CN104526929B - 带有仿蛾眼随机阵列纳米凹陷结构的晶圆透镜阵列模具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有仿蛾眼随机阵列纳米凹陷结构的晶圆透镜阵列模具及其制备方法，晶圆透镜阵列模具由硅或锗材料制作，模具表面均匀分布着微型透镜凹陷曲面型模且形成阵列；每个凹陷曲面型模表面分布有仿蛾眼随机阵列纳米凹陷结构，纳米凹陷结构的尺寸和相邻间距呈随机分布，纳米凹陷结构的底部直径为10‑100nm，顶部直径为50‑300nm，相邻纳米凹陷结构的中心间距为100‑500nm，纳米凹陷结构的高度为100‑1500nm；采用晶圆透镜阵列模具批量制备的每个聚合物材料晶圆微透镜片，其表面皆具有二维随机阵列仿蛾眼纳米凸起结构，无需镀增透膜即可达到可见光波段的宽光谱减反效果，极大地简化了工艺流程。

Description

带有仿蛾眼随机阵列纳米凹陷结构的晶圆透镜阵列模具及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种加工晶圆透镜阵列片的模具，具体涉及一种带有仿蛾眼随机阵列纳米凹陷结构的晶圆透镜阵列模具及其制备方法。

背景技术

晶圆光学透镜阵列片是指在一个平面晶圆基底上按照特定阵列排布形式加工出一定数量的光学微透镜，透镜材料可以是光学级聚合物材料，也可以是光学玻璃材料。

最近，主要的手机厂商都将晶圆光学摄像头(Wafer Level Camera, WLC)作为下一代低成本手机摄像头制造的最有前景的技术。晶圆光学摄像头是指，透镜组件在2寸-8寸光学晶圆上制造，之后将光学晶圆与CMOS图像传感器晶圆叠装在一起，最后将该堆叠的晶圆切成数千个微型摄像头模块。几乎所有大型的摄像头供应商都在考虑使用WLC解决方案。WLC的概念具有缩减制造和封装成本的潜力，还可以通过将手动工作步骤替换为全自动晶圆级工艺加工步骤而进一步提高质量。

WLC解决方案已被众多厂家应用，但是还存在若干技术难题，其中增透就是一个重要问题。晶圆透镜阵列加工是晶圆光学摄像模组光学镜片加工的主要工艺环节。晶圆透镜阵列主要通过基于带有透镜面型的模具的翻印或者压印等办法来加工。由于微型摄像模组中包含多个通光透镜面，为了保证整个成像系统的光学透射率，每个透镜面的反射率必须严格控制在1%以下。因此，晶圆片透镜阵列在翻印加工出来之后必须镀增透膜来提高光学透射率。由于8寸阵列透镜片厚度薄，面积较大，在镀增透膜过程中容易出现翘曲变形等情况。一旦发生翘曲，晶圆阵列透镜片在后续的堆叠对准工艺流程中将达不到对准精度，导致废品发生。另外，传统介质增透膜由于和透镜材料热膨胀性能不同，在后续回流焊过程中也存在困难，另外大视场大光谱范围的高透射比增透膜也比较复杂。

仿蛾眼纳米结构已被理论和实践证明可以实现在宽光谱段内的光学增透效果。仿蛾眼纳米线结构，利用其极大的深宽比将光限制在纳米线之间，达到减反目的，是目前减反性能最好的纳米结构。现有加工蛾眼纳米结构的方法主要是，利用二次全息曝光和干法刻蚀方法在平面基底上形成仿蛾眼二维纳米结构，之后利用此平面基底模具在热固化或者紫外光固化材料上翻印出平面基底上的增透纳米结构。这种方法基本只能在平面基底材料上加工出仿蛾眼纳米结构。平面基底模具也可以翻印到PDMS（聚甲基二氧硅烷）等柔性材料上，形成柔性基底模具，可以用来形成辊筒状模具，在薄膜基底上加工二维纳米结构。

