CN108196333A - 一种多通道窄带滤波像素阵列的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种多通道窄带滤波像素阵列的制备方法，包括以下步骤：一、在衬底上制作套刻标记和金属遮光栅格；二、在衬底表面制作一层金属铝导电薄膜作为电镀的起始衬底；三、通过紫外光刻形成光刻胶掩膜；四、将制作了光刻胶图形的基片放入电镀液池中电镀；五、去除光刻胶掩膜并腐蚀衬底表面的金属铝导电薄膜，形成铝掩膜；六、采用离子溅射镀膜的方法，制备特定光学特征的F‑P型周期性干涉膜系；七、腐蚀铝掩膜，形成第一个通道的窄带滤波像素阵列；八、重复步骤二到七，依次完成第二、第三和第四通道的像素阵列的制备；九，将多通道微滤光片与CCD探测器键合封装。本发明在保持光学薄膜特性的同时，实现大厚度光学薄膜的图形化，制造工艺简单可靠，有利于推广普及，具有较高的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及光学薄膜制备、光学微器件制备、纳米光子学及遥感探测领域，特别涉及一种多通道窄带滤波像素阵列的制备方法，其具有不同工作波长的F-P型周期性多层介质膜窄带微滤光片进行多通道窄带滤波，可以应用于光谱成像。
背景技术
70年代末80年代初，在研究归纳各种地物光谱特征的基础上，大家逐渐认识到，如果能实现连续的窄波段成像，那么就有可能实现地面矿物的直接识别，由此产生了光谱和图像结合为一体的成像光谱技术。1983年，美国喷气推进实验室研制出第一台航空成像光谱仪(AIS-1)，随后包括中国在内的许多国家都研制成功了一系列成像光谱仪，其中有以线阵探测器为基础的光机扫描型，有以面阵探测器为基础的固态推扫型，也有以面阵探测器加光机的并扫型。
光谱成像技术是一种将光谱分析技术与光学成像技术结合而成的探测技术，不同于传统黑白或者RGB三色成像，光谱成像可以从光谱维度上获得若干个任意通道。光谱成像技术不仅可以实现定性定量的光谱分析功能，还可以通过光学成像获取准确直观的目标物体分布图，具有图谱合一的优势。例如，光谱成像滤光片和CCD探测器结合，不仅有图像的信息，并且可以获得图像上每个像素点的光谱数据，为分析、检测、监控、测量等应用提供更为丰富、精准的信息。
多光谱成像技术主要是以物体对不同波长光线的吸收存在差异为原理，通过测量目标物体在一定波长范围内特定频率的光强度变化来实现检测、辨别。随着多光谱成像技术的不断提高，其应用范围也在不断扩大，尤其在医学、农业、矿业、环境、军事以及安检等领域都有着重要的应用。在农业领域，多光谱成像技术可以通过从可见光到热红外不同的狭窄波段区感应能量，分别获得地物在不同谱段上的影像，以此识别地物的具体情况，主要应用于作物病害诊断、农产品品质检测、作物生长状态监测等方面。另外，在重大自然灾害面前，多光谱成像技术还可以在灾害评估方面发挥重要的作用，提供准确的灾情评估报告，为决策部门制定救灾、减灾方案提供了精准的信息资料。
目前，常见的光谱成像技术包括，光栅分光、声光可调谐滤波分光、棱镜分光和芯片镀膜等。对于光栅分光的光谱成像技术，经过狭缝的光由于不同波长照射到不同的探测器像元上，光能量很低，因此需要选择高灵敏相机，同时需要加光源。对于声光可调谐滤波分光的光谱成像技术，系统一般由声光介质、换能器和声终端三部分组成。射频驱动信号通过换能器激励出超声波，超声波在光介质内传播，使介质产生与声波信号相应的、随时间和空间周期变化的弹性形变，从而导致介质中的折射率发生周期变化，形成等效的位相光栅，光栅常数即声波波长。若声波频率较高，且声光作用长度足够大，声扰动介质形成体位相光栅。改变射频驱动信号的频率，可以实现电调谐波长的扫描。对于棱镜分光的光谱成像技术，不同频率入射光通过棱镜后被分成不同的方向，然后照射到不同方向的探测器上进行成像。棱镜分光后，在棱镜的出射面镀了不同波段的滤光膜，使得不同方向的探测器可以采集到不同光谱信息，实现同时采集空间及光谱信息。可见，光栅分光、声光可调谐滤波分光和棱镜分光的方案，制造相当复杂，并且结构尺寸较大，不便于光电子器件大规模集成。
