紫外衍射微透鏡陣列的設(shè)計(jì)與制備

張 偉, 李 毅,2, 張 虎, 黃毅澤, 朱慧群, 孫若曦

(1.上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海 200093;2.上海理工大學(xué)上海市現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200093; 3.五邑大學(xué)薄膜與納米材料研究所,江門 529020)

當(dāng)今的光電子技術(shù)已從可見光波段延伸至紅外和紫外等非可見光區(qū).目前,紅外技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域.現(xiàn)在的紫外技術(shù)已經(jīng)不再僅局限于軍事領(lǐng)域,各種紫外光電設(shè)備已經(jīng)在民用領(lǐng)域逐漸得到應(yīng)用.其中,在民用方面的應(yīng)用有醫(yī)學(xué)診療、天氣災(zāi)害預(yù)警等,還有許多有待開發(fā)的用途[1-2].在紫外成像和紫外探測方面,由于多種因素導(dǎo)致紫外焦平面探測器的單元有效探測面積小于像元單元面積,即填充因子遠(yuǎn)小于100%,因此,整個視場中只有一部分光能被探測器的光敏面接收.為了提高探測器的靈敏度,必須將照射到非光敏區(qū)的光會聚到單元的有效探測面上[3].

衍射微透鏡與傳統(tǒng)的折射透鏡一樣,也有會聚光能和成像的作用,由于它體積小、質(zhì)量輕、集成度高、易于復(fù)制而被廣泛地應(yīng)用于紅外光電探測器、圖像識別和處理、光通訊、激光醫(yī)學(xué)及空間光學(xué)等許多領(lǐng)域.本文通過利用衍射微透鏡陣列與焦平面陣列集成,設(shè)計(jì)和制備了用于128×1日盲型紫外探測器的衍射微透鏡陣列,以提高紫外焦平面的填充因子,最終達(dá)到提高探測器性能的目的[3-4].

1 紫外衍射微透鏡的設(shè)計(jì)

衍射微透鏡是根據(jù)菲涅爾波帶片原理設(shè)計(jì)的,是由若干個以光軸為中心的圓環(huán)組成,每一個圓環(huán)都相當(dāng)于一個獨(dú)立的折射面,這些圓形環(huán)帶均能使入射光線會聚到一個共同的焦點(diǎn).但是,由于連續(xù)面型的衍射微透鏡難于加工,目前都用多臺階結(jié)構(gòu)來近似連續(xù)面型結(jié)構(gòu),臺階數(shù)越多,其衍射效率就越高.在許多應(yīng)用場合中,當(dāng)微光學(xué)元件的特征尺寸為波長量級或亞波長量級,刻蝕深度也較大時,標(biāo)量衍射理論中的假設(shè)和近似便不再成立.此時,光波的偏振性質(zhì)和不同偏振光之間的相互作用對光的衍射結(jié)果起著重大作用,必須使用嚴(yán)格的矢量衍射理論及其設(shè)計(jì)方法.當(dāng)衍射結(jié)構(gòu)的橫向特征尺寸大于光波波長時,光波的偏振屬性變得不那么重要,仍可采用傳統(tǒng)的標(biāo)量衍射理論.本文應(yīng)用標(biāo)量衍射理論來設(shè)計(jì)衍射微透鏡陣列[3].

衍射微透鏡陣列與紫外焦平面陣列的集成如圖1所示,通過微透鏡的會聚作用,將光會聚到探測器的光敏面上,增加了光能利用率.

對用于128×1日盲型紫外探測器的衍射微透鏡陣列,通過考慮工藝參數(shù)和探測器陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù),設(shè)計(jì)了一個中心波長為400 nm的128×1紫外衍射微透鏡陣列,其中,焦距 f=400 μ m,臺階數(shù)L=8,中心距為80 μ m,透鏡F數(shù)為f/5,浮雕的臺階深度

式中,nGaN為微透鏡材料的折射率;n0為空氣的折射率;λ為入射光的波長.

