CN104441370A - 带有仿蛾眼纳米结构的晶圆透镜阵列模具及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有仿蛾眼纳米结构的晶圆透镜阵列模具及其加工方法，带有仿蛾眼纳米结构的晶圆透镜阵列模具及其加工方法，利用此模具可以直接复制出带有仿蛾眼纳米结构的晶圆透镜阵列，此晶圆透镜阵列不需要镀增透膜即可达到可见光波段的宽光谱减低反射效果，因此极大简化了晶圆透镜阵列加工的工艺流程，而且避免了回流焊温度引起的增透膜破裂脱落等问题，具有明显的实际经济效益。

Description

带有仿蛾眼纳米结构的晶圆透镜阵列模具及其加工方法

技术领域

本发明涉及一种光学仪器加工技术，特别涉及一种带有仿蛾眼纳米结构的晶圆透镜阵列模具及其加工方法。

背景技术

微型光学摄像头在便携式电子设备上已经得到广泛的应用。比如，微型摄像头已经成为所有智能手机的标准配置。随着类似手机，视频眼镜等便携终端的小型化或薄型化，而且随着便携终端的普及，对其所搭载便携终端的摄像单元也要求进一步的小型化或薄型化，而且要求生产效率。微型光学摄像头的传统生产方式是，将微小透镜按照单颗方式生产，组装微型透镜成光学镜头，最后和成像芯片封装在一起形成微型摄像头。这种生产方式涉及多种不同生产环节，需要大量人工参与，因此成本难以降低。通过生产晶圆级光学微透镜阵列，通过逐层堆叠的方式将多片晶圆微透镜阵列集成组装成光学模块是更加经济的方法，更可以和成像芯片晶圆堆叠封装形成晶圆级光学成像模组阵列，通过切割高密度半导体晶圆可以形成独立的光学摄像头。

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。如图1所示晶圆光学透镜阵列结构示意图，晶圆光学透镜阵列1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2，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。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得到严格控制，基本希望控制在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如图1中3为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均匀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以及槽道，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。

发明内容

本发明是针对晶圆透镜阵列加工方法复杂和仿蛾眼纳米结构加工方法的局限性问题，提出了一种带有仿蛾眼纳米结构的晶圆透镜阵列模具及其加工方法，与一般的单片透镜加工相比，本发明使用了晶圆透镜阵列模具来高效率加工晶圆透镜阵列，并且所加工的晶圆透镜阵列具有仿蛾眼纳米结构，具有增透效果，并简化了加工工艺。

本发明的技术方案为：一种带有仿蛾眼纳米结构的晶圆透镜阵列模具，为一种2寸到8寸的金属模具，在其表面上分布着数个微型透镜曲面型模且形成阵列的形式；在所述金属模具的每个微型透镜曲面型模表面上分布有仿蛾眼纳米凹陷结构，此仿蛾眼凹陷结构由二维分布的多个凹部组成，所述多个凹部从表面的法线方向看时凹部孔径直径在50-300nm之间，相邻凹部的中心间距在100-600nm之间，凹部的深度在100-1000nm之间。

一种带有仿蛾眼纳米结构的晶圆透镜阵列模具的加工方法，具体包括如下步骤：

1）首先将合金成分<5%的铝合金材料加工成2寸到8寸直径的金属模具；

2）利用超精密车削和铣削工艺在所述金属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；

3）将所述金属模具工作端面放入氧化电解酸性溶液中，对光滑面型进行阳极氧化反应，在模芯表面生成一次纳米多孔氧化铝阵列结构；将所述金属模具工作端面放入酸性溶液中，将一次纳米多孔氧化铝层腐蚀掉；将所述金属模具工作端面再次放入氧化电解酸性溶液中，对光滑面型进行二次阳极氧化反应，在模芯表面生成二次纳米多孔氧化铝阵列结构；

4）将所述金属模具工作端面再放入酸性溶液中，对二次纳米多孔氧化铝阵列结构进行扩孔，达到要求的纳米凹陷结构尺寸；即生成带有仿蛾眼纳米凹陷结构的晶圆透镜阵列金属模具。