芯片镀膜光谱成像技术需要借助半导体技术进行滤光片的制备，具有微小尺寸和集成度高的特点，相比光栅分光、声光可调谐滤波分光和棱镜分光的方案具有优势。欧洲微电子研究中心(IMEC)利用高灵敏CCD芯片及SCMOS芯片，开发了一种高光谱成像技术。具体地讲，他们在CCD探测器的像元上分别镀上不同工作波长的滤波膜，于是不同的像元会接收到不同波长的光谱信息，实现光谱成像。这种光谱成像方式不需要额外的附件，降低了光谱成像设备的体积和成本。目前，IMEC提供三种光谱探测器：100波带的线扫描探测器，32波带的瓷砖式镀膜探测器，16波带以4×4为一个波段的马赛克式镀膜探测器。芯片镀膜光谱成像技术的优点是，可以同时获得光谱分辨率和空间分辨率，可以快速、高效地获得光谱信息和空间信息，集成度高，成本低。缺点是，其光谱灵敏度较低，一般大于10nm；而且，滤波通道越多，工艺越复杂，与CCD像元对应的窄带滤波单元的边缘容易受到工序的影响，无法与像元实现完全匹配，性能难以保障。
发明内容
发明目的：克服上述现有芯片镀膜光谱成像技术中的滤光片制备方法的不足，提供一种多通道窄带滤波像素阵列的制备方法。在保持光学薄膜特性的同时，可以实现大厚度光学薄膜的图形化，制造工艺简单可靠，有利于技术的推广和普及，在可穿戴设备、纳米集成光路、无人机大范围扫描的光谱应用等领域，具有较高的实用价值。
本发明采用的技术方案是：一种多通道窄带滤波像素阵列的制备方法，包括下述步骤：
步骤一，在衬底上采用紫外光刻和电子束蒸发镀膜工艺，制作套刻标记和周期性滤波像素单元之间的金属遮光栅格；
步骤二，在衬底表面通过紫外光刻和电子束蒸发镀膜制作一层金属铝导电薄膜作为电镀的起始衬底；
步骤三，通过紫外光刻形成光刻胶掩膜；
步骤四，将制作了光刻胶图形的基片放入电镀液池中电镀；
步骤五，去除光刻胶掩膜，并腐蚀衬底表面的金属铝导电薄膜，形成铝掩膜；
步骤六，采用离子溅射镀膜的方法，制备特定光学特征的F-P型周期性干涉膜系；
步骤七，腐蚀铝掩膜，形成第一个通道的窄带滤波像素阵列；
步骤八，重复步骤二到七，依次完成第二、第三和第四通道的像素阵列的制备；
步骤九，将上述制成的多通道微滤光片与CCD探测器进行键合封装。
上述技术方案中，所述衬底根据目标光谱特性选择石英衬底、硅片衬底、ITO玻璃衬底或柔性材料彻底。
上述技术方案中，所述光刻胶掩膜选用SU-8和AR-N 4400中的一种来制作。
上述技术方案中，所述步骤五中形成的铝掩膜的厚度必须大于F-P型周期性干涉膜系厚度的三倍。
上述技术方案中，所述多通道窄带滤波像素阵列，是具有特定工作波长、带通数、带宽、透过率和抑止率的F-P型周期性干涉滤光多层介质膜。
上述技术方案中，首先设计不同光学特性指标的F-P多层介质膜，达到一定的滤波带宽、抑止和透过率；然后，利用紫外光刻、电子束蒸发镀膜、离子溅射镀膜、剥离、电镀和湿法刻蚀技术完成滤光片周期性微结构的制备；最后，装配微尺度F-P型多通道干涉滤光与CCD探测器，将微滤光单元与CCD成像单元一一匹配。