圖1 衍射微透鏡陣列與紫外焦平面陣列的集成Fig.1 Integration between UV focal plone array and diffractive microlens array

由于微透鏡的厚度僅為波長量級,它與傳統(tǒng)的折射元件相比是一個平面元件,表面由多個環(huán)帶構(gòu)成,其中,第m個環(huán)帶的第l個臺階的半徑[5]

其中,m=1,2,…,8.

最小特征尺寸

位相深度因子M定義為

式中,M為整數(shù);Δ n為兩種介質(zhì)折射率差,與設(shè)計(jì)波長λ有關(guān);hmax是位相深度因子為M時元件的最大浮雕深度.

光學(xué)元件的設(shè)計(jì)必須同實(shí)際的工藝加工條件相結(jié)合,由于工藝設(shè)備極限分辨率的限制,使得大數(shù)值孔徑元件的制備非常困難.為了增大元件表面的最小特征尺寸,使加工過程易于實(shí)現(xiàn),通常引入?yún)?shù)M,其取值范圍為M≥1的整數(shù).此時,相位分布為0～2Mπ內(nèi)的鋸齒狀分布.對相同的相位分布,當(dāng)M增加時,每個波帶其橫向和縱向尺寸都得到了增加.因此,在量化臺階數(shù)相同的情況下,通過改變M的大小來調(diào)節(jié)波帶周期,可以控制元件表面的最小特征尺寸.當(dāng)透鏡邊緣某一局部區(qū)域內(nèi)的最小特征尺寸小于工藝設(shè)備的極限分辨率時,可通過改變該區(qū)域M的值加大表面浮雕結(jié)構(gòu)的深度,從而擴(kuò)大該區(qū)域的橫向?qū)挾?使最小特征尺寸大于工藝分辨率.這種設(shè)計(jì)方法稱為相位匹配,其中,位相深度因子M又稱為相位匹配因子,它直接決定元件局部區(qū)域內(nèi)的浮雕深度[6].

通過計(jì)算得到衍射微透鏡的各臺階半徑數(shù)值,如表1所示.

表1 衍射微透鏡的各臺階半徑數(shù)值Tab.1 Diffractive microlens radius of each step number

2 制備工藝

2.1 制備工藝設(shè)計(jì)

目前用于制備微透鏡的工藝方法是采用類似于集成電路的光刻和刻蝕工藝,存在工作溫度高、設(shè)備昂貴、工藝兼容性差及成本高等一系列問題.考慮到在紫外波段,表面浮雕結(jié)構(gòu)的深度為納米量級,因此,采用了組合多層鍍膜與剝離的微細(xì)加工工藝制備衍射微透鏡的表面浮雕結(jié)構(gòu),該制備方法具有精度高、可重復(fù)性好等特點(diǎn)[7-9].這種制備技術(shù)可以克服現(xiàn)有制備技術(shù)精度低、工藝兼容性差、設(shè)備昂貴,以及由于制造工藝過程中的不均勻所導(dǎo)致的產(chǎn)品成品率下降和高溫工藝可能導(dǎo)致焦平面陣列性能下降等缺點(diǎn).通過采用有效的雙面對準(zhǔn)技術(shù),組合多層鍍膜與剝離的微細(xì)加工工藝,將衍射微透鏡陣列制備在紫外探測器芯片的背面,以提高小填充因子的紫外焦平面的性能.由于單片集成是在焦平面陣列制造工藝完成之后,在同一芯片上進(jìn)行衍射微透鏡陣列的制備,為確保在單片集成衍射微透鏡的制備過程中不致引起紫外焦平面陣列性能下降,要求各項(xiàng)工藝的溫度最好低于100℃.

