碳化硅表面微透镜阵列加工的难题，本项目提出了将微透镜阵列掩膜设计制造与刻蚀相结合的加工方法，分别开展了微切削-刻蚀加工研究，微球自组装-刻蚀加工研究，实现了碳化硅微透镜阵列面向形状精度高、单元尺寸小、阵列面积大的加工制造。具体而言，本项目研究了微米厚度膜层切削加工工艺，借助有限元分析软件，解析了掩膜平面切削与微透镜切削过程中膜基界面应力的分布与演化规律，明确了切削参数对膜基界面最大应力的影响机制；进行了划痕实验，测试了两种掩膜材料(金属铝/SU8光刻胶)与碳化硅基底的结合强度；研究了具有不同材料去除机制的离子束刻蚀与反应离子刻蚀工艺的图形转移过程，获得了离子束刻蚀与反应离子刻蚀过程中的图形变化与转移规律；开展了微切削-离子束刻蚀试验研究，以金属铝为掩膜，离子束刻蚀进行图形转移，建立了离子束刻蚀速率曲线模型以及微透镜轮廓演化转移模型；开展了微切削-反应离子刻蚀试验研究，以光刻胶为掩膜，反应离子刻蚀进行图形转移，建立了基于掩膜与基底刻蚀选择比的图形转移模型；通过微切削-刻蚀加工工艺实现了碳化硅表面单元直径百微米、形状可控的微透镜阵列的加工；提出了微球自组装-刻蚀加工方案，分别开展了微球气液界面自组装-刻蚀与模板导向微球自组装-刻蚀的理论与试验研究，实现了单元直径数十微米、阵列形式为六边形与方形排列的碳化硅微透镜阵列的加工，拓展了微透镜加工尺寸范围，使得微透镜单元加工极限尺寸进一步减小。