CN105093376A - 中心波长渐变的带通滤光片制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中心波长渐变的带通滤光片制备方法，根据带通滤光片中心波长的位置与间隔层光学厚度成正比的关系在真空室中采用等离子体增强化学气相沉积完成第一高反射膜堆和间隔层的制备，然后在真空室中采用离子束刻蚀和掩模板组合技术对不同位置处的间隔层进行不同的厚度刻蚀，使对应不同中心波长的间隔层形成阶梯状台阶，最后再采用等离子体增强化学气相沉积完成第二高反射膜堆的制备，即获得中心波长渐变的带通滤光片。本发明所提供的中心波长渐变滤光片的制备方法只需经过一次第一高反射膜1和间隔层的镀制、离子束与掩模组合刻蚀、第二高反射膜堆的镀制就可完成n个中心波长渐变滤光片的制备，方法简单、效率高。

Description

中心波长渐变的带通滤光片制备方法

技术领域

本发明属于滤光片制造的光学技术领域，具体涉及一种中心波长渐变的带通滤光片制备方法。

背景技术

带通滤光片是在一定的波段内，只有中间一小段是高透射率的通带，而在通带的两侧是高反射率的阻止带。目前，带通滤光片有两种基本的结构形式，一种是由一个长波通膜堆和一个短波通膜堆叠加构成一个带通滤光片，这种滤光片可以获得较宽的截止带和较深的截止度，但不容易获得较窄的通带；另外一种是Fabry-Perot干涉仪形式的带通滤光片，这种滤光片可以获得很窄的通带。对于带通滤光片而言，其中最重要的指标之一就是带通滤光片的中心波长。

目前，光学薄膜滤光片已经广泛应用于光谱测量、遥感技术、激光对抗等多个领域。随着遥感技术、多光谱成像技术、多光谱测试等技术的不断发展，对滤光片的要求也越来越高，除了高精度、高可靠性之外，还要求多通道、多光谱，于是出现了一些特殊的滤光片，其中多光谱线性渐变滤光片就是一个新的发展方向。多光谱线性渐变滤光片是在基片每一个不同的空间位置对应于不同中心波长透光的窄带滤光片。

这种中心波长渐变滤光片可以广泛应用于光谱分析仪器、红外报警、电视摄像以及航空航天等领域光学系统的光谱滤光，还可以与探测器组合使用，能同时识别不同的光辐射，简化仪器的光学和机械系统，提高仪器的可靠性和稳定性，使它们微小化而便于携带，具有和好的应用前景。

目前中心渐变波长滤光片主要通过拼接和掩膜分离方法来实现。这两种制备方法的生产效率和成品率都非常低下，制备一个集成n个不同中心波长的渐变滤光片需要n次镀膜来实现，而且成品率极低，并且随着滤光片中心波长数的增加，其成品率会急剧下降，从而极大地制约了它的发展与应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种中心波长渐变的带通滤光片制备方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供一种中心波长渐变的带通滤光片制备方法，该方法为：根据带通滤光片中心波长的位置与间隔层光学厚度成正比的关系在真空室中采用等离子体增强化学气相沉积完成第一高反射膜堆和间隔层的制备，然后在真空室中采用离子束刻蚀和掩模板组合技术对不同位置处的间隔层进行不同的厚度刻蚀，使对应不同中心波长的间隔层形成阶梯状台阶，最后再采用等离子体增强化学气相沉积完成第二高反射膜堆的制备，即获得中心波长渐变的带通滤光片。

上述方案中，该方法具体通过以下步骤实现：

步骤1：将清洗干净的基片放入到PECVD设备中，通过控制所充入反应气体SiH₄和N₂的流量、射频功率、反应压强以及反应温度，制备高折射率SiN_x薄膜；再通过控制SiH₄、N₂O和C₂F₆的流量、工作压强、射频功率和反应温度制备低折射率的SiO_x或SiO_xF_y薄膜；最后交替沉积高折射率SiN_x薄膜和低折射率SiO_x(SiO_xF_y)薄膜，使高低折射率膜层的重复次数至少5次，从而完成第一高反射膜堆的制备；

步骤2：在第一高反射膜堆的基础上，通过控制所充入反应气体SiH₄和N₂的流量、射频功率、反应压强以及反应温度，制备高折射率SiN_x薄膜作为间隔层；

步骤3：将第一高反射膜堆和间隔层的样片放入到离子束刻蚀真空室中，根据渐变滤光片中心波长数量以及每个单元滤光片的宽度进行相应的掩模，在样片的间隔层上刻蚀出若干个渐变台阶；

