一种MIM结构滤光片及其制备方法

本发明属于多光谱，特别涉及一种mim结构滤光片及其制备方法。

背景技术：

1、多光谱成像可以同时获取目标的多频段光谱信息和空间信息，极大地提升目标检测的信息维度，随着图像技术和显示技术的发展，多光谱滤光片阵列在图像传感、彩色显示、光谱仪器、光纤通信、医疗、环境监测等领域逐渐得到广泛应用，目前光谱滤光片主要分为吸收滤光片、干涉滤光片和微纳结构滤光片。

2、吸收滤光片光谱带宽较大、光谱分辨率低，限制了光谱细节信息的获取。传统制备方法主要有染色法、颜料分散法、电沉积法、喷墨法等；其中染色法、颜料分散法工艺成熟，但工艺复杂、成本较高；电沉积法成本低廉，但颜色层只能是条形排列，灵活性低；喷墨法工艺简化、颜料利用率高，但由于不同颜色的墨水在固化前是流动的，容易出现不同颜色间、颜色层之间的浸染、混色；上述工艺使用的传统油墨还容易受到湿度、温度及紫外线照射等外界环境因素的影响，存在褪色、变色等问题，油墨中包含的有害物质对操作人员和环境有很大的危害性。

3、相较于传统油墨，采用微纳结构实现色彩效果具有低污染、颜色鲜艳不易褪色等优点，包括基于光栅导模共振、等离子体激元共振、介质米氏共振等效应产生结构色，但仍存在一些问题：1d/2d光栅单元固有的偏振灵敏度、低传输效率、波长选择性差等，滤波结构选材也要求严苛，制备过程中往往涉及复杂的几何图案，其实现需要复杂且昂贵的刻蚀工艺，不适合大面积和批量生产。

4、fp薄膜型滤光片是通过多层薄膜结构对在其中传播的光的振幅或相位进行调制，使一定波长范围内光的强度重新分布或其偏振态被改变，该类型彩色滤光片光谱带宽较小、透射率较高、波长可调谐，且性质稳定、不易褪色、色彩鲜艳、材料环保，常采用两种结构：(1)金属—介质—金属(mim)层结构，(2)介质堆栈的1d光子晶体结构，其中mim结构的滤光片制备过程更为简单，只需要成本较低且可扩展性较高的镀膜工艺，适合大面积生产，但要实现光谱阵列滤光片的制备，又要涉及复杂繁多的光刻和刻蚀工艺步骤。

5、2015年，zhongyang li等人研究了基于对称mim fp结构的超薄金属薄膜滤光片，实现了在整个可见光范围内透过率超过60％的高透过率滤光效果，其高传输效率和通过平面光滑表面实现大范围颜色的能力，在相机集成的滤光和显示器件中有很大的应用前景；但该方案主要采用电子束蒸发工艺在衬底上沉积金属、介质薄膜，只能实现大面积单色滤光片的制备，该方案也展示了在同一片上制备多个彩色滤光片，采用的是聚焦离子束(fib)刻蚀工艺，虽然其加工步骤简单，但存在再沉积现象、加工速度较慢、不可批量加工等缺点。

6、2019年，calum williams等人展示了一种制造工艺，将灰度光刻技术与mim fp空腔相结合，空腔直接采用固化的光刻胶制备，通过曝光剂量控制空腔厚度，可以在单个光刻步骤中实现晶圆级定制多光谱滤波阵列制造，在可见光到近红外范围内保持高透过率和窄线宽，该制造工艺降低了阵列滤光片的制造复杂性和成本，为传统的光谱滤光片阵列制造提供了一个有吸引力的替代方案；然而该工艺中用到的光刻胶为树脂材料，在可见光范围内具有较好的透光性能，而在紫外及红外范围内透光性能较差，使得滤光片适用的光谱范围受限；同时，光刻胶中树脂材质在高温、强光、紫外线等作用下稳定性较差，滤光片光谱通道的波长、透过率等光学性质易发生变化，树脂材料的以上缺点使得该类型滤光片的实际应用及应用场景受到限制。