2.2 制備工藝流程

組合多層鍍膜與剝離的微細(xì)加工工藝制備衍射微透鏡陣列的步驟如下:

a.利用光刻技術(shù)直接在背照式紫外焦平面芯片的光入射面制備光刻掩模圖形;

b.采用鍍膜方法在具有光刻掩模圖形的表面沉積膜層,多層鍍膜的材料為GaN,各層的厚度分別為235,118,59 nm;

c.將具有膜層的芯片浸入去膠劑中,浸泡3～5 min;

d.通過搖晃或超聲震動,將光刻膠上的膜層和光刻膠去除干凈.上述工藝完成,可獲得2臺階的表面浮雕結(jié)構(gòu),如圖2(a)所示;

e.通過一次重復(fù)a—c的工藝步驟,可獲得所需4臺階的表面浮雕結(jié)構(gòu),如圖2(b)所示,通過兩次重復(fù)a—c的工藝步驟,可獲得所需8臺階的表面浮雕結(jié)構(gòu),如圖2(c)所示;

圖2 組合多層鍍膜和剝離方法制備8階微透鏡陣列的工藝流程Fig.2 Mix multi-layer coating and stripping method of 8 step microlens fabrication process

f.最終將具有衍射微透鏡的紫外焦平面陣列芯片用去離子水清洗1～2 min,最后用高純氮?dú)獯蹈?

圖2是采用組合多層鍍膜與剝離的微細(xì)加工工藝制備8臺階衍射微透鏡陣列[10].

應(yīng)用JC500-3/D型磁控濺射鍍膜設(shè)備,在襯底溫度不超過80℃的條件下制備GaN膜層,實(shí)驗(yàn)中光刻膠為AZ-P4620.在制備工藝中發(fā)現(xiàn),涂光刻膠時,在不影響均勻性和分辨率的前提下,光刻膠越厚越好,這樣容易剝離不需要的GaN膜層.此外,曝光時一定要保持曝光充分,以確保顯影時能夠顯示清晰的圖形.當(dāng)微透鏡臺階深度比較大時,曝光量小于曝光閾值的區(qū)域就比較小,所以,微透鏡面形失真的區(qū)域比較小.而當(dāng)要制備的微透鏡臺階深度較小時,抗蝕劑表面曝光量小于曝光閾值的區(qū)域就變得非常大,顯影結(jié)束后微透鏡面形失真的區(qū)域?qū)⒋蟠蠼档蛯獾恼{(diào)制能力[9].

通過上述的設(shè)計(jì)方法和工藝技術(shù),制備了用于128×1的衍射微透鏡陣列,其中,焦距為400 μ m,中心距為80 μ m,臺階數(shù)為8,中心波長為400 nm,其顯微照片如圖3所示.

組合多層鍍膜與剝離的微細(xì)加工工藝技術(shù)具有整個過程簡單、薄膜厚度可精確至納米級、精度高、操作方便、重復(fù)性好及實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn).較之目前市場上灰度等級掩模與刻蝕,激光束輔助加工技術(shù)等有不可比擬的優(yōu)勢[5].由于這種工藝方法的膜層厚度可精確到納米級,深度誤差對衍射微透鏡的影響不大.因此,制備主要有線寬誤差和對準(zhǔn)誤差這兩種誤差.

圖3 衍射微透鏡陣列的顯微照片F(xiàn)ig.3 Micrograph of microlens array

a.線寬誤差.它是由掩模圖形制備過程或掩模圖形轉(zhuǎn)印過程引起的圖形線寬與設(shè)計(jì)線寬偏差.

b.對準(zhǔn)誤差.它是在掩模圖形多次轉(zhuǎn)印過程中由于掩模版之間的對準(zhǔn)誤差而引起浮雕輪廓相對理論設(shè)計(jì)輪廓的偏差.

對準(zhǔn)誤差對衍射效率的影響最大,制備過程中控制好套刻中的對準(zhǔn)誤差尤為重要[3].