步骤4：在刻蚀好的台阶面上采用等离子体增强化学气相沉积技术，按照步骤(1)中的工艺参数依次交替沉积低折射率的SiO_x或SiO_xF_y薄膜和高折射率的SiN_x薄膜，完成第二高反射膜堆的沉积，即获得中心波长渐变的带通滤光片。

上述方案中，在所述第二高反射膜堆的沉积过程中，通过膜厚控制和工艺参数的控制使得第二高反射膜堆尽可能与第一高反射膜堆关于间隔层对称，从而完成n个中心波长渐变滤光片的制备。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

(1)本发明所提供的中心波长渐变滤光片的制备方法只需经过一次第一高反射膜和间隔层的镀制、离子束与掩模组合刻蚀、第二高反射膜堆的镀制就可完成n个中心波长渐变滤光片的制备，方法简单、效率高。

(2)本发明在高反射膜堆和间隔层的沉积中采用了等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术，借助了等离子体增强化学气相沉积技术制备薄膜覆形性好的特性，使其在阶梯形台阶上沉积薄膜时能够很好地复现刻蚀所制备的台阶结构，使每个单元滤光片之间的界限清晰，单元滤光片之间不相互干扰。

(3)本发明所提供的制备方法中，在离子束刻蚀中将离子束刻蚀技术与掩模组合使用，通过掩模的巧妙设计，通过m次刻蚀实现2^m个不同中心中心波长的滤光片组合，降低了间隔层的刻蚀次数，提高了生产效率。

附图说明

图1为具有n＝2^m个不同中心波长渐变带通滤光片的结构示意图；

图2为本发明实施例提供一种中心波长渐变的带通滤光片制备方法的制备过程示意图；

图3为通过本发明制备8个中波长渐变滤光片组合刻蚀掩模板基本结构和依次使用次序示意图；

图4为本发明实施例1制备的四个中心渐变窄带通滤光片的光谱曲线；

图5为本发明实施例2制备的八个中心渐变窄带通滤光片的光谱曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明实施例提供一种中心波长渐变的带通滤光片制备方法，该方法为：根据带通滤光片中心波长的位置与间隔层光学厚度成正比的关系在真空室中采用等离子体增强化学气相沉积完成第一高反射膜堆和间隔层的制备，然后在真空室中采用离子束刻蚀和掩模板组合技术对不同位置处的间隔层进行不同的厚度刻蚀，使对应不同中心波长的间隔层形成阶梯状台阶，最后再采用等离子体增强化学气相沉积完成第二高反射膜堆的制备，即获得中心波长渐变的带通滤光片。

图1给出了具有n＝2^m个不同中心波长渐变带通滤光片的结构示意图。如图所示，该中心波长渐变带通滤光片中，单元滤光片的宽度为L，每个单元滤光片之间有一定的间隔。每个单元滤光片都是Fabry-Perot干涉型带通滤光片，对于Fabry-Perot干涉型带通滤光片中心波长处的透射率为

T＝T₀/(1+Fsin²θ)

其中， $T_0=(1-R_1)(1-R_2)/{(1-\sqrt{R_1{R}_2})}^2,$ θ＝(2πnd)/λ-(φ₁+φ₂)/2。

式中φ₁和φ₂，是对应于两个高反射膜R₁和R₂的反射相移，则每个单元滤光片中心波长的光谱位置为

${\mathrm{\λ}}_0=\frac{2nd}{\[k+({\mathrm{\φ}}_1+{\mathrm{\φ}}_2)/2\mathrm{\π}\]}=\frac{2nd}{m}$

其中,m＝k+(φ₁+φ₂)/2π,上式说明窄带滤光片中心波长的位置是由间隔层的厚度决定的，改变间隔层的厚度可以移动中心波长的位置。

依据上述滤光片中心波长与间隔层之间的关系，本发明实施例提供一种中心波长渐变的带通滤光片制备方法，如图2所示，该方法具体通过以下步骤实现：

步骤1：将清洗干净的基片放入到PECVD设备中，通过控制所充入反应气体SiH₄和N₂的流量、射频功率、反应压强以及反应温度，制备高折射率SiN_x薄膜；再通过控制SiH₄、N₂O和C₂F₆的流量、工作压强、射频功率和反应温度制备低折射率的SiO_x或SiO_xF_y薄膜；最后交替沉积高折射率SiN_x薄膜和低折射率SiO_x(SiO_xF_y)薄膜，使高低折射率膜层的重复次数至少5次，从而完成第一高反射膜堆的制备；