所述步骤3）是将铝金属模板置于酸性溶液中经电化学阳极氧化制备成二次纳米多孔氧化铝阵列结构，所述酸性溶液为草酸或磷酸。

一种带有仿蛾眼纳米结构的晶圆透镜阵列模具的加工方法，具体包括如下步骤：

1）首先将基底材料加工成2寸到8寸直径的金属模具，所述基底材料为端面无电解镀镍的不锈钢材料或铜材料或铝合金材料；

2）利用超精密车削和铣削工艺在所述金属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，表面光洁度要求达到10nm以内；

3）在所述金属模具光滑模芯面型上镀上一层高纯度铝薄膜；

4）将所述金属模具工作端面放入氧化电解酸性溶液中，对光滑面型进行阳极氧化反应，在模芯表面生成一次纳米多孔氧化铝阵列结构；将所述金属模具工作端面放入酸性溶液中，将一次纳米多孔氧化铝层腐蚀掉；将所述金属模具工作端面再次放入氧化电解酸性溶液中，对光滑面型进行二次阳极氧化反应，在模芯表面生成二次纳米多孔氧化铝阵列结构；

5）将所述金属模具工作端面再放入酸性溶液中，对二次纳米多孔氧化铝阵列结构进行扩孔，达到要求的纳米凹陷结构尺寸；即生成带有仿蛾眼纳米凹陷结构的晶圆透镜阵列金属模具。

所述步骤3）镀膜方式采用蒸镀、溅射或者电镀中的任意一种。

本发明的有益效果在于：本发明带有仿蛾眼纳米结构的晶圆透镜阵列模具及其加工方法，利用此模具可以直接复制出带有仿蛾眼纳米结构的晶圆透镜阵列，此晶圆透镜阵列不需要镀增透膜即可达到可见光波段的宽光谱减低反射效果，因此极大简化了晶圆透镜阵列加工的工艺流程，而且避免了回流焊温度引起的增透膜破裂脱落等问题，具有明显的实际经济效益。

附图说明

图1为晶圆光学透镜阵列结构示意图；

图2为本发明带有仿蛾眼纳米结构的晶圆透镜阵列模具结构示意图；

图3为本发明带有仿蛾眼纳米凹陷结构的晶圆光学透镜阵列金属模具加工工艺流程实施例一图；

图4为本发明带有仿蛾眼纳米凹陷结构的晶圆光学透镜阵列金属模具加工工艺流程实施例二图。

具体实施方式

本发明提出了一种带有仿蛾眼纳米结构的晶圆透镜阵列模具及其加工方法，具体涉及到一种带有仿蛾眼纳米凹陷结构的晶圆光学阵列透镜金属模具，及此金属模具的加工工艺，以及利用此模具生产带有仿蛾眼纳米结构的晶圆光学阵列透镜片的工艺。在微透镜表面增加仿蛾眼纳米结构，可以实现宽光谱大角度范围的透镜表面增透效果，取代介质增透膜。

如图2所示本发明带有仿蛾眼纳米结构的晶圆透镜阵列模具4结构示意图：一种2寸到8寸的金属模具，在其表面上分布着多个微型透镜曲面型模且形成阵列的形式。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。在所述金属模具的每个微型透镜曲面型模5表面上分布有仿蛾眼纳米凹陷结构6，此仿蛾眼凹陷结构由二维分布的多个凹部组成，所述多个凹部从表面的法线方向看时凹部孔径直径在50-300nm之间，相邻凹部的中心间距在100-600nm之间，凹部的深度在100-1000nm之间。利用所述晶圆透镜阵列金属模具可以复制加工出聚合物材料晶圆透镜阵列片，复制出的每个微型透镜表面都有二维仿蛾眼纳米凸起结构，此纳米凸起结构可以有效降低微透镜表面的光学反射。

