智微光子团队在微光微透镜技术研究中取得新进展 ——复合层级结构与干法刻蚀工艺突破光提取效率瓶颈

（原标题：智微光子团队在微光微透镜技术研究中取得新进展 ——复合层级结构与干法刻蚀工艺突破光提取效率瓶颈）

智微光子研发团队针对微光器件光提取效率低的关键问题[1]，提出“复合层级微透镜阵列”创新方案，并研发了两阶段干法刻蚀新工艺，实现微光器件宽光谱高效光提取，提升制造技术工艺精度、拓宽光谱响应范围，为低光场景目标识别、医疗成像等领域微光器件性能升级提供核心支撑。

一、传统技术局限

在微光器件的发展历程中，一直面临着全反射损耗、近红外响应不足、杂散光干扰等核心问题，如何改善这些局限并提升微光器件的性能，是微光器件行业备受关注的话题。微透镜阵列通过对光线的聚焦，能显著减少全反射损耗，提高填充系数，增强响应率。采用湿法刻蚀工艺制造的微透镜阵列（MLA）[2-4]，因化学溶液扩散导致透镜侧壁陡直度＜80°[5,6]、顶部易圆顶塌陷，且溶液浓度不均匀易形成粗糙的表面形貌，造成光提取效率损失；光刻胶热流法制备的曲面MLA依赖固定焦距[7]、适配波段有限且光刻胶稳定性差，密接阵列结构虽提升填充因子，但依赖柔性基底[8]，与微光器件工作的高真空环境不兼容。

二、核心研究内容与技术方案

研究团队围绕“结构设计-工艺创新-性能优化”展开系统研究，通过复合层级结构设计抑制全反射，两阶段干法刻蚀保障精度，形成完整技术方案。复合层级微透镜阵列采用“基底微透镜阵列-散射增强层-低折射包覆层”三层协同架构（图1），基底选用8英寸石英玻璃（厚度625±25μm），其上MLA核心功能层单元直径D=3-10μm（优选5μm）[9]、冠高S=0.6-1.7μm（优选1.2μm，基于推导覆盖全波段需求）[10]、曲率半径R=1.5-21.1μm（优选3.2μm）[10]，采用六方密堆排列使填充因子≥90.7%[11]；在MLA表面原位生成2.5-4μm厚、团簇直径700-900nm的SiO₂纳米团簇散射增强层，其折射率与石英基底接近以减少界面反射，团簇直径匹配可见光至近红外波长，通过米氏散射提升宽角度光子捕获能力[12]；在散射层表面沉积380-490nm厚[13]、折射率1.38 MgF₂的低折射包覆层，形成梯度折射率结构，在700-900nm波段平均透过率提升大于2%且增强机械强度[14]。

两阶段干法刻蚀工艺结合原位监测与温控补偿，粗刻蚀通入CF₄+Ar（4:1）混合气体实现1.5μm深度各向异性刻蚀以初步成型MLA轮廓[15]，精修刻蚀采用SF₆+O₂（1:5-1:10）混合气体对六边形柱进行各向同性修饰[16]，原位监测通过激光干涉仪实时采集干涉条纹反演参数[17]，深度误差超±0.024μm时自动调整射频功率或气体流量，保障8英寸晶圆刻蚀均匀性；功能层制备中，散射层通过通入SiH₄+O₂混合气体生成SiO₂纳米团簇，包覆层采用磁控溅射MgF₂膜，后续经300-400℃氮气氛围退火消除残留应力、提升结构稳定性。

图1  (a)MLA阵列密排六方排布图；(b)MLA阵列示意图；(c)复合MLA结构剖面图

三、研究成果与性能优势

该技术提升了像增强器的光提取效率，运用两阶段干法刻蚀工艺对微透镜制造技术进行改进，在700-900nm宽光谱范围内平均光提取率相对提升80%[18]；工艺精度上，8英寸晶圆内刻蚀深度偏差＜±2%，高于传统湿法刻蚀的±3-5%[19]，MLA单元尺寸偏差＜±0.05μm，成品良率高，显著降低产业化成本；普适性方面，MLA单元可根据微光器件灵活调整，兼容高真空工作环境，适配高能物理、医疗成像、核探测等不同应用场景。

