紫外成像器件中衍射微透镜阵列设计和研制

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1、紫外成像器件中衍射微透镜阵列设计和研制摘要：为了提高紫外成像器件的填充因子，紫外衍射微透镜阵列的整体性能满足了微透镜阵列与紫外成像阵列的单片集成要求。关键词：紫外；微透镜阵列；组合多层镀膜与剥离中图分类号：TN43；TN23文献标识码：Adoi：10.3969/j.issn.10055630.2012.02.013引言紫外凝视成像器件（FPA）要求具有探测灵敏度髙、重量轻、体积小，但由于复杂的读出电路使得探测器有效光敏面的占空比即填充因子小于1,从而限制了探测器的性能。利用微透镜阵列作为聚能器件与探测器耦合，可以有效地改善探测器的性能。微透镜

2、阵列是一系列直径在10〜1000um之间的微小透镜在基板上按照一定形状排列形成的阵列。这种技术在上世纪90年代就开始运用在红外探测上了，并有效地提高了红外成像阵列的探测性能［13］。近年来，紫外探测器在军用和民用领域的应用越来越广泛，各国对其的研究也越来越重视。在军事上，导弹预警、制导、紫外通讯、生化分析等方面都有紫外探测的需求。在民用上，广泛应用于明火探测、生物医药分析、臭氧监测、海上油监、太阳照度监测、公安侦察、紫外树脂固化、燃烧工程及紫外水净化处理中的紫外线测量、火焰探测等领域。紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后的又一军民两用光电探

3、测技术［4,5］。紫外光电系统迫切需要大规模高性能的紫外成像器件。为此文中针对背照式紫外成像器件的紫外辐射从其背面入射的这一特点，通过将紫外成像器件与微透镜阵列单片集成，以解决紫外成像器件与微透镜阵列混合集成存在的光辐射损失大、可靠性低、工艺重复性差等问题。1紫外微透镜阵列的设计衍射微透镜阵列与紫外FPA的集成如图1所示，通过微透镜对光的会聚作用，提高FPA对光的利用率。二元位相型衍射微透镜是基于菲涅尔波带片的傍轴衍射原理设计，是将菲涅尔波带片制备成闪耀的相位结构。但是由于连续面型的衍射微透镜难于加工，目前都用多台阶结构来近似连续面型结构，台

4、阶数越多其衍射效率就越高。在许多应用场合中，当微光学元件的特征尺寸为波长量级或亚波长量级，刻蚀深度也较大，标量衍射理论中的假设和近似便不再成立，必须采用严格的矢量衍射理论。当元件的特征尺寸大于波长时，衍射与偏振态无关，光的性质与入射角、波长基本无关，文中正是应用标量衍射理论来设计微透镜阵列［1］。微透镜阵列的一级衍射效率可以表述为2微透镜阵列的制备目前，制作二元光学器件的方法很多，如灰阶掩模板法、光刻法、激光热敏加工法、金刚石车削法、准分子激光加工法等。这些方法存在一系列的譬如工作温度高、设备昂贵、工艺兼容性差、成本高等问题。考虑到在紫外波段

5、，表面浮雕结构的深度为纳米量级，现采用组合多层镀膜与剥离的微细加工工艺制备衍射微透镜的表面浮雕结构。组合多层镀膜与剥离的微细加工工艺制备衍射微透镜阵列的步骤如下：(1)利用光刻技术直接在背照式紫外探测器芯片的光入射面制备光刻掩模图形；(2)采用镀膜方法在具有光刻掩模图形的表面沉积膜层；(3)将具有膜层的芯片浸入去胶剂中，浸泡3〜5min；(4)通过摇晃或超声震动，将光刻胶上的膜层和光刻胶去除干净，上述工艺完成，可获得2台阶的表面浮雕结构，如图2(a)；(5)通过一次重复(1)到(4)的工艺步骤，可获得所需4台阶的表面浮雕结构，如图2(b),通

6、过两次重复(1)到(4)的工艺步骤，可获得所需8台阶的表面浮雕结构，如图2(c)；(6)最终将具有衍射微透镜的紫外成像阵列芯片用去离子水清洗1〜2min；最后用高纯氮气吹干。图2就是采用组合多层镀膜与剥离的微细加工工艺制备8台阶衍射微透镜阵列［9］的流程图。应用JC5003/D型磁控溅射镀膜设备，在衬底温度不超过80°C的条件下制备GaN膜层，实验中光刻胶为AZP4620o在制备工艺中发现，涂光刻胶时，在不影响均匀性和分辨力的前提下，光刻胶越厚越好，这样容易剥离不需要的GaN膜层。此外，曝光时一定要保持曝光充分，以确保显影时能够显示清晰的图形

7、。当微透镜台阶深度比较大时，曝光量小于曝光阈值的区域就比较小，所以微透镜面形失真的区域比较小。而当要制备的微透镜台阶深度较小时，抗蚀剂表面曝光量小于曝光阈值的区域就变得非常大，显影结束后微透镜面形失真的区域将大大降低对光的调制能力。通过上述的设计方法和工艺技术，制备了用于128X128紫外FPA的衍射微透镜阵列，其中焦距为178um,中心距为5011m,环带数为2,台阶数为8,中心波长为350nmo其显微照片如图3所示。组合多层镀膜与剥离的微细加工工艺技术整个过程简单，薄膜厚度可精确至纳米级，精度高，操作方便，重复性好，实用性强，较之目前市场

8、上譬如灰度等级掩模与刻蚀，激光束辅助加工技术等有不可比拟的优势。由于这种工艺方法的膜层厚度可精确到纳米级，深度误差对衍射微透镜的影响不大。因此，制备主要有两种误差：