但是，以上仿蛾眼纳米增透结构加工方法并不能在类似透镜表面的曲面面型上加工出满足要求的二维仿蛾眼纳米结构。因为，曲面基底上很难利用全息曝光形成均匀的二维纳米结构图案。尤其是在晶圆透镜阵列表面上更难加工出均匀的二维纳米结构图案，因为一个阵列透镜片上存在众多透镜曲面，曝光方法很难形成均匀的纳米图形。有文献报道了应用表面直接等离子处理的方法在透镜阵列表面制造出二维纳米结构，但是得到的纳米结构的几何特征不规则，不能满足工业应用实现高透射率的要求。有文献报道利用铝材料的阳极氧化反应方法制造带有二维纳米结构的金属模具方法，但也只涵盖了平面模具。本发明人此前申请了基于铝材料的阳极氧化反应的晶圆透镜阵列模具专利（申请号：201410630217.0），利用此模具可以直接复制加工出带有仿蛾眼阵列纳米结构的晶圆透镜阵列片，不需要镀增透膜即可达到高透射率。在部分应用场合中，铝材料作为模具基材存在机械性能不够和膨胀系数匹配的问题。

发明内容

本发明公开了一种基于硅或者锗材料的带有仿蛾眼随机阵列纳米凹陷结构的晶圆透镜阵列模具及其制备方法，可以直接复制加工出带有仿蛾眼随机阵列纳米结构的晶圆透镜阵列片，如图1所示，它不需要镀增透膜即可达到可见光波段的宽光谱增透，有效降低反射，不仅极大简化了晶圆透镜阵列片加工的工艺流程，而且避免了回流焊温度引起的介质增透膜破裂脱落等问题，具有明显的实际经济效益。

本发明技术方案实施如下：

一种带有仿蛾眼随机阵列纳米凹陷结构的晶圆透镜阵列模具，其特点是：所述的晶圆透镜阵列模具由硅或者锗材料制作，直径为2寸～8寸之间，在晶圆透镜阵列模具的表面上均匀分布着微型透镜凹陷曲面型模且形成阵列的形式；在所述晶圆模具的每个微型透镜凹陷曲面型模表面上，分布有仿蛾眼随机阵列纳米凹陷结构，纳米凹陷结构的尺寸和相邻间距呈随机分布，其中：纳米凹陷结构的底部直径在10-100nm之间，顶部直径在50-300nm之间，相邻纳米凹陷结构的中心间距在100-500nm之间，纳米凹陷结构的高度在100-1500nm之间；采用所述晶圆透镜阵列模具复制加工出的每个聚合物材料晶圆微透镜片，其表面都有二维随机阵列仿蛾眼纳米凸起结构，此随机阵列纳米凸起结构用于降低微透镜表面的光学反射。

所述的硅或者锗材料，是单晶硅、单晶锗，多晶硅、多晶锗，含锗的硫系玻璃材料中的一种；增加了晶圆透镜阵列模具基材的选择范围。

一种带有仿蛾眼随机阵列纳米凹陷结构的晶圆透镜阵列模具的制备方法，具体步骤如下：

步骤1：首先将硅或者锗材料加工成2寸到8寸直径的晶圆模具；

步骤2：利用超精密抛光和车削或者铣削，将所述模具工作端面加工出带有光滑平面和阵列透镜的曲面光滑面型的翻印模芯，表面光洁度达到10nm以内；

步骤:3：底部附上一层金属或玻璃块体，加大模具的总体厚度；

步骤4：在所述模具工作端面生成一层连续的金属金膜或者金属银膜，金属膜厚度在5-100nm之间；

步骤5：在真空或者惰性气体环境下对覆盖有连续金属薄膜的硅或者锗模具快速退火处理，使金属膜层自凝聚成随机分布的纳米金属颗粒，纳米金属颗粒的尺寸在10-100nm之间；

步骤6：利用反应离子刻蚀系统对带有纳米金属颗粒的硅或者锗晶圆模具工作端面进行刻蚀，并达到刻蚀深度；

步骤7：用酸性溶液清洗掉残留在硅或者锗基底表面的金属纳米颗粒；即生成带有仿蛾眼随机阵列纳米凹陷结构的晶圆透镜阵列模具。

所述的金属银薄膜通过下述方法：化学银镜反应、蒸镀方法、溅射方法、外延生长方法中的一种方法生成。

所述的金属金薄膜通过下述方法：蒸镀方法，溅射方法，外延生长方法中的一种方法生成。

本发明的有益效果在于：利用本发明设计的带有仿蛾眼纳米结构的晶圆透镜阵列模具，可以直接批量复制出带有仿蛾眼纳米结构的晶圆透镜片，此晶圆透镜片不需要镀增透膜即可达到可见光波段的宽光谱并降低反射效果，极大简化了晶圆透镜片加工的工艺流程，而且避免了回流焊温度引起的增透膜破裂脱落等问题。

