一种离子束抛光单片集成Fabry-Pérot腔全彩滤光片大批量制造方法技术

本发明专利技术公开了一种离子束抛光单片集成Fabry‑Pérot腔全彩滤光片大批量制造方法。该方法首先是准备一片衬底，开展衬底材料的单点驻留抛光试验，对衬底材料开展不同扫描速度条件下的分区域加工，制成微纳米台阶阵列结构模板；将模板上微纳米台阶阵列结构转移到光学固化胶上；依次在光学固化胶上沉积一定纳米厚度的顶层金属层和电介质层薄膜；采用离子束抛光对多余的电介质层薄膜进行平坦化加工；再沉积一定纳米厚度的底层金属层制成单片集成Fabry‑Pérot腔全彩滤光片；最后，对批量制造的全彩滤光片的光谱性能进行随机抽检测试。本发明专利技术工艺简单、可操作性强，而且适用于单片集成Fabry‑Pérot腔全彩滤光片的大批量、大面积、高效率、高精度及低成本可控制造。

Mass production of fabry-p \u00e9 rot cavity full-color filter by ion beam polishing

【技术实现步骤摘要】
一种离子束抛光单片集成Fabry-Pérot腔全彩滤光片大批量制造方法
本专利技术属于微纳制造领域，尤其涉及一种离子束抛光单片集成Fabry-Pérot腔全彩滤光片大批量制造新工艺。
技术介绍
近年来，单片集成Fabry-Pérot腔全彩滤光片在扫描成像、光纤传感、光谱探测、高分辨率显示和光学防伪等领域的应用越来越广泛，旺盛的市场消费需求对其目前的大批量生产能力提出了严峻挑战。现阶段单片集成Fabry-Pérot腔全彩滤光片的制造工艺主要包括镀膜技术和光刻技术。单片集成Fabry-Pérot腔全彩滤光片的核心结构为单片集成的阶跃式纳米台阶阵列结构，该结构的制造基本上是通过光刻技术(如紫外光刻、像素化掩膜版光刻、电子束灰度曝光和电子束冰刻等)或套刻工艺(如光刻工艺和离子束刻蚀工艺相结合)来完成。例如，专利(申请号：200910207134.X)涉及了一种具有多波长处理功能的单片集成探测器阵列的制备方法，经过多次刻蚀工艺和二次外延生长工艺在GaAs基衬底上实现了多阶梯结构的Fabry-Pérot谐振腔结构。另外，专利(申请号：201410519408.X)和专利(申请号：201410519354.7)提出了一种高精度多台阶微透镜阵列的制作方法。然而，现有单片集成的阶跃式纳米台阶阵列结构的制造工艺存在加工面积有限、整体工艺复杂、掩膜版固化及加工成本过高等问题，难以满足工业化领域的大批量生产需求。目前，离子束抛光加工技术与纳米压印技术已各自发展成为微纳制造领域的一种成熟工艺技术。因此，基于离子束抛光加工的高确定性、高稳定性和非接触等加工特点，同时借助纳米压印技术的高分辨率、高产量和低成本等加工优势，完全有可能发展一种全新的工业化制造技术，从根本上开辟单片集成Fabry-Pérot腔全彩滤光片生产的广阔前景。
技术实现思路
本专利技术的目的是：针对单片集成Fabry-Pérot腔全彩滤光片在大批量制造工艺过程中存在的问题，开发一种适用于单片集成Fabry-Pérot腔全彩滤光片的大批量、高效率、高精度及低成本可控制造新工艺，促进大面积结构色全彩滤光片器件的工程化应用。本专利技术所采取的技术方案是：一种离子束抛光单片集成Fabry-Pérot腔全彩滤光片大批量制造方法，首先是准备一片高表面精度与高表面质量的衬底；然后，开展衬底材料的单点驻留抛光试验研究以确定其离子束抛光工艺去除函数，并采用栅格路径扫描法对衬底材料开展不同扫描速度条件下的分区域加工，制成微纳米台阶阵列结构模板；再利用检测装置对单个微纳米台阶的高度、面形精度和表面粗糙度进行检测，并判别检测结果是否符合加工精度要求，若不符合则重新采用离子束抛光工艺对单个微纳米台阶进行修形加工；若符合，则通过批量化光学固化胶注入、剥离与翻转工艺，将模板上微纳米台阶阵列结构转移到光学固化胶上；依次在带有微纳米台阶阵列结构的光学固化胶上沉积一定纳米厚度的顶层金属层和电介质层薄膜；然后采用离子束抛光对多余的电介质层薄膜进行平坦化加工；再在离子束平坦化加工后的电介质层薄膜上沉积一定纳米厚度的底层金属层，即可形成单片集成Fabry-Pérot腔全彩滤光片；最后，对批量制造的单片集成Fabry-Pérot腔全彩滤光片的光谱性能进行随机抽检测试。具体技术方案包括以下几个关键点：(1)衬底准备衬底材料选择硅片或石英玻璃。为了保证微纳米台阶阵列结构高精度制造过程的可靠性与稳定性，需要对订制的大面积衬底材料的表面精度与表面质量提出一定要求。