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(mén) 529020)

當(dāng)今的光電子技術(shù)已從可見(jiàn)光波段延伸至紅外和紫外等非可見(jiàn)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(kāi)發(fā)的用途[1-2].在紫外成像和紫外探測(cè)方面,由于多種因素導(dǎo)致紫外焦平面探測(cè)器的單元有效探測(cè)面積小于像元單元面積,即填充因子遠(yuǎn)小于100%,因此,整個(gè)視場(chǎng)中只有一部分光能被探測(cè)器的光敏面接收.為了提高探測(cè)器的靈敏度,必須將照射到非光敏區(qū)的光會(huì)聚到單元的有效探測(cè)面上[3].

衍射微透鏡與傳統(tǒng)的折射透鏡一樣,也有會(huì)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(cè)器、圖像識(shí)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(guò)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(cè)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(cè)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(gè)以光軸為中心的圓環(huán)組成,每一個(gè)圓環(huán)都相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的折射面,這些圓形環(huán)帶均能使入射光線(xiàn)會(huì)聚到一個(gè)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(tái)階結(jié)構(gòu)來(lái)近似連續(xù)面型結(jié)構(gòu),臺(tái)階數(shù)越多,其衍射效率就越高.在許多應(yīng)用場(chǎng)合中,當(dāng)微光學(xué)元件的特征尺寸為波長(zhǎng)量級(jí)或亞波長(zhǎng)量級(jí),刻蝕深度也較大時(shí),標(biāo)量衍射理論中的假設(shè)和近似便不再成立.此時(shí),光波的偏振性質(zhì)和不同偏振光之間的相互作用對(duì)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(zhǎng)時(shí),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(lái)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(guò)微透鏡的會(huì)聚作用,將光會(huì)聚到探測(cè)器的光敏面上,增加了光能利用率.

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

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(zhǎng)量級(jí),它與傳統(tǒng)的折射元件相比是一個(gè)平面元件,表面由多個(gè)環(huán)帶構(gòu)成,其中,第m個(gè)環(huán)帶的第l個(gè)臺(tái)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(zhǎng)λ有關(guān);hmax是位相深度因子為M時(shí)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(guò)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(shí),相位分布為0～2Mπ內(nèi)的鋸齒狀分布.對(duì)相同的相位分布,當(dāng)M增加時(shí),每個(gè)波帶其橫向和縱向尺寸都得到了增加.因此,在量化臺(tái)階數(shù)相同的情況下,通過(guò)改變M的大小來(lái)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(shí),可通過(guò)改變?cè)搮^(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(chēng)為相位匹配,其中,位相深度因子M又稱(chēng)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(guò)計(jì)算得到衍射微透鏡的各臺(tái)階半徑數(shù)值,如表1所示.

表1 衍射微透鏡的各臺(tái)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(lèi)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(wèn)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(jí),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(guò)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(guò)采用有效的雙面對(duì)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(cè)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(guò)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(guò)搖晃或超聲震動(dòng),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(tái)階的表面浮雕結(jié)構(gòu),如圖2(a)所示;

e.通過(guò)一次重復(fù)a—c的工藝步驟,可獲得所需4臺(tái)階的表面浮雕結(jié)構(gòu),如圖2(b)所示,通過(guò)兩次重復(fù)a—c的工藝步驟,可獲得所需8臺(tái)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(tái)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(guò)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(shí),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(shí)一定要保持曝光充分,以確保顯影時(shí)能夠顯示清晰的圖形.當(dāng)微透鏡臺(tái)階深度比較大時(shí),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(tái)階深度較小時(shí),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?duì)光的調(diào)制能力[9].

通過(guò)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(tái)階數(shù)為8,中心波長(zhǎng)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(gè)過(guò)程簡(jiǎn)單、薄膜厚度可精確至納米級(jí)、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(chǎng)上灰度等級(jí)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(shì)[5].由于這種工藝方法的膜層厚度可精確到納米級(jí),深度誤差對(duì)衍射微透鏡的影響不大.因此,制備主要有線(xiàn)寬誤差和對(duì)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(xiàn)寬誤差.它是由掩模圖形制備過(guò)程或掩模圖形轉(zhuǎn)印過(guò)程引起的圖形線(xiàn)寬與設(shè)計(jì)線(xiàn)寬偏差.

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

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

3 光學(xué)性能測(cè)試與分析

3.1 焦點(diǎn)測(cè)試

針對(duì)所制備的衍射微透鏡陣列,測(cè)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(cè)量焦距,所以,先測(cè)量了微透鏡的光斑尺寸,然后計(jì)算出對(duì)應(yīng)的數(shù)值孔徑.使用了1個(gè)數(shù)值孔徑為0.25的物鏡、1個(gè)波長(zhǎng)為442 nm的氦鎘(He-Cd)激光器和1個(gè)紫外電荷耦合器件(CCD).在測(cè)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(gè)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(shí)衍射微透鏡聚焦,而且焦點(diǎn)就在一開(kāi)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(gè)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(xiàn)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(gè)單元透鏡進(jìn)行測(cè)試.經(jīng)過(guò)測(cè)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(gè)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(cè)衍射效率就成為檢測(cè)微透鏡質(zhì)量的關(guān)鍵[11-13].

圖5是用于測(cè)量衍射微透鏡陣列衍射效率的系統(tǒng)裝置圖.

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

在理論中,多臺(tái)階的衍射效率的表達(dá)式為[8]

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

在實(shí)際測(cè)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(cè)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(duì)制備的衍射微透鏡陣列進(jìn)行測(cè)試,理論的衍射效率為94%,實(shí)際中測(cè)得的衍射效率為87%,其中的偏差主要來(lái)自于制備中的對(duì)準(zhǔn)誤差和線(xiàn)寬誤差的共同影響[17,18].

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)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(zhǎng)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(tái)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(guò)87%.可以預(yù)計(jì),通過(guò)紫外微透鏡陣列與紫外焦平面陣列單片集成技術(shù)來(lái)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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