一种基于硅微通道阵列的光纤面板及其制备方法
阅读说明：本技术 一种基于硅微通道阵列的光纤面板及其制备方法 (Optical fiber panel based on silicon micro-channel array and preparation method thereof ) 是由 王蓟 刘书异 王国政 杨继凯 李野 于 2021-01-14 设计创作，主要内容包括：一种基于硅微通道阵列的光纤面板及其制备方法涉及硅微细加工和光电成像技术领域,该光纤面板包括：硅微通道阵列,硅微通道阵列的孔径为1-10微米,阵列排布方式为四方排列,通道的截面为正方形或者八边形；反射层,反射层制备在硅微通道阵列内的侧表面上,材料为具有高反射率的金属或二氧化硅；填充介质,填充介质填充在反射层构成的空间内,热膨胀系数与硅接近。本发明能制备孔径小到1微米的硅微通阵列结构,提高了光纤面板的分辨率,解决了其与图像传感器匹配问题；光纤面板中纤维间是硅材料,完全解决了传统光纤面板中的光串扰问题；通道的方向都是[100]晶向,通道孔径均匀一致,不会产生传统光纤面板工艺中的畸变问题。(An optical fiber panel based on silicon micro-channel array and a preparation method thereof relate to the technical field of silicon micro-machining and photoelectric imaging, and the optical fiber panel comprises: the pore diameter of the silicon micro-channel array is 1-10 microns, the array arrangement mode is square arrangement, and the section of the channel is square or octagonal; the reflecting layer is prepared on the side surface in the silicon microchannel array and is made of metal or silicon dioxide with high reflectivity; and the filling medium is filled in the space formed by the reflecting layer, and the thermal expansion coefficient of the filling medium is close to that of silicon. The invention can prepare the silicon micro-through array structure with the aperture as small as 1 micron, improves the resolution of the optical fiber panel and solves the problem of matching with an image sensor; silicon materials are arranged among fibers in the optical fiber panel, so that the problem of optical crosstalk in the traditional optical fiber panel is completely solved; the directions of the channels are all the crystal directions of [100], the apertures of the channels are uniform and consistent, and the distortion problem in the traditional optical fiber panel process can not be caused.)
技术领域
本发明涉及硅微细加工和光电成像技术领域，具体涉及一种基于硅微通道阵列的光纤面板及其制备方法。
背景技术
光学纤维面板(简称光纤面板)，是由数千万根光纤规则排列而成，具有数值孔径高、级间藕合损失小、分辨率高、光学零厚度等特点，可以无失真地传递高清晰度图像，广泛应用于微光像增强器、高亮度高清晰显示器、光电藕合(CCD、CMOS)及其它高清晰图像接收、传输和藕合的仪器和设备中。
