集成窄带滤光片.pdf

本发明公开了一种集成窄带滤光片，包括：基片，在基片上依次有相互牢固结合的下层膜系，厚度不等的谐振腔层列阵和上层膜系。本发明的集成窄带滤光片是基于F－P干涉原理，通过半导体刻蚀工艺来获取不同谐振腔层的厚度，达到控制窄带滤光片的带通峰位，从而实现不同透射波长窄带滤光片在同一块基片上的集成。这种滤光片可适用于各个波段窄带滤光片列阵的制备。其优点是：工艺简单，只需设计一个膜系、通过镀膜和刻蚀即可完成集成窄带滤光片的制备，所制备的滤光片各单元的半峰宽很窄，其相对半峰宽都小于0.36％，可以起到很好的波长选择作用。

1.  一种集成窄带滤光片，包括：基片(1)，其特征在于：在基片上有一与基片牢固结合的下层膜系(2)，在下层膜系上有一与下层膜系牢固结合的厚度不等的谐振腔层列阵(3)，在厚度不等的谐振腔层列阵上有一与其牢固结合的上层膜系(4)；
所说的基片(1)材料为对所要集成的滤光片波段是透明的；
所说的上、下层膜系(4、2)相同，均为(LH)₅，谐振腔层厚度≥2L，其中H为高折射率膜层，L为低折射率膜层，数值5为高折射率膜层与低折射率膜层交替叠层的次数，膜层的光学厚度：nd为λ₀/4，λ₀为设计初始窄带滤光片膜系时的中心波长。