以尺寸为Φ50.8×2mm的硅片衬底和55mm×55mm×2mm的石英玻璃衬底为例，要求它们在全口径范围内的面形精度PV≤λ/10，表面粗糙度Ra≤1nm，同时表面不允许出现裂纹、划痕及凹坑等缺陷。(2)微纳米台阶阵列结构模板加工与检测首先，在离子束抛光机床上开展衬底材料单点驻留抛光试验，获取去除函数A(x,y)。接下来，采用栅格路径扫描法对衬底材料进行不同扫描速度条件下的分区域加工，即离子束以光栅扫描的方式在所界定的区域表面循环移动，最终可形成不同高度的微纳米台阶阵列结构。采用轮廓仪(PGI1240,TaylorHobson)、激光干涉仪(GPI(TM)XPD,Zygo)及原子力显微镜(MultiMode8,Bruker)等检测装置对单个微纳米台阶的高度、面形精度和表面粗糙度进行检测，并判别其检测结果是否符合加工精度要求：台阶高度误差≤±5nm，面形精度PV≤λ/10，表面粗糙度Ra≤1nm。若不符合，则根据检测结果重新采用离子束抛光工艺对单个微纳米台阶进行修形加工。(3)光学固化胶转移微纳米台阶阵列结构通过批量化的光学固化胶注入、剥离与翻转工艺，将模板上微纳米台阶阵列结构转移到光学固化胶上，制成批量化的带有微纳米台阶阵列结构的光学固化胶结构。光学固化胶在注入过程中要求注入均匀，剥离与翻转过程中要求不粘附且稳固。光学固化胶上转移而来的微纳米台阶阵列结构精度要求：台阶高度误差≤±5nm，面形精度PV≤λ/10，表面粗糙度Ra≤1nm。(4)顶层金属层II沉积与电介质层薄膜沉积通过电子束蒸发系统(KurtJ.Lesker,Lab-Line)在带有微纳米台阶阵列结构的光学固化胶上依次沉积厚度在光学厚度范围(～100nm)的顶层金属层II和厚度在光学厚度范围(～1000nm)的电介质层薄膜材料。要求顶层金属层II和电介质层在沉积过程中沉积速率稳定、膜层厚度均匀且沉积后无表面应力释放。(5)电介质层薄膜平坦化加工由于电介质层薄膜材料沉积的厚度较厚，在沉积后其顶面和底面均会复制光学固化胶上的微纳米台阶阵列结构，而单片集成Fabry-Pérot腔全彩滤光片的结构要求电介质层的两个面分别为平面和台阶面。因此，根据微纳米台阶阵列结构的尺寸要求以及电介质层薄膜沉积的膜层厚度，在离子束抛光机床上选择合理的离子束抛光工艺参数开展电介质层薄膜平坦化加工试验，将电介质层薄膜加工成符合单片集成Fabry-Pérot腔全彩滤光片结构要求的微纳米台阶阵列结构。电介质层薄膜平坦化加工完成后，采用光谱椭偏仪(SE-VE)对膜层厚度进行测量，并对测量数据的沉积误差进行分析；采用场发射扫描电子显微镜(FESEM,ZeissSigma-HD)对制得的电介质层薄膜的表面形貌进行观测。(6)底层金属层I沉积通过电子束蒸发系统(KurtJ.Lesker,Lab-Line)在平坦化后的介质层上沉积厚度在光学厚度范围(～100nm)的底层金属层I。要求底层金属层I在沉积过程中沉积速率稳定、膜层厚度均匀且沉积后无表面应力释放。(7)单片集成Fabry-Pérot腔全彩滤光片的光谱性能随机抽检测试为了评价Fabry-Pérot腔全彩滤光片的光谱响应特性，需要对反射或透射光谱进行测量。实验的反射或透射光谱可通过微区反射光谱测量系统测得，该系统是基于光学显微镜(MPlanFLN,Olympus)搭建而成并且能够实现高精度物体光谱采集的测试系统。然后，将测试结果与模拟光谱结果进行对比，分析本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种离子束抛光单片集成Fabry-Pérot腔全彩滤光片大批量制造方法，其特征在于：首先准备一片衬底；然后，开展衬底材料的单点驻留抛光试验确定其离子束抛光工艺去除函数，并采用栅格路径扫描法对衬底材料开展不同扫描速度条件下的分区域加工，制成微纳米台阶阵列结构模板；再利用检测装置对单个微纳米台阶的高度、面形精度和表面粗糙度进行检测，并判别检测结果是否符合加工精度要求，若不符合则重新采用离子束抛光工艺对单个微纳米台阶进行修形加工；若符合，则通过批量化光学固化胶注入、剥离与翻转工艺，将模板上微纳米台阶阵列结构转移到光学固化胶上；依次在带有微纳米台阶阵列结构的光学固化胶上沉积纳米厚度的顶层金属层和电介质层薄膜；然后采用离子束抛光对多余的电介质层薄膜进行平坦化加工；再在离子束平坦化加工后的电介质层薄膜上沉积一定纳米厚度的底层金属层，即可形成单片集成Fabry-Pérot腔全彩滤光片；最后，对批量制造的单片集成Fabry-Pérot腔全彩滤光片的光谱性能进行随机抽检测试。/n