3 光學(xué)性能測試與分析

3.1 焦點(diǎn)測試

針對所制備的衍射微透鏡陣列,測量了微透鏡的焦距.由于氮化鎵衍射微透鏡陣列的設(shè)計(jì)焦距為400 μ m,很難實(shí)現(xiàn)直接測量焦距,所以,先測量了微透鏡的光斑尺寸,然后計(jì)算出對應(yīng)的數(shù)值孔徑.使用了1個數(shù)值孔徑為0.25的物鏡、1個波長為442 nm的氦鎘(He-Cd)激光器和1個紫外電荷耦合器件(CCD).在測量系統(tǒng)中,物鏡和CCD的距離保持恒定.根據(jù)式1/p+1/q=1/f,物鏡和CCD之間的距離q是固定的,物鏡的焦距也是個常數(shù).當(dāng)把衍射微透鏡放置于物鏡前p處,可以在CCD上得到一張衍射微透鏡的清晰圖片;然后將衍射微透鏡向后挪,直至在CCD上得到清晰的聚焦點(diǎn).這時衍射微透鏡聚焦,而且焦點(diǎn)就在一開始衍射微透鏡被放置的p處,微透鏡的位移即為焦距.CCD上得到的是一個清晰的被放大的焦點(diǎn).微透鏡的圖像與其焦點(diǎn)也被放大了.然而,已經(jīng)知道微透鏡的直徑,CCD上則獲得被放大的微透鏡和焦點(diǎn)的圖像.在像和物(微透鏡)之間存在著線性關(guān)系,可以根據(jù)像的尺寸和微透鏡的直徑獲得真正的焦點(diǎn)尺寸[9].

微透鏡的像和焦點(diǎn)的像的直徑分別為 RL和r.微透鏡的直徑為RO.因此,真正的焦點(diǎn)尺寸D= (r/RL)RO.在分析中,點(diǎn)的尺寸被定義為最大值一半處的寬度.

實(shí)驗(yàn)中隨機(jī)抽取微透鏡陣列樣品中的32個單元透鏡進(jìn)行測試.經(jīng)過測試、計(jì)算和分析,其中,典型的焦點(diǎn)尺寸的分布如圖4所示.N為像素?cái)?shù).

圖4 樣品典型的焦點(diǎn)尺寸分布Fig.4 Focus size distribution of sample

3.2 衍射效率

微透鏡的衍射效率是一個重要參數(shù),它是決定微透鏡質(zhì)量的關(guān)鍵,而微透鏡的質(zhì)量又是決定其能否在系統(tǒng)中實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵,所以,檢測衍射效率就成為檢測微透鏡質(zhì)量的關(guān)鍵[11-13].

圖5是用于測量衍射微透鏡陣列衍射效率的系統(tǒng)裝置圖.

圖5 測試系統(tǒng)裝置圖Fig.5 Test system setup

在理論中,多臺階的衍射效率的表達(dá)式為[8]

多級量化的衍射微透鏡陣列衍射效率取決于臺階數(shù)(量化級次)L,量化級次越大,衍射效率越高[14-16].

在實(shí)際測試中要考慮制備材料的反射和吸收,所以,實(shí)際衍射效率η定義為照射到焦面上的探測器實(shí)際有效面積上的衍射光能量Ea與扣除平基板反射吸收后的出射平面總光能Ep的比值[7].

對制備的衍射微透鏡陣列進(jìn)行測試,理論的衍射效率為94%,實(shí)際中測得的衍射效率為87%,其中的偏差主要來自于制備中的對準(zhǔn)誤差和線寬誤差的共同影響[17,18].

4 結(jié)束語

針對紫外焦平面陣列的實(shí)際需求,用標(biāo)量衍射理論設(shè)計(jì)了中心波長為400 nm的128×1紫外衍射微透鏡陣列,研究了紫外微透鏡陣列的制備關(guān)鍵工藝技術(shù),提出了一整套以組合多層鍍膜與剝離技術(shù)為主的制備衍射微透鏡陣列的工藝方法.采用組合多層鍍膜和剝離的工藝方法制備了8臺階128×1衍射微透鏡陣列.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,衍射效率超過87%.可以預(yù)計(jì),通過紫外微透鏡陣列與紫外焦平面陣列單片集成技術(shù)來改善紫外焦平面陣列的光學(xué)性能是比較理想的.

致謝: 本文的工作得到了張宇明,周晟,李榴,沈雨剪,鄭秋心等同學(xué)的支持和幫助,在此表示衷心感謝.

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