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与流程

本发明属于微纳制造领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明的目的是：

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。

本发明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，分析加工工艺的精确度与稳定性。同时，依照国际照明委员会建立的cie标准色度学系统，将获得的光谱数据转换成人类所能感知的颜色，为颜色数据库的建立提供数据支撑，并用来评价获得的结构色像素的显色性能。

1.批量化制造。光子束光刻、电子束光刻和离子束套刻等方法制造fabry-pérot腔全彩滤光片属于样品个性化加工，其工艺流程基本上是在实验室完成，并未考虑到市场需求的批量化生产。本发明采用的离子束抛光加工与纳米压印技术相结合的方法可以满足fabry-pérot腔全彩滤光片的大批量制造。

2.大面积、高效率制造。现有的制造方法加工出来的fabry-pérot腔全彩滤光片整体尺寸较小(通常在毫米量级以下)，且加工效率比较低，无法实现大面积制造。相比较而言，离子束抛光采用光栅扫描模式的加工方式，材料去除速率较高，可实现单片集成的纳米台阶阵列结构的大面积制造，在保证高度方向具有光学厚度的前提下，其宏观整体尺寸可达100mm，单个像素尺寸可达50μm。

3.高精度制造。现有方法影响fabry-pérot腔全彩滤光片制造精度的因素较多，如光子束加工过程中光强度不可控、掩膜版像素固化，电子束曝光存在邻近效应，离子束刻蚀去除材料确定性不足等，导致加工出来的台阶面形精度、表面粗糙度和尺寸精度等精度不足。相比较而言，离子束抛光具有确定性和稳定性，而且可针对加工精度不足的单个纳米台阶进行修行加工，因此较容易确保fabry-pérot腔全彩滤光片的高精度制造。

4.低成本制造。现有加工方法存在掩膜版定制成本较高，电子束光刻设备和聚焦离子束光刻设备昂贵，套刻方法整体工艺复杂、加工性价比低等问题，导致产品加工成本较高，尤其在面向大面积、大批量fabry-pérot腔全彩滤光片制造时尤为突出。

附图说明

现在将描述如本发明的优选但非限制性的实施例，本发明的这些和其他特征、方面和优点在参考附图阅读如下详细描述时将变得显而易见，其中：

图1是单片集成fabry-pérot腔全彩滤光片的制造工艺流程图。

图2是单片集成fabry-pérot腔全彩滤光片的制造工艺示意图。

图3是单片集成fabry-pérot腔全彩滤光片的微纳米台阶阵列结构模板加工示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做详细的说明，以下给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。以下的说明本质上仅仅是示例性的而并不是为了限制本公开、应用或用途。应当理解的是，在全部附图中，对应的附图标记表示相同或对应的部件和特征。本实施例包括：

如图1所示：本发明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，并判别其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；接下来，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。

如图2所示：微纳米台阶阵列结构模板的毛坯材料选用石英玻璃，其尺寸为55mm×55mm×2mm，它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。根据设计的微纳米台阶阵列结构，在离子束抛光机床上采用栅格路径扫描法对毛坯材料进行不同扫描速度条件下的分区域加工，完成微纳米台阶阵列结构的制作，要求台阶高度误差≤±5nm，面形精度pv≤λ/10，表面粗糙度ra≤1nm。然后，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。接下来，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。然后，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。接下来，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，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。当白光光源入射该fabry-pérot腔全彩滤光片表面时便会选择性的透过或反射所需的结构色。

如图3所示：在模板毛坯材料单点驻留抛光试验获取去除函数a(x,y)的基础上，确定等效的光栅扫描去除函数与对应的微纳米台阶高度，并对离子束抛光加工的工艺路径与扫描速度进行规划。然后，采用栅格路径扫描法对模板毛坯材料进行不同扫描速度条件下的分区域加工。下面以图中3×3微纳米台阶阵列结构加工为例进行详细说明。首先，如图3的(a)所示，对ox方向的3×1微纳米台阶阵列结构进行加工，离子束在区域x1、区域x2与区域x3的扫描进给速度分别为vx1、vx2与vx3，且它们之间存在如下关系：vx1<vx2<vx3，从而在ox方向形成了3×1微纳米台阶阵列结构。然后，如图3的(b)所示，对oy方向的3×1微纳米台阶阵列结构进行加工，离子束在区域y1、区域y2与区域y3的扫描进给速度分别为vy1、vy2与vy3，且它们之间存在如下关系：vy1>vy2>vy3，从而在ox方向形成了3×1微纳米台阶阵列结构。ox方向与oy方向的3×1微纳米台阶阵列结构相互叠加，最终在模板毛坯材料表面形成了如图3的(c)所示的3×3微纳米台阶阵列结构。

本实施例以单片集成fabry-pérot腔反射全彩滤光片为加工对象。具体试验步骤如下：

(1)采用尺寸为55mm×55mm×2mm的石英玻璃作为模板毛坯材料。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模板毛坯材料的表面精度与表面质量提出一定要求：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)在模板毛坯材料单点驻留抛光试验获取去除函数a(x,y)的基础上，确定等效的光栅扫描去除函数与对应的微纳米台阶高度，并对离子束抛光加工的工艺路径与扫描速度进行规划。然后，采用栅格路径扫描法对模板毛坯材料进行不同扫描速度条件下的分区域加工。下面以图中3×3微纳米台阶阵列结构加工为例进行详细说明。首先，如图3的(a)所示，对ox方向的3×1微纳米台阶阵列结构进行加工，离子束在区域x1、区域x2与区域x3的扫描进给速度分别为vx1、vx2与vx3，且它们之间存在如下关系：vx1<vx2<vx3，从而在ox方向形成了3×1微纳米台阶阵列结构。然后，如图3的(b)所示，对oy方向的3×1微纳米台阶阵列结构进行加工，离子束在区域y1、区域y2与区域y3的扫描进给速度分别为vy1、vy2与vy3，且它们之间存在如下关系：vy1>vy2>vy3，从而在ox方向形成了3×1微纳米台阶阵列结构。ox方向与oy方向的3×1微纳米台阶阵列结构相互叠加，最终在电介质层薄膜表面形成了如图3的(c)所示的3×3微纳米台阶阵列结构。

(3)对以上加工的3×3微纳米台阶阵列结构的加工结果为检测对象，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。然后，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)通过批量化的光学固化胶注入、剥离与翻转工艺，将模板上3×3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3×3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3×3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。

(5)顶层金属层ii选择金属cr，电介质层薄膜材料选择二氧化钛(tio2)。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为6nm的顶层金属层ii和厚度为800nm的电介质层薄膜材料。在室温环境下，腔体真空压强低于6×10^-7torr时开始沉积，蒸发沉积速率分别为和要求金属层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。

(6)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。电介质层薄膜材料的去除厚度为400nm。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。

(7)底层金属层i选择金属al。通过电子束蒸发系统(kurtj.lesker,lab-line)在已准备好的衬底材料上沉积厚度为100nm的底层金属层i，在室温环境下，腔体真空压强低于6×10^-7torr时开始沉积，蒸发沉积速率为要求金属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。

(8)为了评价fabry-pérot腔反射全彩滤光片的光谱响应特性，需要对反射光谱进行测量。然后，将测试结果与模拟光谱结果进行对比，分析加工工艺的精确度与稳定性。同时，依照国际照明委员会建立的cie标准色度学系统，将获得的光谱数据转换成人类所能感知的颜色，为颜色数据库的建立提供数据支撑，并用来评价获得的结构色像素的显色性能。