[发明专利]蓝宝石窗片上制备菲涅尔透镜的方法及其应用

说明书

一种蓝宝石窗片上制备菲涅尔透镜的方法，首先利用二元光学原理设计硅晶圆刻蚀掩模板，并在硅晶圆表面进行精准嵌套刻蚀以制备出菲涅尔透镜结构；然后通过刻蚀好的硅晶圆制备压印模板，并通过压印法和刻蚀工艺在蓝宝石窗片上制备得到菲涅尔透镜；本发明利用了蓝宝石窗片对紫外线良好的透过率，制备得到的菲涅尔透镜能够将紫外线有效地聚焦在紫外探测器的紫外线吸收区域，从而增大了紫外探测器的探测范围，提高其灵敏度。

技术领域

本发明涉及的是一种光学元件领域的技术，具体是一种蓝宝石窗片上制备菲涅尔透镜的方法及其应用。

背景技术

紫外探测技术在民用和军事领域中应用极其广泛。在民用领域，紫外探测技术可以应用于诸如火焰探测、海上油监、生物医药分析、臭氧的监测、太阳照度监测、公共安全侦察、电力设备检测等；在军事领域中，紫外探测技术则可以应用于导弹的预警制导和紫外通讯等方面。总之，紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后的新的军民两用的光电探测技术。

以碳化硅(SiC)和Ⅲ族氮化物为代表的宽禁带半导体是近年来国内外重点研究和发展的新型第三代半导体材料，具有禁带宽度大、导热性能好、电子饱和漂移速度高以及化学稳定性优等特点，用于工作于紫外波段的光探测器件具有显著的材料性能优势。其中SiC材料体系中的4H-SiC半导体，其禁带宽度为3.23eV，是制备可见光盲紫外探测器(响应边小于400nm)的优选材料；而Ⅲ族氮化物体系的禁带宽度可以从GaN的3.4eV连续变化到AlN的6.2eV。对应光吸收波长变化范围为200-365nm，覆盖了大气臭氧层吸收日盲区(240-280nm)，特别适合制备新一代的日盲深紫外探测器。

随着半导体工艺的发展和降低器件漏电流的需要，基于宽禁带半导体材料的紫外探测器件尺寸越来越小，导致紫外探测器探测范围减小，从而对其灵敏度产生比较大的影响。因此为了能够减小紫外探测器的尺寸而不影响其探测范围，研制应用于紫外探测器的聚焦透镜显得尤为重要。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种蓝宝石窗片上制备菲涅尔透镜的方法及其应用，利用了蓝宝石窗片对紫外线良好的透过率，制备得到的菲涅尔透镜能够将紫外线有效地聚焦在紫外探测器的紫外线吸收区域，从而增大了紫外探测器的探测范围，提高其灵敏度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种蓝宝石窗片上制备菲涅尔透镜的方法，首先利用二元光学原理设计硅晶圆刻蚀掩模板，并在硅晶圆表面进行精准嵌套刻蚀以制备出菲涅尔透镜结构；然后通过刻蚀好的硅晶圆制备压印模板，并通过压印法和刻蚀工艺在蓝宝石窗片上制备得到菲涅尔透镜。

所述的二元光学原理利用二元光学原理设计硅晶圆刻蚀掩模板是指：掩模板明暗区域的半径遵循公式k＝0，1，2，3……，r(k，m)是第m层掩模板上第k个圆形图案外层边界的半径，k为0时代表的是最外层透光区域的外边界，从最外层的图案到中间图案k依次递增，f是透镜的焦距，λ为紫外探测器所要探测紫外线的波长。

所述的精准嵌套刻蚀，使用掩模板在硅晶圆上进行四次嵌套刻蚀，在硅晶圆上刻蚀出菲涅尔透镜的台阶结构；后一次的刻蚀与前一次的刻蚀位置精确对准。为了制作出小于400nm波长紫外线的聚焦透镜，每次刻蚀的深度为280～400nm。刻蚀工艺采用但不限于RIE(反应离子刻蚀)和ICP(感应耦合等离子体刻蚀)

所述的压印模板采用但不限于：通过蒸镀镍薄膜后电镀镍厚膜制备镍压印模板，通过旋涂h-PDMS(乙烯基聚二甲基硅氧烷)制备h-PDMS压印模板。

所述的压印法采用但不限于：热压印、紫外压印。

所述的刻蚀工艺，采用但不限于：RIE(反应离子刻蚀)、ICP(感应耦合等离子体刻蚀)等干法刻蚀方法。

本发明涉及上述方法制备得到的菲涅尔透镜的应用，将带有菲涅尔透镜的蓝宝石窗片与紫外探测器芯片对准并封装，从而将紫外线聚焦于紫外探测器的吸收区域。