上述技术方案中，所述多通道窄带滤波像素阵列具有不同中心波长的周期性微滤光单元和衬底；多通道窄带滤波像素阵列结构是F-P型多层介质膜，采用干涉的原理达到滤光的目的，衬底用于支撑该功能结构，衬底对所滤波长具有高透过滤。
上述技术方案中，对于具有特殊曲面结构的CCD探测器，可以将该周期性微滤光单元加工在柔性衬底上。
上述技术方案中，根据CCD探测器的像元大小和像素多少，设计制备该周期性微滤光单元，根据实际需求确定滤光通道数目，结合适当的数据处理算法，获取多通道光谱图像。
上述技术方案中，可以根据目标光谱特征，合理设计周期性多层介质膜的结构，制备单通道、双通道或其他多通道的具有不同光学特性的滤光薄膜。
上述技术方案中，对于石英和硅片等不导电衬底，需要在衬底表面通过紫外光刻和电子束蒸发镀膜制作一层金属铝导电薄膜作为电镀的起始衬底，然后制备光刻胶掩膜；对于ITO玻璃等导电衬底，可以直接制备光刻胶掩膜，然后电镀。
上述技术方案中，铝掩膜的厚度根据膜系厚度确定，铝掩膜的厚度必须大于膜系厚度的三倍。
上述技术方案中，所采用的F-P型周期性干涉膜系设计、紫外光刻、电子束蒸发镀膜、离子溅射镀膜、电镀、剥离和湿法刻蚀等均为本领域公知的成熟技术。使用上述方法所需的设备均可市购：紫外光刻系统可以采用德国SUSS MicroTec公司的SUSS MA/BA6光刻机；电子束蒸发镀膜系统可以采用美国Kurt J.Lesker公司的PVD 75蒸发镀膜系统；离子溅射镀膜系统可以采用Veeco的SPECTOR镀膜机。
有益效果及优点：
(1)设计灵活，根据不同的应用，设计制备不同观测物特征波长的多通道窄带滤光片，实现对不同被测目标的多光谱成像；
(2)能实现大厚度膜系的图形化；
(3)工艺简单，批量制备成本低，有利于推广应用。
附图说明
图1为微滤光片制备的工艺流程图；图1中，1是衬底，2是金属遮光栅格，31～34是不同工作波长的微尺度干涉滤光功能单元，①～④表示滤光单元与CCD探测器像元对应；图1 中，a图表示衬底，b图表示在衬底上完成金属遮光栅格的制备，c图表示完成像素阵列制备后的微滤光；
图2为微滤光片的制备流程示意图；图2中，4是铝掩膜，5是光刻胶掩膜；图2中，a图表示准备衬底，b图表示制备金属遮光栅格，c图表示通过光刻和蒸镀获得电镀铝的种子层， d图表示通过光刻获得光刻胶掩膜，e图表示电镀铝，f图表示通过剥离得到铝掩膜，g图表示制备460nm膜系，h图表示通过湿法刻蚀的方法去除铝掩膜及其上面的460nm膜系，获得460 nm滤光单元；i图表示通过光刻和蒸镀获得电镀铝的种子层，j图表示通过光刻获得光刻胶掩膜，k图表示电镀铝，l图表示通过剥离得到铝掩膜，m图表示制备525nm膜系，n图表示通过湿法刻蚀的方法去除铝掩膜及其上面的膜系，获得525nm滤光单元；o图表示通过光刻和蒸镀获得电镀铝的种子层，p图表示通过光刻获得光刻胶掩膜，q图表示电镀铝，r图表示通过剥离得到铝掩膜，s图表示制备577nm膜系，t图表示通过湿法刻蚀的方法去除铝掩膜及其上面的膜系，获得577nm滤光单元；u图表示通过光刻和蒸镀获得电镀铝的种子层，v图表示通过光刻获得光刻胶掩膜，w图表示电镀铝，x图表示通过剥离得到铝掩膜，y图表示制备650nm 膜系，z图表示通过湿法刻蚀的方法去除铝掩膜及其上面的膜系，获得650nm滤光单元；
图3是采用表1所示的膜系结构设计计算得到的单通道干涉薄膜的透过率曲线，中心波长为460nm；
图4是采用表2所示的膜系结构设计计算得到的单通道干涉薄膜的透过率曲线，中心波长为525nm；
图5是采用表3所示的膜系结构设计计算得到的单通道干涉薄膜的透过率曲线，中心波长为577nm；