附图说明

图1为带有仿蛾眼随机阵列纳米结构的晶圆透镜阵列片示意图；

图2为带有仿蛾眼随机阵列纳米凹陷结构的晶圆透镜阵列模具结构示意图；

图3为带有仿蛾眼随机阵列纳米凹陷结构的晶圆透镜阵列模具制备方法示意图。

1、晶圆基底，2、微型光学透镜面，3、随机阵列纳米凸起结构，4、模具基底，5、微型透镜凹陷曲面型模面，6、仿蛾眼随机阵列纳米凹陷结构。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明，但实施例并不用于限制本发明，凡采用本发明的相似结构、方法及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

本发明公开了一种基于硅或者锗材料的带有仿蛾眼随机阵列纳米凹陷结构的晶圆透镜阵列模具及其制备方法，可以直接复制出带有仿蛾眼随机阵列纳米结构的晶圆透镜阵列片，如图1所示。在所述的晶圆透镜阵列片的晶圆基底1上；按照一定的阵列分布有多个微型光学透镜面2；在每个微型光学透镜面2上又分布有随机阵列纳米凸起结构3，此随机阵列纳米凸起结构类似蛾眼上的纳米结构，具有降低光学透镜面的光反射的功能。图1中的带有仿蛾眼随机阵列纳米结构的晶圆透镜阵列片在不镀增透膜的情况下即拥有宽光谱内的高透射率，可以直接应用于相机模组组装。

本发明公开的一种带有仿蛾眼随机阵列纳米凹陷结构的晶圆透镜阵列模具，结构如图2所示。所述的模具基底4是一种2寸到8寸的硅或者锗材料晶圆，在其表面上以阵列形式分布着多个微型透镜凹陷曲面型模面5，这种晶圆形式适合于聚合物微型透镜的批量生产制造，并支持晶圆级别的封装加工。这里的硅或者锗材料，可以是单晶硅或单晶锗，也可以是多晶硅或多晶锗，也可以是含锗的硫系玻璃材料，如GeAsSe和GeSeTe，这样增加了晶圆透镜阵列模具基材的选择范围，扩大了此种模具的实际适应性。此类材料比较适合通过超精密加工方式生产。在所述模具的每个微型透镜凹陷曲面型模表面上分布有仿蛾眼随机阵列纳米凹陷结构6，从垂直于表面方向向下看，纳米凹陷结构的尺寸和相邻间距呈随机分布。总体上纳米凹陷结构的最底部直径在10-100nm之间，顶部直径在50-300nm之间，相邻纳米凹陷结构的中心间距在100-500nm之间，纳米凹陷结构的高度在100-1500nm之间。纳米凹陷结构尺寸和间距的随机性有利于最终复制出来的微透镜片的增透效果。利用所述晶圆透镜阵列模具可以复制加工出聚合物材料晶圆微透镜阵列片，如图1所示，复制出的每个微型透镜表面都有二维随机阵列仿蛾眼纳米凸起结构，此随机阵列纳米凸起结构使得微型透镜的界面折射率产生一个渐变，可以有效降低微透镜表面的光学反射。

本发明所公开的一种带有仿蛾眼随机阵列纳米凹陷结构的晶圆透镜阵列模具，其制备方法如图3所示：

步骤1：首先将硅或者锗材料加工成2寸到8寸直径的晶圆模具；

步骤2：利用超精密抛光和车削或者铣削，将所述模具工作端面加工出带有光滑平面和阵列透镜的曲面光滑面型的翻印模芯，表面光洁度达到10nm以内；

步骤:3：底部附上一层金属或玻璃块体，加大模具的总体厚度；

步骤4：在所述模具工作端面生成一层连续的金属金膜或者金属银膜，金属膜厚度在5-100nm之间；

步骤5：在真空或者惰性气体环境下对覆盖有连续金属薄膜的硅或者锗模具快速退火处理，使金属膜层自凝聚成随机分布的纳米金属颗粒，纳米金属颗粒的尺寸在10-100nm之间；

步骤6：利用反应离子刻蚀系统对带有纳米金属颗粒的硅或者锗晶圆模具工作端面进行刻蚀，并达到刻蚀深度；

步骤7：用酸性溶液清洗掉残留在硅或者锗基底表面的金属纳米颗粒；即生成带有仿蛾眼随机阵列纳米凹陷结构的晶圆透镜阵列模具。

在模具端面镀金属银膜以银镜反应为例，将适当浓度的硝酸银、氢氧化钠与氨水按等比例配比混合形成银氨溶液，将之与相同体积的适当浓度葡萄糖水溶液混合，在室温下发生氧化还原反应，形成金属银膜。本发明中硅或者锗模具氧化还原银镜反应的具体过程是：将所述硅或者锗模具工作端面放入银氨溶液中，与葡萄糖水溶液混合，在室温下发生氧化还原的银镜反应，即在硅或者锗模具表面形成金属银膜；控制反应时间，可以制备出10-100nm厚的均匀连续银膜。