步骤2：在第一高反射膜堆的基础上，通过控制所充入反应气体SiH₄和N₂的流量、射频功率、反应压强以及反应温度，制备高折射率SiN_x薄膜作为间隔层；

步骤3：将第一高反射膜堆和间隔层的样片放入到离子束刻蚀真空室中，根据渐变滤光片中心波长数量以及每个单元滤光片的宽度进行相应的掩模，在样片的间隔层上刻蚀出若干个渐变台阶；

具体的，例如要制备的中心波长渐变数量为n＝2^m，单元滤光片宽度为L，则需要依次使用m个单元宽度分别为mL，(m-1)L……2L，L的掩模与离子束刻蚀进行组合使用，最终经过m次离子束刻蚀后，就会在样片的间隔层上刻蚀出n个单元宽度为L的渐变台阶。

步骤4：在刻蚀好的台阶面上采用等离子体增强化学气相沉积技术，按照步骤(1)中的工艺参数依次交替沉积低折射率的SiO_x或SiO_xF_y薄膜和高折射率的SiN_x薄膜，完成第二高反射膜堆的沉积，即获得中心波长渐变的带通滤光片。

在所述第二高反射膜堆的沉积过程中，通过膜厚控制和工艺参数的控制使得第二高反射膜堆尽可能与第一高反射膜堆关于间隔层对称，从而完成n个中心波长渐变滤光片的制备。

在一个真空室内一次连续完成第一高反射膜堆和间隔层的沉积、间隔层的刻蚀以及第二高反射膜堆的沉积。

采用离子束刻蚀和掩模板组合技术实现对间隔层不同厚度的刻蚀，通过与不同掩模板的组合使用，降低间隔层的刻蚀次数，通过m次刻蚀可实现2^m个不同中心中心波长的滤光片组合。

所述第一高反射膜堆、间隔层以及第二高反射膜堆均采用等离子体增强化学气相沉积技术来制备，这样可以很好地保证不同阶梯状间隔层上第二高反射膜堆的覆形性，使不同中心波长的滤光片之间的界限更加清楚。

为了提高生产效率，降低次品率，本发明在采用离子束刻蚀的过程中，采用了一种离子束刻蚀与掩模相结合的刻蚀方法，通过掩模的巧妙设计与运用，大大降低了刻蚀的时间，提高了生产效率，由于刻蚀次数的减少，同时尽可能减少了刻蚀中引起的误差，提高了成品率。图3所示为8波长渐变滤光片制备中所使用的掩模图案以及掩模的使用次序，其中黑色部分为掩盖部分，白色部分为刻蚀部分。通过图3(a)所示掩模板的使用，首先将整个间隔层刻蚀成两个大台阶，再通过图3(b)掩模板的使用，可将间隔层刻蚀成4个高低不同的台阶，再使用图3(c)所示的掩模板，就可将间隔层刻蚀成8个高度不同的台阶，形成8个中心波长不同的滤光片单元，依次类推，经过m个掩模板和离子束刻蚀组合后，就会在样片的间隔层上刻蚀出2^m个单元宽度为L的渐变台阶，最后通过上述高反射膜堆2的沉积，就可制备具有2^m个中心波长不同的渐变滤光片。

实施例1：四个中心波长渐变的滤光片的制备

在长度为10mm，宽度为10mm，厚度为2mm的K9玻璃基底上制备单元滤光片宽度为2.5mm，中心波长分别为500nm、540nm、580nm和620nm四个波长渐变的滤光片。其中中心波长最长的窄带通滤光片对应的膜系结构为S/(HL)^P4.8H(LH)^P/A，其中H代表高折射率的SiN_x薄膜，L代表低折射率的SiO_x或SiO_xF_y薄膜，其光学厚度均为，p的取值范围一般为5-10之间。制备过程是，首先在基底上沉积结构为S/(HL)^P/A的高反射膜堆1，沉积完高反射膜堆1后继续沉积光学厚度为1.2的高折射率的SiN_x薄膜作为间隔层，这样就完成了如图2(a)所示的结构。第二步进行间隔层的刻蚀，首先采用图3(a)所示遮挡和不遮挡部分宽度均为5mm，长度为10mm的掩模板和离子束刻蚀技术相结合对间隔层进行刻蚀，再采用如图3(b)所示的各区域宽度为2.5mm的掩模板进行第二次离子束刻蚀，其刻蚀后各台阶间隔层的厚度以依次为319nm、284nm、241nm和195nm，从而制备出图2(c)的四个阶梯结构。第三步，采用等离子体增强化学气相沉积技术在台阶上继续沉积膜系结构为S/(LH)^P/A的高反射膜堆2，为了保证单元滤光片的最大透射率，高反射膜堆2的厚度以及沉积工艺应尽可能与高反射膜堆1相同。图4所示为该方法制备的四个中心波长渐变的滤光片的光谱曲线。