分辨率是光纤面板的重要参数，分辨率主要由单个纤维的孔径决定，孔径越小分辨率越高，而传统的光纤面板拉制工艺制备小孔径光纤特别困难，中国专利申请号201120531389.4中提到的目前国内现有最小孔径是4微米。传统光纤面板的纤维排列方式为六方密排结构，这种结构与CCD、CMOS等图像传感器的像素点排列方式不同，易导致摩尔纹效应的出现，影响了其在数字成像领域的应用。
传统工艺的拉制和熔压等热处理过程中芯料和皮料会相互扩散，导致光串扰，降低分辨率。中国专利申请号201010238439.X中指出在制备大面积光纤面板时，熔压过程中径向的温差会增大，会导致中心部分的纤维不能很好熔合而外围纤维的芯皮扩散，会严重影响光纤面板的质量。中国专利申请号201810380549.6中指出熔压过程中还会导致放大率畸变的产生。传统的拉制工艺还会产生蛇形畸变，降低成像质量。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于硅微通道阵列的光纤面板及其制备方法，解决了光纤面板孔径缩小困难，分辨率无法大幅提高，和传统光纤面板的纤维排列方式为六方密堆积排列，与CCD、CMOS等图像传感器不匹配的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种基于硅微通道阵列的光纤面板，该光纤面板包括：
硅微通道阵列，所述硅微通道阵列的孔径为1-10微米，阵列排布方式为四方排列，所述通道的截面为正方形或者八边形，经过所述截面中心的相互垂直的两条线长度相等；
反射层，所述反射层制备在所述硅微通道阵列内的侧表面上，材料为具有高反射率的金属或二氧化硅；
填充介质，所述填充介质填充在所述反射层构成的空间内，热膨胀系数在0-1000℃环境下小于100(10-7/K)。
优选的，所述硅微通道阵列的长径比为10-500，板面直径为25-150毫米。
优选的，所述硅微通道阵列的硅材料的晶向为[100]。
优选的，所述反射层的材料为铝、银、金、铂。
优选的，所述反射层的厚度为20-500纳米。
优选的，所述反射层为二氧化硅时，所述填充介质的折射率大于二氧化硅。
优选的，所述填充介质的材料为光学玻璃。
一种基于硅微通道阵列的光纤面板的制备方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：对晶向为[100]硅基体进行光刻、腐蚀、氧化、背部减薄、通道整形制备出硅微通道阵列结构；
步骤二：将所述硅微通道阵列置于高温中氧化，所述通道内壁形成二氧化硅层作为反射层，氧化温度900-1100℃，氧化层厚度50-500纳米；
步骤三：带有内壁反射层的硅微通道阵列放入真空管式炉中的蓝宝石坩埚内，在所述硅微通道阵列上放置固态光学玻璃；通过对真空管式炉进行抽真空并加热，加热温度高于固态光学玻璃的软化点温度；关闭抽真空模式，打开高纯氮气瓶对真空管式炉进行充气，熔化的固态光学玻璃将在压力作用下填充到所述硅微通道阵列的微通道内，形成通道内填充的玻璃介质；最后对表面进行研磨和抛光，完成基于硅微通道阵列的光纤面板的制备方法。
优选的，所述步骤一中通道整形过程中，腐蚀液为四甲基氢氧化铵溶液，溶液浓度为0.5-5wt％，腐蚀温度为5-50℃，腐蚀后硅微通道壁厚小于1微米，通道开口面积比大于80％。
优选的，所述步骤二替换成通过原子层沉积方法制备金属反射层，金属反射层厚度为20-100纳米。
优选的，所述步骤三填充真空度优于10Pa，填充温度为500-1000℃。
本发明的有益效果是：
1、本发明能制备孔径小到1微米的硅微通阵列结构，通道排列方式为四方排列，提高了光纤面板的分辨率，解决了其与图像传感器匹配问题；
2、本发明制备的光纤面板中纤维间是硅材料，完全解决了传统光纤面板中的光串扰问题；
3、本发明能保证光纤面板所有通道的方向都是硅[100]晶向，通道孔径均匀一致，不会产生传统光纤面板工艺中的畸变问题；
4、本发明通过真空热熔填充工艺在通道内填充介质，所填充介质与硅的膨胀系数接近，可保证气密性，可制备适用于超高真空技术领域应用的轻薄型光纤面板。
附图说明
图1本发明硅微通道阵列的通道四方排列扫描电镜照片；
图2本发明硅微通道阵列的光纤面板剖视图；
图3本发明硅微通道阵列的光纤面板示意图；
图4为本发明提出的真空热熔介质填充装置示意图。