利用所述带有仿蛾眼纳米凹陷结构的晶圆透镜阵列金属模具4，来加工带有仿蛾眼纳米凸起结构的晶圆透镜阵列片的过程如下：利用所述带有仿蛾眼纳米凹陷结构的晶圆透镜阵列金属模具4，通过浇注方式首先在一种中间材料（所述中间材料可以是塑料，也可以是聚合物材料）上复制出带有纳米结构的微透镜阵列面型，形成中间材料微透镜阵列模具；利用中间材料微透镜阵列模具，类似的通过浇注方式将一种透明柔性模具上生成带有纳米结构的微透镜阵列面型，形成透明模具；最后利用透明模具复制出最终的阵列透镜片，制备出含有仿蛾眼纳米结构的晶圆阵列透镜片。

如图3所示本发明带有仿蛾眼纳米凹陷结构的晶圆光学透镜阵列金属模具加工工艺流程实施例一图。带有仿蛾眼纳米凹陷结构的晶圆光学阵列透镜金属模具的材料是高纯度铝材料，也可以是合金成分<5%的铝合金材料；为了匹配CMOS成像芯片晶圆的加工工艺，金属模具的直径可以是2寸，4寸，6寸，或者8寸。具体包括如下步骤：

步骤1、将高纯度铝材料通过机械加工加工成2寸到8寸直径的金属模具，如图3中10；

步骤2、利用超精密车削和铣削工艺在金属模具工作端面加工出带有光滑平面和阵列微透镜的曲面光滑面型的翻印模芯，表面光洁度要求达到10nm以内，很多场合要求在5nm以内，如图3中11；

步骤3、利用铝材料的阳极氧化反应在包含平面和透镜曲面的光滑曲面模芯表面生成仿蛾眼纳米凹陷结构。其原理是将铝金属模板置于酸性溶液中经电化学阳极氧化制备而成。阳极氧化铝膜可分为三层：氧化铝膜的多孔层、氧化铝膜的阻挡层和纯铝基。铝的阳极氧化过程可分为三个阶段：第一阶段，随着氧化时间的增加电流急剧下降，表明通过阳极氧化在金属铝表面迅速形成一层致密氧化膜层；第二阶段，随着氧化时间的延长电流逐渐上升，氧化膜的生成过程中伴随着氧化膜的溶解，产生孔核，电场集中于孔核底部，导致在某些点的氧化膜被击穿，溶解速度增加，导致在这些部位形成微孔；第三阶段，电流随时间的延长基本保持恒定，表明此阶段氧化形成速度和溶解速度基本达到平衡，微孔在不断向纵深发展。

本发明中金属模具的阳极氧化反应具体过程是：将所述金属模具工作端面放入氧化电解酸性溶液中，对光滑面型进行阳极氧化反应，在模芯表面生成一次纳米多孔氧化铝阵列结构；此酸性溶液可以是草酸，磷酸等。之后将所述金属模具工作端面放入草酸或者磷酸等酸性溶液中，将一次纳米多孔氧化铝层腐蚀掉。之后将所述金属模具工作端面再次放入氧化电解酸性溶液中，对光滑面型进行二次阳极氧化反应，在模芯表面生成二次纳米多孔氧化铝阵列结构，如图3中12；

步骤4、将所述金属模具工作端面再放入酸性溶液中，对二次纳米多孔氧化铝阵列结构进行适当扩孔，达到要求的纳米凹陷结构尺寸；即生成带有仿蛾眼纳米凹陷结构的晶圆透镜阵列金属模具，如图3中13。