在真空或者惰性气体环境下对覆盖有连续金属薄膜的硅或者锗模具快速退火处理，使得金属膜层自凝聚成随机分布的纳米金属颗粒。纳米金属颗粒的直径和相邻间距呈随机分布，与原始金属膜层厚度和退火条件有关，但控制退火参数总体上可以控制纳米金属颗粒的尺寸和间距在适当范围。纳米金属颗粒层此时就相当于一层纳米图形结构的掩模版。利用反应离子刻蚀系统对硅或者锗基底进行刻蚀处理，形成硅或者锗基底的凹陷；控制刻蚀参数和时间，使得硅或者锗基底上凹陷尺寸达到要求；最后用酸性溶液清洗残留在基底表面的金属纳米颗粒，最后形成了随机分布仿蛾眼纳米凹陷结构的晶圆透镜阵列硅或者锗模具。利用该模具复制出最终的阵列透镜片，制备出带有仿蛾眼纳米结构的晶圆阵列透镜片。

Claims (5)

1.一种带有仿蛾眼随机阵列纳米凹陷结构的晶圆透镜阵列模具，其特征在于：所述的晶圆透镜阵列模具由硅或者锗材料制作，直径为2寸～8寸之间，在晶圆透镜阵列模具的表面上均匀分布着微型透镜凹陷曲面型模且形成阵列的形式；在所述晶圆模具的每个微型透镜凹陷曲面型模表面上，分布有仿蛾眼随机阵列纳米凹陷结构，纳米凹陷结构的尺寸和相邻间距呈随机分布，其中：纳米凹陷结构的底部直径在10-100nm之间，顶部直径在50-300nm之间，相邻纳米凹陷结构的中心间距在100-500nm之间，纳米凹陷结构的高度在100-1500nm之间；采用所述晶圆透镜阵列模具复制加工出的每个聚合物材料晶圆微透镜片，其表面都有二维随机阵列仿蛾眼纳米凸起结构，此随机阵列纳米凸起结构用于降低微透镜表面的光学反射。

2.根据权利要求1所述的一种带有仿蛾眼随机阵列纳米凹陷结构的晶圆透镜阵列模具，其特征在于：所述的硅或者锗材料，是单晶硅、单晶锗，多晶硅、多晶锗，含锗的硫系玻璃材料中的一种。

3.一种带有仿蛾眼随机阵列纳米凹陷结构的晶圆透镜阵列模具的制备方法，特征在于：

步骤1：首先将硅或者锗材料加工成2寸到8寸直径的晶圆模具；

步骤2：利用超精密抛光和车削或者铣削，将所述模具工作端面加工出带有光滑平面和阵列透镜的曲面光滑面型的翻印模芯，表面光洁度达到10nm以内；

步骤:3：底部附上一层金属或玻璃块体，加大模具的总体厚度；

步骤4：在所述模具工作端面生成一层连续的金属金膜或者金属银膜，金属膜厚度在5-100nm之间；

步骤5：在真空或者惰性气体环境下对覆盖有连续金属薄膜的硅或者锗模具快速退火处理，使金属膜层自凝聚成随机分布的纳米金属颗粒，纳米金属颗粒的尺寸在10-100nm之间；

步骤6：利用反应离子刻蚀系统对带有纳米金属颗粒的硅或者锗晶圆模具工作端面进行刻蚀，并达到刻蚀深度；

步骤7：用酸性溶液清洗掉残留在硅或者锗基底表面的金属纳米颗粒；即生成带有仿蛾眼随机阵列纳米凹陷结构的晶圆透镜阵列模具。

4.根据权利要求3所述的带有仿蛾眼随机阵列纳米凹陷结构的晶圆透镜阵列模具的制备方法，其特征在于：所述的金属银膜通过下述方法：化学银镜反应、蒸镀方法、溅射方法、外延生长方法中的一种方法生成。

5.根据权利要求3所述的带有仿蛾眼随机阵列纳米凹陷结构的晶圆透镜阵列模具的制备方法，其特征在于：所述的金属金膜通过下述方法：蒸镀方法，溅射方法，外延生长方法中的一种方法生成。