图6是采用表4所示的膜系结构设计计算得到的单通道干涉薄膜的透过率曲线，中心波长为650nm；
图7是采用表5所示的膜系结构设计计算得到的双通道干涉薄膜的透过率曲线，中心波长为460nm和577nm；
图8是采用表6所示的膜系结构设计计算得到的三通道干涉薄膜的透过率曲线，中心波长为460nm、577nm和650nm。
具体实施方式
一种多通道窄带滤波像素阵列的制备方法，包括下述步骤：
步骤一，在衬底上采用紫外光刻和电子束蒸发镀膜工艺，制作套刻标记和周期性滤波像素单元之间的金属遮光栅格；
步骤二，在衬底表面通过紫外光刻和电子束蒸发镀膜制作一层金属铝导电薄膜作为电镀的起始衬底；
步骤三，通过紫外光刻形成光刻胶掩膜；
步骤四，将制作了光刻胶图形的基片放入电镀液池中电镀；
步骤五，去除光刻胶掩膜，并腐蚀衬底表面的金属铝导电薄膜，形成铝掩膜；
步骤六，采用离子溅射镀膜的方法，制备特定光学特征的F-P型周期性干涉膜系；
步骤七，腐蚀铝掩膜，形成第一个通道的窄带滤波像素阵列；
步骤八，重复步骤二到七，依次完成第二、第三和第四通道的像素阵列的制备；
步骤九，将上述制成的多通道微滤光片与CCD探测器进行键合封装。
所述衬底根据目标光谱特性选择石英衬底、硅片衬底、ITO玻璃衬底或柔性材料衬底。
所述光刻胶掩膜选用SU-8和AR-N 4400中的一种来制作。
所述步骤五中形成的铝掩膜的厚度必须大于F-P型周期性干涉膜系厚度的三倍。
所述多通道窄带滤波像素阵列，是具有特定工作波长、带通数、带宽、透过率和抑止率的 F-P型周期性干涉滤光多层介质膜。
本发明的一种基于周期性F-P型干涉膜系的光谱成像微滤光片，包括微滤光单元和衬底，微尺度的滤光单元制备在衬底上。所述的衬底采用石英、硅片或者柔性材料；所述微滤光单元的膜系材料、结构和尺寸，根据滤光波长、滤光带宽、抑止和透过率进行设计，可以实现多通道同时滤波，所述微滤光单元采用镀膜、光刻和刻蚀工艺加工装备制备在衬底上；不同工作波长的滤光单元之间由金属遮光栅格隔离，金属遮光栅格采用紫外光刻、电子束蒸发镀膜和剥离工艺加工制备在衬底上；所述微滤光片的功能单元与CCD探测器的成像单元必须一一对应，以实现多通道光谱成像。
为了实现多通道光谱成像，可以采用如下步骤：
(1)仿真计算，设计特定光学特性的周期性多层介质膜；
(2)利用传统半导体工艺加工制备微滤光片；
(3)装配微滤光片和CCD探测器。
以下通过本发明的具体实施例，结合附图对本发明作更进一步的说明。
TFCalc是最著名的光学薄膜设计软件，我们采用TFCalc设计光学薄膜。对于中心波长为 460nm，带宽～2nm，透过率>95％的单通道窄带干涉滤光薄膜，选择石英为基底，厚度1mm，采用SiO2和Ta2O5为膜系材料，膜系设计如表1所示，膜厚8.36μm，其透过率曲线如图3所示。
对于中心波长为525nm，带宽～2nm，透过率>95％的单通道窄带干涉滤光薄膜，选择石英为基底，厚度1mm，采用SiO2和Ta2O5为膜系材料，膜系设计如表2所示，膜厚9.50μm，其透过率曲线如图4所示。
对于中心波长为577nm，带宽～2nm，透过率>95％的单通道窄带干涉滤光薄膜，选择石英为基底，厚度1mm，采用SiO2和Ta2O5为膜系材料，膜系设计如表3所示，膜厚10.37μm，其透过率曲线如图5所示。
对于中心波长为650nm，带宽～2nm，透过率>95％的单通道窄带干涉滤光薄膜，选择石英为基底，厚度1mm，采用SiO2和Ta2O5为膜系材料，膜系设计如表4所示，膜厚11.83μm，其透过率曲线如图6所示。