以图4为例说明另一种带有仿蛾眼纳米凹陷结构的晶圆光学透镜阵列金属模具加工工艺流程。带有仿蛾眼纳米凹陷结构的晶圆光学阵列透镜金属模具的材料是可以是无电解镀镍的不锈钢材料，如S136镀镍，或者是黄铜材料，如H61，或者是铝合金材料，如6061。首先将基底材料加工成2寸到8寸直径的金属模具，如图4中20；利用超精密车削和铣削工艺在所述金属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，表面光洁度要求达到10nm以内，很多场合要求在5nm以内，如图,4中21； 在所述金属模具光滑模芯面型上镀上一层高纯度铝薄膜，薄膜厚度为0.5-5um范围，所采用的镀膜方式可以是蒸镀，溅射或者电镀，如图4中22；之后将所述金属模具工作端面放入氧化电解酸性溶液中，对光滑面型进行阳极氧化反应，在模芯表面生成一次纳米多孔氧化铝阵列结构；将所述金属模具工作端面放入酸性溶液中，将一次纳米多孔氧化铝层腐蚀掉；将所述金属模具工作端面再次放入氧化电解酸性溶液中，对光滑面型进行二次阳极氧化反应，在模芯表面生成二次纳米多孔氧化铝阵列结构，如图,4中23；将所述金属模具工作端面再放入酸性溶液中，对二次纳米多孔氧化铝阵列结构进行适当扩孔，达到要求的纳米凹陷结构尺寸；即生成带有仿蛾眼纳米凹陷结构的晶圆透镜阵列金属模具，如图4中24。

Claims (5)

1.一种带有仿蛾眼纳米结构的晶圆透镜阵列模具，其特征在于，为一种2寸到8寸的金属模具，在其表面上分布着数个微型透镜曲面型模且形成阵列的形式；在所述金属模具的每个微型透镜曲面型模表面上分布有仿蛾眼纳米凹陷结构，此仿蛾眼凹陷结构由二维分布的多个凹部组成，所述多个凹部从表面的法线方向看时凹部孔径直径在50-300nm之间，相邻凹部的中心间距在100-600nm之间，凹部的深度在100-1000nm之间。

2.权利要求1所述晶圆透镜阵列模具的加工方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1）首先将合金成分<5%的铝合金材料加工成2寸到8寸直径的金属模具；

2）利用超精密车削和铣削工艺在所述金属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；

3）将所述金属模具工作端面放入氧化电解酸性溶液中，对光滑面型进行阳极氧化反应，在模芯表面生成一次纳米多孔氧化铝阵列结构；将所述金属模具工作端面放入酸性溶液中，将一次纳米多孔氧化铝层腐蚀掉；将所述金属模具工作端面再次放入氧化电解酸性溶液中，对光滑面型进行二次阳极氧化反应，在模芯表面生成二次纳米多孔氧化铝阵列结构；

4）将所述金属模具工作端面再放入酸性溶液中，对二次纳米多孔氧化铝阵列结构进行扩孔，达到要求的纳米凹陷结构尺寸；即生成带有仿蛾眼纳米凹陷结构的晶圆透镜阵列金属模具。

3.根据权利要求2所述晶圆透镜阵列模具的加工方法，其特征在于，所述步骤3）是将铝金属模板置于酸性溶液中经电化学阳极氧化制备成二次纳米多孔氧化铝阵列结构，所述酸性溶液为草酸或磷酸。

4.权利要求1所述晶圆透镜阵列模具的加工方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1）首先将基底材料加工成2寸到8寸直径的金属模具，所述基底材料为端面无电解镀镍的不锈钢材料或铜材料或铝合金材料；

2）利用超精密车削和铣削工艺在所述金属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，表面光洁度要求达到10nm以内；

3）在所述金属模具光滑模芯面型上镀上一层高纯度铝薄膜；

4）将所述金属模具工作端面放入氧化电解酸性溶液中，对光滑面型进行阳极氧化反应，在模芯表面生成一次纳米多孔氧化铝阵列结构；将所述金属模具工作端面放入酸性溶液中，将一次纳米多孔氧化铝层腐蚀掉；将所述金属模具工作端面再次放入氧化电解酸性溶液中，对光滑面型进行二次阳极氧化反应，在模芯表面生成二次纳米多孔氧化铝阵列结构；

5）将所述金属模具工作端面再放入酸性溶液中，对二次纳米多孔氧化铝阵列结构进行扩孔，达到要求的纳米凹陷结构尺寸；即生成带有仿蛾眼纳米凹陷结构的晶圆透镜阵列金属模具。

5.根据权利要求4所述晶圆透镜阵列模具的加工方法，其特征在于，所述步骤3）镀膜方式采用蒸镀、溅射或者电镀中的任意一种。