实施例2：八个中心波长渐变的滤光片的制备

在长度为20mm，宽度为10mm，厚度为2mm的K9玻璃基底上制备单元滤光片宽度为2.5mm，中心波长分别为500nm、520nm、540nm、560nm、580nm、600nm、620nm和640nm八个波长渐变的滤光片。其中，中心波长最长的窄带通滤光片对应的膜系结构为S/(HL)^P4.8H(LH)^P/A，其中H代表高折射率的SiN_x薄膜，L代表低折射率的SiO_x或SiO_xF_y薄膜，其光学厚度均为，p的取值范围一般为5-10之间。制备过程是，首先在基底上沉积结构为S/(HL)^P/A的高反射膜堆1，沉积完高反射膜堆1后继续沉积光学厚度为的高折射率的SiN_x薄膜作为间隔层，这样就完成了如图2(a)所示的结构。第二步进行间隔层的离子束刻蚀，由于要制备8个不同中心波长的滤光片，按照上述刻蚀过程的描述，需要进行3次离子束刻蚀。首先采用图3(a)所示遮挡和不遮挡部分宽度均为10mm，长度为20mm的掩模板和离子束刻蚀技术相结合对间隔层进行刻蚀，再采用如图3(b)所示的各区域宽度为5.0mm的掩模板进行第二次离子束刻蚀，最后，再采用如图3(c)所示的各区域宽度为2.5mm的掩模板进行第三次离子束刻蚀其刻蚀，刻蚀后各台阶间隔层的厚度以依次为326nm、319nm、312nm、284nm、260nm、241nm、221nm和195nm，从而制备出图2(c)所示的8个阶梯结构。第三步，采用等离子体增强化学气相沉积技术在台阶上继续沉积膜系结构为S/(LH)^P/A的高反射膜堆2，为了保证单元滤光片的最大透射率，高反射膜堆2的厚度以及沉积工艺应尽可能与高反射膜堆1相同。图5所示为该方法制备的八个中心波长渐变的滤光片的光谱曲线。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种中心波长渐变的带通滤光片制备方法，其特征在于，该方法为：根据带通滤光片中心波长的位置与间隔层光学厚度成正比的关系在真空室中采用等离子体增强化学气相沉积完成第一高反射膜堆和间隔层的制备，然后在真空室中采用离子束刻蚀和掩模板组合技术对不同位置处的间隔层进行不同的厚度刻蚀，使对应不同中心波长的间隔层形成阶梯状台阶，最后再采用等离子体增强化学气相沉积完成第二高反射膜堆的制备，即获得中心波长渐变的带通滤光片。

2.根据权利要求1所述的中心波长渐变的带通滤光片制备方法，其特征在于，该方法具体通过以下步骤实现：

步骤1：将清洗干净的基片放入到PECVD设备中，通过控制所充入反应气体SiH₄和N₂的流量、射频功率、反应压强以及反应温度，制备高折射率SiN_x薄膜；再通过控制SiH₄、N₂O和C₂F₆的流量、工作压强、射频功率和反应温度制备低折射率的SiO_x或SiO_xF_y薄膜；最后交替沉积高折射率SiN_x薄膜和低折射率SiO_x（SiO_xF_y）薄膜，使高低折射率膜层的重复次数至少5次，从而完成第一高反射膜堆的制备；

步骤2：在第一高反射膜堆的基础上，通过控制所充入反应气体SiH₄和N₂的流量、射频功率、反应压强以及反应温度，制备高折射率SiN_x薄膜作为间隔层；

步骤3：将第一高反射膜堆和间隔层的样片放入到离子束刻蚀真空室中，根据渐变滤光片中心波长数量以及每个单元滤光片的宽度进行相应的掩模，在样片的间隔层上刻蚀出若干个渐变台阶；

步骤4：在刻蚀好的台阶面上采用等离子体增强化学气相沉积技术，按照步骤（1）中的工艺参数依次交替沉积低折射率的SiO_x或SiO_xF_y薄膜和高折射率的SiN_x薄膜，完成第二高反射膜堆的沉积，即获得中心波长渐变的带通滤光片。

3.根据权利要求1或2所述的中心波长渐变的带通滤光片制备方法，其特征在于：在所述第二高反射膜堆的沉积过程中，通过膜厚控制和工艺参数的控制使得第二高反射膜堆尽可能与第一高反射膜堆关于间隔层对称，从而完成n个中心波长渐变滤光片的制备。