图中：1、硅微通道阵列，2、反射层，3、填充介质，4、高纯氮气瓶，5、阀门，6、真空泵，7、真空管式炉，8、蓝宝石坩埚。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
一种基于硅微通道阵列的光纤面板，该光纤面板包括：
硅微通道阵列1，如图1所示，阵列排布方式为四方排列，即通道阵列呈四方形排列。所述硅微通道阵列1的孔径为1-10微米，通道的截面为正方形；本实施例中，硅微通道阵列1的孔径分别是5.5和2.5微米，制备出的硅微通道阵列1板面面积由硅片面积决定，其中通道大小和排列方式由光刻工艺中掩模版图形决定，可制备与CCD或CMOS像素点相同的四方排列结构。硅微通道阵列是晶向沿[100]硅材料制备而成的，可见光无法透过，避免了光串扰。通道孔径均匀，不存在图像畸变。所述硅微通道阵列1的长径比为10-500，板面直径为25-150毫米。
反射层2，如图2所示，所述反射层2制备在所述硅微通道阵列1内的侧表面上，材料为具有高反射率的金属或二氧化硅；当反射层2为二氧化硅时，可以通过热氧化工艺制备反射层2；当反射层2为金属时，通过原子层沉积技术在微通道内壁制备金属材料的反射层2，包括铝、银、金、铂等，其中反射层2的厚度为20-500纳米。
填充介质3，所述填充介质3填充在所述反射层2构成的空间内，填充介质3的热膨胀系数在0-1000℃环境下小于100(10-7/K)。当反射层2的材料为二氧化硅时，所述填充介质3的折射率大于二氧化硅；当反射层为金属时，不用考虑填充介质3的折射率，填充介质3热膨胀系数与硅接近，可保证气密性，可制备出适用于超高真空技术领域应用的轻薄型光纤面板。本实施例中，所述填充介质3的材料为光学玻璃，型号为H-LaF4GT、H-BaK7GT和H-KLGT。
下面给出制备方法的两个实施例：
实施例1：
一种基于硅微通道阵列的光纤面板的制备方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：对晶向为[100]硅基体进行光刻、腐蚀、氧化、背部减薄、通道整形制备出硅微通道阵列结构1；采用硅微通道阵列1整形工序对微通道进行腐蚀，得到四方排列的方形通道，扩大通道尺寸，减小壁厚。制备出硅微通道阵列1的硅基体整形工艺所用腐蚀液为四甲基氢氧化铵溶液，腐蚀液浓度为1wt％，腐蚀液温度为40℃。硅微通道阵列1的硅基体板面直径为25mm，厚度为350微米，微通道周期为6微米，方孔通道边长为5.5微米。
步骤二：将所述硅微通道阵列1置于高温中氧化2小时，所述通道内壁形成二氧化硅层作为反射层2，氧化温度1100℃，氧化层厚度50纳米；
步骤三：将带有内壁为二氧化硅反射层2的硅微通道阵列1放入真空管式炉7中的蓝宝石坩埚8内，在所述硅微通道阵列1上放置H-LaF4GT光学玻璃；通过对真空管式炉7进行抽真空并加热，加热温度高于固态光学玻璃的软化点温度，750℃保持10分钟，真空度优于10Pa；：关闭真空泵6，打开阀门5，高纯氮气4对真空管式炉7进行充气，真空管式炉7自然降温，熔化的H-LaF4GT光学玻璃将在压力作用下填充到带有内壁反射层的硅微通道阵列1的微通道内，形成通道内填充的玻璃介质；最后对表面进行研磨和抛光，完成基于硅微通道阵列的光纤面板的制备方法。
实施例2
一种基于硅微通道阵列的光纤面板的制备方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：对晶向为[100]硅基体进行光刻、腐蚀、氧化、背部减薄、通道整形制备出硅微通道阵列结构1；采用硅微通道阵列1整形工序对微通道进行腐蚀，得到四方排列的方形通道，扩大通道尺寸，减小壁厚。制备出硅微通道阵列1的硅基体整形工艺所用腐蚀液为四甲基氢氧化铵溶液，腐蚀液浓度为1wt％，腐蚀液温度为40℃。硅微通道阵列1的硅基体板面直径为100mm，厚度为300微米，微通道周期为3微米，方孔通道边长为2.5微米。
步骤二：将所述硅微通道阵列1通过原子层沉积，在所述通道内壁制备银薄膜作为反射层2，银薄膜厚500纳米；
步骤三：将带有内壁为银薄膜的硅微通道阵列1放入真空管式炉7中的蓝宝石坩埚8内，在所述硅微通道阵列1上放置H-BaK7GT光学玻璃；通过对真空管式炉7进行抽真空并加热，加热温度高于固态光学玻璃的软化点温度；780℃保持10分钟，真空度优于1Pa；
步骤四：关闭真空泵6，打开阀门5，高纯氮气4对真空管式炉7进行充气，真空管式炉7自然降温，熔化的H-BaK7GT光学玻璃将在压力作用下填充到带有内壁反射层的硅微通道阵列1的微通道内，形成通道内填充的玻璃介质；最后对表面进行研磨和抛光，完成基于硅微通道阵列的光纤面板的制备方法。