7、专利公布号为“cn 102854749 a”、名称为“用于彩色滤光片的光敏树脂组合物以及使用其的彩色滤光片”的发明，公开了一种利用光敏树脂组合物制备阵列彩色滤光片的方法，通过使用具有优异的耐热性和耐化学性的光敏树脂组合物，在tft阵列基底上制备了彩色滤光片，实现了高孔径比和高对比度，但由于该组合物是树脂材料，仍存在上述所提到的光谱范围受限、在高温、强光、紫外线等作用下稳定性较差的缺点。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的是提出一种mim结构滤光片及其制备方法，通过液相涂布工艺制备zro2薄膜作为间隔介质层构造mim干涉滤波结构，通过控制zro2薄膜涂布厚度实现滤光通道波长的调控，并利用直接光学图案化技术实现多光谱滤光通道阵列在单一滤光片上的集成；该方法具有光谱分辨率较高、波长易调谐、工艺简单等优点，可结合数字掩膜光刻系统灵活设计滤光片图案，并可兼容包含柔性材料在内的各种衬底。

2、为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

3、一种mim结构滤光片，包含衬底，所述衬底表面依次附着有底层ag层、zro2薄膜、顶层ag层，所述zro2薄膜为zro2光敏油墨通过光学图案化方法制备而得，所述zro2光敏油墨为添加有光敏添加剂1-重氮-2-萘酚-4-磺酸的zro2纳米颗粒(zro2 nps)n,n-二甲基甲酰胺(dmf)溶液。

4、进一步的，所述zro2纳米颗粒(zro2 nps)的n,n-二甲基甲酰胺(dmf)溶液中zro2纳米颗粒(zro2 nps)浓度为30-120mg/ml，所述zro2光敏油墨中光敏添加剂1-重氮-2-萘酚-4-磺酸(dns)的含量为15-30wt％。

5、进一步的，所述zro2薄膜的层数为一层至四层中任意层数，每一层zro2薄膜厚度为20-150nm，所述底层ag层和顶层ag层的厚度均为20-40nm。

6、进一步的，所述衬底为玻璃衬底、有机聚合物衬底或柔性玻璃衬底。

7、进一步的，当所述zro2薄膜的层数为一层时，所述zro2薄膜为具有单一厚度的阵列图案化zro2薄膜；当所述zro2薄膜的层数为二层至四层中任意层数时，所述zro2薄膜为不同区域具有不同厚度的阵列图案化zro2薄膜。

8、一种mim结构滤光片制备方法，包括以下步骤：

9、s1：向分散了zro2纳米颗粒(zro2 nps)的n,n-二甲基甲酰胺(dmf)溶液中加入光敏添加剂1-重氮-2-萘酚-4-磺酸(dns)，配置形成zro2光敏油墨；

10、s2：在衬底上采用物理气相沉积方法蒸镀金属ag形成mim结构的底层ag层；

11、s3：利用旋涂工艺将步骤s1所述zro2光敏油墨涂覆在步骤s2所述底层ag层上，形成zro2薄膜；

12、s4：对步骤s3所述zro2薄膜进行紫外线局部曝光，形成曝光后的zro2薄膜；

13、s5：使用n,n-二甲基甲酰胺(dmf)溶剂对步骤s4所述曝光后的zro2薄膜进行显影，形成阵列图案化zro2薄膜；

14、s6：对步骤s5所述阵列图案化zro2薄膜进行烘干处理，形成烘干后的阵列图案化zro2薄膜；

15、s7：在步骤s6所述烘干后的阵列图案化zro2薄膜表面采用物理气相沉积方法蒸镀金属ag层形成mim结构的顶层ag层，最终形成mim结构滤光片。

16、进一步的，步骤s3所述利用旋涂工艺将zro2光敏油墨涂覆在底层ag层上，其具体工艺为：将含底层ag层的衬底固定在匀胶机上，将25-50μl浓度为30-120mg/ml的zro2光敏油墨滴在底层ag层上，设置匀胶机参数为低速1700rpm持续6s、再高速2500rpm持续40s，开启匀胶机，zro2光敏油墨被旋涂在衬底上形成zro2薄膜。