对于中心波长为460nm和577nm，带宽均为～2nm，透过率均为>95％的双通道窄带干涉滤光薄膜，选择石英为基底，厚度1mm，采用SiO2和Ta2O5为膜系材料，膜系设计如表5所示，膜厚8.37μm，其透过率曲线如图7所示。
对于中心波长为460nm、577nm和650nm，带宽均为～2nm，透过率均为>95％的三通道窄带干涉滤光薄膜，选择石英为基底，厚度1mm，采用SiO2和Ta2O5为膜系材料，膜系设计如表6所示，膜厚10.50μm，其透过率曲线如图8所示。
表1中心波长460nm的膜系设计
表2中心波长525nm的膜系设计
表3中心波长577nm的膜系设计
表4中心波长650nm的膜系设计
表5中心波长460nm和577nm的双通道窄带滤光膜系设计
表6中心波长460nm、577nm和650nm的三通道窄带滤光膜系设计
完成微结构设计后，利用光刻、镀膜、剥离和刻蚀这些传统半导体工艺进行微滤光片的加工制作。以下通过工艺制备的具体实施过程，结合附图对本发明作更进一步的说明。
(一)在如图1a所示石英衬底上，采用紫外光刻、电子束蒸发镀膜和剥离技术，制作套刻标记以及滤光单元之间的遮光栅格，得到图1b所示效果，其步骤如下：
1)如图2a所示，准备基底
1.1划片
·旋涂紫外光刻胶AZ6112，转速4000rps，旋涂时间30s
·热板温度100℃，前烘90s
·利用Disco DAD340划片机对2inch大小的石英圆片进行切割，得到1.5cm×1.5cm的石英基底
1.2清洗
·将划片后的石英片放入丙酮浸泡(可加热、可超声)
·用异丙醇清洗，去除丙酮，再用去离子水清洗，最后用氮气吹干
2)制备用于组装键合的贴合面
2.1紫外光刻
·旋涂紫外光刻胶AZ6112，加速6s，转速3500rpm，旋涂时间30s，胶厚约1.6μm
·前烘温度100℃，时间90s
·选择硬接触曝光模式，曝光时间2s
·选择TMAH3038显影液，晃动显影时间30s
·去离子水浸泡定影，然后氮气吹干，在光学显微镜下检验
2.2电子束蒸镀
·去胶机型号M4L，设定功率200W，等离子体去残胶时间3min
·蒸镀Ti/Au，Ti为粘附层，蒸镀速率厚度20nm，Au的蒸镀速率厚度100 nm
·放入丙酮浸泡，加热到50℃进行剥离
·异丙醇清洗去除丙酮，然后去离子水清洗，最后氮气吹干
3)如图2b所示，制备对准标记和遮光栅格
3.1紫外光刻
·旋涂紫外光刻胶AZ6112，加速6s，转速3500rpm，旋涂时间30s，胶厚约1.6μm
·前烘温度100℃，时间90s
·选择硬接触曝光模式，曝光时间2s
·选择TMAH3038显影液，晃动显影时间30s
·去离子水浸泡定影，然后氮气吹干，在光学显微镜下检验
3.2电子束蒸镀
·去胶机型号M4L，设定功率200W，等离子体去残胶时间3min
·蒸镀Ti/Au，Ti为粘附层，蒸镀速率厚度20nm，Au的蒸镀速率厚度100 nm
·放入丙酮浸泡，加热到50℃进行剥离
·异丙醇清洗去除丙酮，然后去离子水清洗，最后氮气吹干
(二)采用表1所示的膜系设计，由于CCD探测器像元尺寸为6.5μm×6.5μm，采用紫外曝光、电子束蒸发镀膜和电镀技术，制备铝掩膜(图2c～f)，然后利用离子溅射镀膜在样品上制备工作波长为460nm的窄带干涉滤光薄膜(图2g)，再利用湿法腐蚀技术，去除铝掩膜，得到6.5 μm×6.5μm的像素阵列结构，如图2h所示，其步骤如下：
4)如图2c～h所示，制备波长460nm的微阵列滤光单元
4.1紫外光刻
·旋涂紫外光刻胶AZ6112，加速6s，转速3500rpm，旋涂时间30s，胶厚约1.6μm
·前烘温度100℃，时间90s
·选择硬接触曝光模式，曝光时间2s