四、成果意义与展望

该研究通过复合层级结构设计与创新性地引入干法刻蚀工艺，首次实现微光器件“宽光谱-高精度-高稳定”光提取的协同优化，为光电探测器件的微纳结构设计提供新范式；未来，团队将进一步优化设计和工艺，拓展该技术在紫外探测、天文观测等领域的应用，推动微弱光探测技术的产业化升级。

五、参考文献

[1]王超,郝智彪,王磊,等.利用表面微结构提高波长上转换红外探测器效率 [J].物理学报,2016,65(10):108501-1-108501-7.

[2]刘丹,乌李瑛,张文昊,等.石英微透镜的制备及其测试技术研究[J].半导体光电,2024,45(05):744-750.

[3]侯治锦,王旭东,陈艳,等.硅微透镜阵列与红外焦平面阵列的集成器件的制备与性能（特邀）（英文）[J].光子学报,2024,53(07):52-58.

[4]游俊,邹继军,邹显学,等.单晶硅微结构湿法刻蚀工艺研究[J].电子测试,2023,(04):47-49.

[5]郭志越.单晶蓝宝石湿法刻蚀机理及表面形貌研究[D].江苏:东南大学,2019.

[6]李菲尔,余佳珈,杜立群,等.界面钻蚀主导的准各向异性湿法刻蚀法制备玻璃微棱镜阵列[J].光学精密工程,2024,32(9):1384-1394.

[7]京东方科技集团股份有限公司.微透镜结构、显示装置以及微透镜结构的加工方法:中国，202011332289.9[P].2022-05-27.

[8]京东方科技集团股份有限公司.微透镜阵列及制备方法、压印模板和显示装置:中国，202210186501.8[P].2022-06-10.

[9]WANG JIAN. Electromagnetic field calculations for microlens optical systems.[D].The University of Nebraska - Lincoln,2010.

[10]徐正奎,李晓斌,乐丽珠,等.红外双波叠层结构探测器微透镜阵列的设计[J].红外与激光工程,2019,48(08):111-115.

[11]张晨阳,莫德锋,徐红艳,等.用于InGaAs单光子探测器的微透镜阵列及表征[J].光学精密工程,2024,32(11):1667-1675.

[12]GUSTAV MIE. Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen[J]. Annalen der Physik,1908,330(3):377-445.

[13]郑照轩,孙康迅,邱美叶,等.宽带增透膜的制备及其低损耗特性的研究进展[J].材料化学前沿,2023,11(2):41-50.

[14]郭向茹.空间太阳电池玻璃盖板增透膜MgF2的防氧化、防静电研究[D].湖南大学,2014.

[15]杨雪.CF4/Ar感性耦合等离子体增强准原子层刻蚀SiO2多尺度研究[D].大连理工大学,2018.

[16]A.A.KOVALEVSKII,V.S.MALYSHEV,V.V.TSYBUL'SKII,et al.Isotropic plasma etching of SiO{sub}2 films[J].Russian Microelectronics,2002,31(5):290-294.

[17]LIANG TAN, CAMERON, D., INSTITUTE OF ELECTRIC AND ELECTRONIC ENGINEER. Steady-state regression analysis and optimization of multivariable plasma etching system[C]//Industrial Electronics, Control and Instrumentation, 1994. IECON '94., 20th International Conference on vol.3. 1994:1986-1991.

[18]HOANG-YAN LIN, JIUN-HAW LEE, MAO-KUO WEI, et al. Optical characteristics of the OLED with microlens array film attachment[C]//Organic light-emitting materials and devices XI :. 2007:66551H-1-66551H-6.

[19]中国科学技术大学.一种高精度硅基掩模版及其加工方法:中国，202010279272.5[P].2021-10-19.