17、进一步的，步骤s4所述局部曝光使用设计好的掩膜图案，掩膜图案优选阵列分布的图案，所述局部曝光中曝光波长为405nm、曝光剂量为30-40mj/cm2。

18、进一步的，步骤s6所述烘干处理的烘干温度为60-120℃、烘干时长为10-120s。

19、进一步的，一种mim结构滤光片的制备方法，步骤s7包含以下步骤：

20、s7.1：利用旋涂工艺将步骤s1所述zro2光敏油墨涂覆在步骤s6所述烘干后的阵列图案化zro2薄膜表面及其所在的底层ag层表面，形成第n(n＝2、3、4)层zro2薄膜，步骤s1所述zro2纳米颗粒(zro2 nps)浓度为30-55mg/ml，步骤s1所述zro2光敏油墨中1-重氮-2-萘酚-4磺酸(dns)的含量为15-30wt％，所述底层ag层厚度为20-40nm，所述第n(n＝2、3、4)层zro2薄膜的厚度为20-50nm；

21、s7.2：在步骤s7.1所述第n(n＝2、3、4)层zro2薄膜表面进行紫外线局部曝光，形成第n(n＝2、3、4)层曝光后的zro2薄膜，所述局部曝光使用设计好的掩膜图案，掩膜图案优选阵列分布的图案，所述局部曝光中曝光波长为405nm、曝光剂量为30-40mj/cm2；

22、s7.3：使用n,n-二甲基甲酰胺(dmf)溶剂对步骤s7.2所述第n(n＝2、3、4)层曝光后的zro2薄膜进行显影，形成第n(n＝2、3、4)层阵列图案化zro2薄膜；

23、s7.4：对步骤s7.3所述第n(n＝2、3、4)层阵列图案化zro2薄膜进行烘干处理，形成第n(n＝2、3、4)层烘干后的阵列图案化zro2薄膜，所述烘干处理的烘干温度为60-120°c、烘干时长为10-120s；

24、s7.5：重复步骤s7.1至s7.4，用步骤s7.4所述第n(n＝2、3、4)层烘干后的阵列图案化zro2薄膜替换步骤s7.1中所述烘干后的阵列图案化zro2薄膜，直至形成第n(n＝3、4)层烘干后的阵列图案化zro2薄膜；

25、s7.6：在步骤s7.4所述第n(n＝2、3、4)层或步骤s7.5所述第n(n＝3、4)层中任意层烘干后的阵列图案化zro2薄膜表面采用物理气相沉积方法蒸镀金属ag形成mim结构的顶层ag层，所述顶层ag层厚度为20-40nm，最终形成mim结构多光谱滤光片阵列。

26、与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

27、1.本发明选用无机纳米zro2材料制备mim结构滤光片，解决了传统吸收型滤光片褪色、变色、稳定性差、原料危害性大的问题。

28、2.本发明制备mim结构多光谱滤光片，只需要采用工艺简单成本低廉的物理气相沉积、旋涂和直接光学光刻工艺，解决了微纳结构、fp薄膜型阵列滤光片制备工艺复杂昂贵的问题。

29、3.本发明制备的mim结构单色滤光片或mim结构多光谱滤光片阵列具有光谱分辨率较高(半高宽为21～27nm)、波长易调谐(只需通过控制zro2薄膜厚度即中间介电层厚度即可实现对透射峰值波长的调谐)、工艺简单、光谱适用范围宽等优点，并且使用的液相旋涂工艺可兼容包含柔性材料如有机聚合物在内的各种衬底。

30、综上所述，本发明中的mim结构滤光片具备辨率较高、波长易调谐、工艺简单、成本低廉、稳定性高、光谱适用范围宽等优点，mim结构单色滤光片及mim结构多光谱滤光片制备方法能很好的用于mim结构单色滤光片、mim结构多光谱滤光片生产应用。