【技术特征摘要】
1.一种离子束抛光单片集成Fabry-Pérot腔全彩滤光片大批量制造方法，其特征在于：首先准备一片衬底；然后，开展衬底材料的单点驻留抛光试验确定其离子束抛光工艺去除函数，并采用栅格路径扫描法对衬底材料开展不同扫描速度条件下的分区域加工，制成微纳米台阶阵列结构模板；再利用检测装置对单个微纳米台阶的高度、面形精度和表面粗糙度进行检测，并判别检测结果是否符合加工精度要求，若不符合则重新采用离子束抛光工艺对单个微纳米台阶进行修形加工；若符合，则通过批量化光学固化胶注入、剥离与翻转工艺，将模板上微纳米台阶阵列结构转移到光学固化胶上；依次在带有微纳米台阶阵列结构的光学固化胶上沉积纳米厚度的顶层金属层和电介质层薄膜；然后采用离子束抛光对多余的电介质层薄膜进行平坦化加工；再在离子束平坦化加工后的电介质层薄膜上沉积一定纳米厚度的底层金属层，即可形成单片集成Fabry-Pérot腔全彩滤光片；最后，对批量制造的单片集成Fabry-Pérot腔全彩滤光片的光谱性能进行随机抽检测试。


2.根据权利要求1所述的一种离子束抛光单片集成Fabry-Pérot腔全彩滤光片大批量制造方法，其特征在于：衬底材料选择硅片或石英玻璃。


3.根据权利要求1所述的一种离子束抛光单片集成Fabry-Pérot腔全彩滤光片大批量制造方法，其特征在于：微纳米台阶阵列结构模板加工与检测包括如下步骤：
首先，在离子束抛光机床上开展衬底材料单点驻留抛光试验，获取去除函数A(x,y)；接下来，采用栅格路径扫描法对衬底材料进行不同扫描速度条件下的分区域加工，即离子束以光栅扫描的方式在所界定的区域表面循环移动，最终形成不同高度的微纳米台阶阵列结构；采用轮廓仪、激光干涉仪及原子力显微镜检测装置对单个微纳米台阶的高度、面形精度和表面粗糙度进行检测，并判别其检测结果是否符合加工精度要求：台阶高度误差≤±5nm，面形精度PV≤λ/10，表面粗糙度Ra≤1nm；若不符合，则根据检测结果重新采用离子束抛光工艺对单个微纳米台阶进行修形加工。


4.根据权利要求1所述的一种离子束抛光单片集成Fabry-Pérot腔全彩滤光片大批量制造方法，其特征在于：
通过批量化的光学固化胶注入、剥离与翻转工艺，将模板上微纳米台阶阵列结构转移到光学固化胶上，制成批...

【专利技术属性】
技术研发人员：李平，段辉高，王兆龙，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43