·选择TMAH3038显影液，晃动显影时间30s
·去离子水浸泡定影，然后氮气吹干，在光学显微镜下检验
4.2电子束蒸镀
·去胶机型号M4L，设定功率200W，等离子体去残胶时间3min
·蒸镀Al，蒸镀速率厚度50nm
·放入丙酮浸泡，加热到50℃进行剥离
·异丙醇清洗去除丙酮，然后去离子水清洗，最后氮气吹干
4.3紫外光刻
·旋涂紫外光刻胶AZ4620，加速6s，转速2500rpm，旋涂时间30s，胶厚约12μm
·前烘温度100℃，时间150s
·选择硬接触曝光模式，曝光时间25s
·选择25％TMAH:H2O＝1:8显影液，晃动显影时间30s
·去离子水浸泡定影，然后氮气吹干，在光学显微镜下检验
4.4电镀铝
4.5光学镀膜
采用离子溅射镀膜制备中心波长460nm，带宽～2nm，透过率>95％窄带干涉滤光薄膜
4.6湿法刻蚀铝掩膜
·配置金属铝的刻蚀液，H3PO4:HNO3:CH3COOH:H2O体积比4:1:4:1，室温下刻蚀速率约为1 micron/30min
(三)采用上述相似的工艺步骤，采用表2所示的膜系设计，在波长460nm的干涉滤光微单元结构上进行套刻，利用紫外曝光、电子束蒸发镀膜、电镀、离子溅射镀膜和湿法腐蚀等手段 (图2i～n)，在衬底上制备出工作波长为525nm的、周期为6.5μm的微尺度窄带干涉滤光像素阵列，得到图2n所示效果。
(四)同理，如图2o～z所示，可以先后完成第三和第四通道的像素阵列的制备，最终获得如图1c(图2z)所示效果，完成四通道像素阵列的制备。
上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明技术方案和技术构思所做出其它各种相应的改变、改进和润饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种多通道窄带滤波像素阵列的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤一，在衬底上采用紫外光刻和电子束蒸发镀膜工艺，制作套刻标记和周期性滤波像素单元之间的金属遮光栅格；
步骤二，在衬底表面通过紫外光刻和电子束蒸发镀膜制作一层金属铝导电薄膜作为电镀的起始衬底；
步骤三，通过紫外光刻形成光刻胶掩膜；
步骤四，将制作了光刻胶图形的基片放入电镀液池中电镀；
步骤五，去除光刻胶掩膜，并腐蚀衬底表面的金属铝导电薄膜，形成铝掩膜；
步骤六，采用离子溅射镀膜的方法，制备特定光学特征的F-P型周期性干涉膜系；
步骤七，腐蚀铝掩膜，形成第一个通道的窄带滤波像素阵列；
步骤八，重复步骤二到七，依次完成第二、第三和第四通道的像素阵列的制备；
步骤九，将上述制成的多通道微滤光片与CCD探测器进行键合封装。
2.根据权利要求1所述的窄带滤波像素阵列的制备方法，其特征在于，所述衬底根据目标光谱特性选择石英衬底、硅片衬底、ITO玻璃衬底或柔性材料衬底。
3.根据权利要求1所述的窄带滤波像素阵列的制备方法，其特征在于，所述光刻胶掩膜(5)，选用SU-8和AR-N 4400中的一种来制作。
4.根据权利要求1所述的窄带滤波像素阵列的制备方法，其特征在于，所述电镀后形成的铝掩膜的厚度必须大于F-P型周期性干涉膜系厚度的三倍。
5.根据权利要求1所述的窄带滤波像素阵列的制备方法，其特征在于，所述多通道窄带滤波像素阵列，是具有特定工作波长、带通数、带宽、透过率和抑止率的F-P型周期性干涉滤光多层介质膜。
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