集成窄带滤光片
技术领域
本发明涉及光学滤光片，具体是指一种可利用半导体成熟工艺制备的，非常有利于与传感器件集成的窄带滤光片。
背景技术
多光谱信息获取技术已在航空、航天领域中得到广泛应用。分光技术是多光谱信息获取技术中的一个重要环节，传统的分光方法主要有旋转光栅、棱镜和滤光片转轮的时间分解方法，以及光栅棱镜和分束滤光片的空间分解方法。如果采用时间分解方法，则涉及机械传动装置，当用于空间时一旦机械装置出现故障就很可能导致整个仪器失效。如果采用光栅、棱镜等空间分解方法，则相应的仪器将占据较大空间，使整个设备的有效载荷增大，飞行器的负荷沉重。因此，人们一直在寻找有效的解决途径。滤光片列阵是二十世纪八十年代开始研究发展起来的一种微型空间滤光器，如果将它与探测器列阵结合则可以构成可识别光谱的探测器，大大简化分光系统，提高仪器的可靠性、稳定性和光学效率，并改善其信噪比。因此新一代光谱仪器的分光系统都趋于采用这种新型结构来获取光谱信息，见J.R.Tower et al.RCA Review 47，266(1986)；J.A.Hall et al.SPIE 345，145(1982)。而且，滤光片列阵的实现还将对相应传感器件集成度的提高和小型化，以及滤光片式微型光谱仪的研制提供有力的技术支持。
虽然滤光片列阵的应用前景非常可观，但多年来一直没有取得明显进展，极大地制约了滤光片列阵的应用和发展。究其原因，制约滤光片列阵发展主要有两个工艺难点，即滤光片的微型化和集成化。目前集成滤光片的实现方式主要有以下几种：
1.拼接
将各个滤光片分别制备好后，通过一定手段将这些具有不同光谱特性的滤光片拼接起来形成一体，这种方式对滤光片的镀制没有特殊要求，但拼接难度较大，难以精确拼为一体，而且对滤光片尺寸有所限制，难以做得很小，不利于小型化和集成化。
2.滤光片转轮
将一系列滤光片固定在一个圆盘上，通过旋转圆盘对应不同滤光片来实现对不同光谱波段的选择。这种方式虽然比较简单，但不能同时获取各个波段的光谱信息，而且涉及机械传动装置，可靠性得不到保障，集成度也很难提高。
3.可调谐滤光片
这种结构比较简单，多以F-P干涉仪式的结构进行窄带滤光片的设计，通过电、声、热等方式对结构中谐振腔层的厚度或折射率进行控制，从而达到对波长进行选择的作用。这种滤光片结构可以做得很小，但相应的控制机构比较复杂，而且可调谐的范围非常窄，一般只有30nm左右；另外，和滤光片转轮一样，这种方式也不能同时获取不同波长的光谱信息。
4.滤光片列阵
是最有应用前景的滤光片集成方式，具有不同光谱特性的滤光片可以集成到同一块基片上，而且可以根据需要做到微米量级。目前主要采用掩模方法，分区域进行镀制，见“程实平，严义埙，张凤山，许步云，朱翠媛，《红外与毫米波学报》13，401(1994)；程实平，张凤山，严义埙，《红外与毫米波学报》13，110(1994)”。这种集成方法工艺相当复杂，而且每增加一个波段的滤光片，成品率就会下降一半，因而从工艺上就限制了集成度的进一步提高。
发明内容
基于上述已有集成滤光片存在的种种问题，本发明的目的是提出一种制作方法简单，可与半导体工艺兼容的集成窄带滤光片。
本发明的集成窄带滤光片是基于F-P干涉原理，通过半导体刻蚀工艺来获取不同谐振腔层的厚度，达到控制窄带滤光片的带通峰位，从而实现不同透射波长窄带滤光片在同一块基片上的集成。这种滤光片的结构可适用于各个波段窄带滤光片列阵的制备。
本发明的集成窄带滤光片包括：基片，在基片上有一与基片牢固结合的下层膜系，在下层膜系上有一与下层膜系牢固结合的厚度不等的谐振腔层列阵，列阵＝m×n，m＝1、2、3…，n＝1、2、3…。在厚度不等的谐振腔层列阵上有一与其牢固结合的上层膜系。
所说的基片材料为对所要集成的滤光片波段是透明的。所说的上、下层膜系相同，均为(LH)₅，谐振腔层厚度≥2L，其中H为高折射率膜层，L为低折射率膜层，数值5为高折射率膜层与低折射率膜层交替叠层的次数，膜层的光学厚度(nd)为λ₀/4，λ₀为设计初始窄带滤光片膜系时的中心波长。
上述滤光片列阵中每一相同厚度的谐振腔层与其的上、下层膜系构成一个微型窄带滤光片，m×n个厚度不等的谐振腔层与其的上、下层膜系构成m×n个微型窄带滤光片。
本发明的集成窄带滤光片的优点是：
1、制备工艺与半导体工艺相兼容，利用成熟的半导体刻蚀工艺，根据需要可制备出形状和尺寸都与探测器列阵匹配的集成窄带滤光片，共同构成光谱可识别的探测器，大大简化多光谱探测器的结构，有利于仪器的小型化和集成化。
2、工艺简单，只需设计一个膜系、通过镀膜和刻蚀即可完成集成窄带滤光片地制备，而且集成度可以做得很高。
3、所制备滤光片的各单元的半峰宽很窄，其相对半峰宽都小于0.36％，可以起到很好的波长选择作用。
图1为集成窄带滤光片的剖面结构示意图。
图2a和图2b分别为光谱波段在2.558～2.809μm和2.295～2.967μm之间的微型窄带滤光片列阵的透射光谱图。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，如图1所示，以m＝n＝4，即16元的滤光片为实施例，每个滤光片的面积为2×2mm，总面积为8×8mm。滤光片的面积可以根据需要做得更小或者更大，最小可以做到微米量级。根据所选择的滤光片列阵的透射波段：2.558～2.809μm和2.967μm-2.295μm，确定基片1为硅材料，滤光片的膜系结构为(LH)₅(6L)(HL)₅，其中下层膜系2为(LH)₅、谐振腔层3为6L、上层膜系4为(HL)₅，与下层膜系形成镜面对称。H表示λ₀/4锗膜层，L表示λ₀/4一氧化硅膜层，λ₀为初始窄带滤光片的中心波长，波长为2.300μm。
首先，在基片1上采用真空镀膜或磁控反应溅射等方法镀制下层膜系2和谐振腔层3。然后中止镀膜，将已经镀好下层膜系2和谐振腔层3的基片取出，采用半导体工艺中常规的离子刻蚀方法分区域进行刻蚀，形成16个厚度不等的谐振腔列阵，本实施例的离子刻蚀速率为0.25nm/s，具体与所刻蚀的材料和离子刻蚀机本身所设参数有关，刻蚀时间可精确控制到0.1s。接着在此基础上进行上层膜系4的镀制，虽然此时所镀的片子上谐振腔层厚度各不相同，但镀膜时各处沉积速率都一样，因此在不同谐振腔层厚度的区域上所镀的上层膜系都完全相同，于是在同一块基片上就形成了只有谐振腔层厚度不同、其他膜系完全相同的窄带滤光片列阵。这种结构非常简单有效，无论集成多少个窄带滤光片单元，都只需要设计一个膜系，两次镀膜即可完成整个滤光片列阵的制备，比通常采用的方法要简单很多，而且集成度可以做得很高。
由于滤光片的透射波长与谐振腔层的厚度成正比，因此可以通过减薄谐振腔层的厚度来改变滤光片的透射波长，谐振腔层厚度每减薄1nm，滤光片的透射波长就蓝移1.9nm。对于波长范围为2.967μm-2.295μm的滤光片列阵，当谐振腔层厚度减薄到357.2nm时，滤光片透射波长蓝移672nm，即从2.967μm改变到2.295μm。
图2a是波长分布在2.558～2.809μm之间的16个滤光片单元的透射光谱曲线，各个滤光片的带通都非常窄，半峰宽都小于0.01μm，相对半峰宽小于0.35％，其中最小半峰宽只有0.0043μm，相对半峰宽达到0.16％，可以起到很好的波长选择作用。图2b是波长分布于2.295～2.967μm之间的16个滤光片单元的透射光谱曲线，说明本发明的集成窄带滤光片既可在窄的波段范围内均匀分布窄带滤光片列阵，还可在宽波段范围内集成窄带滤光片列阵，具体参数见表1。
表1  两个波段集成窄带滤光片各个单元的基本参数(波长、透过率和半峰宽)