包含多尺度结构的晶圆级透镜阵列设计和制造关键技术研究

The production of camera modules for mobile terminals has grown into a massive industry. Wafer level packaging based camera module (WLC) production process has attracted wide industry interest due to its high production efficiency and compact size. The 8-inch wafer level lens array is the core component of the WLC process, however currently it is subject to warpage risk in the process of anti-reflection (AR) coating, and the dielectric AR coating itself suffers from risk of breaking when the wafer lens experiences high temperature. .The proposed project here aims to solve this problem by inventing a multi-scale functional structure based wafer level lens array, which encompasses hundreds nanometer level nano-structure array for anti-reflection effect, hundreds micrometer level micro-lens array for camera imaging and finally hundreds millimeter level wafer substrate for WLC process. The project centers around the key technologies in the design and manufacturing of the proposed novel component. An accurate model will be set up to simulate the anti-reflection effect of nano-structure array on curved lens profile, and to optimize the nano-structure configuration and geometrical parameters. The project will develop the process to manufacture the hard mold of the 8-inch wafer level lens array, which includes both micro lens array and nano-structure array. The key challenge is to manufacture nano-structure array on the curved surfaces of the whole wafer micro lens array. A new mold release model will be studied to simulate and optimize the nano-imprinting replication process on curved surfaces. The proposed project will lay a solid foundation for the industrial acceptation of the novel multi-scale functional structure based wafer level micro lens array, and offer instructive guidance to the research of similar novel components based on the micro/nano scale composite structure.

面向移动终端的光学相机模组生产已经发展为一个巨大产业。晶圆级封装光学相机因其生产高效和体积紧凑特点成为业界研究热点。核心元件8英寸晶圆级透镜阵列在制程中采用介质膜方式实现增透，受到晶圆变形和膜层破裂等问题严重影响。.针对此问题，提出一种包含多尺度结构的新型晶圆级透镜阵列器件，同时涵盖百纳米尺度抗反射纳米结构阵列，百微米尺度口径成像透镜和百毫米尺度晶圆基底。本项目围绕此器件的设计和制造关键技术展开研究；建立曲面基底上纳米结构阵列抗反射理论模型，优化纳米结构阵列的构型和几何特征参数设计；研究开发同时包含微透镜阵列和纳米结构阵列的8英寸晶圆级透镜阵列硬模具制造技术，重点解决曲面阵列上纳米结构阵列的制造技术难题；建立曲面基底上纳米压印复制技术的脱模受力模型，优化脱模工艺设计。本项目研究将为多尺度结构晶圆级透镜阵列的产业应用打下坚实基础，并为类似的微纳复合结构新型器件研究提供借鉴。

晶圆级封装光学相机因其生产高效和体积紧凑的特点成为业界研究热点。核心元件晶圆级微透镜阵列片需要解决表面增透的问题；传统制程工艺采用镀介质膜方式实现增透，但受到晶圆变形和膜层易受热破裂等问题的严重影响。本项目提出一种包含多尺度结构的晶圆级微透镜阵列新型器件，它同时涵盖百纳米级抗反射纳米结构阵列，百微米级口径成像透镜和百毫米级晶圆基底。该新型器件在满足成像要求同时，无需镀膜即实现高透过率。本项目围绕此器件的设计和制造关键技术展开研究，主要包括：减反射纳米结构的参数设计与仿真研究，多尺度结构晶圆微透镜阵列金属模具的制作工艺研究，晶圆级微透镜阵列纳米压印复制工艺以及微透镜和大面积纳米结构表征方法研究等。.本项目取得以下重要结果：1. 建立了曲面基底上纳米结构阵列抗反射理论模型，结合FDTD仿真优化了纳米结构阵列的构型和参数设计；尤其是首次分析了纳米结构取向对曲面透镜减反射效果的影响。2. 系统开展了多尺度结构的晶圆微透镜阵列金属模具材料试验，加工工艺以及性能表征研究；在充分调研基础上选取了铝阳极氧化自组装生产纳米孔阵列的技术路线；综合晶圆微透镜阵列单点加工试验和纳米孔阵列加工试验的大量试验结果，选择出纳米晶电镀铝作为金属模具材料，并成功制备出包含多尺度结构的金属模具。3. 开展了基于紫外纳米压印技术的带纳米结构晶圆级微透镜阵列片复制工艺研究，成功复制出透镜阵列片样品，通过光谱测试证明了纳米结构在可见光波段实现了约3%的透射率提升；同时复制试验过程也反映出曲面纳米压印脱模难度较大的问题，易出现面型破损和纳米结构缺失等现象，需要进一步研究解决思路。.本项目研究证明了本项目提出的通过亚波长纳米结构解决晶圆微透镜阵列增透问题的思路是可行的，为多尺度结构晶圆级微透镜阵列的产业应用研究打下坚实基础，并为类似的微纳阵列复合结构新型器件研究提供了很好的借鉴。